(57)【要約】      （修正有）【課題】高効率に外部へ電力を供給可能な電力出力装置を提供する。【解決手段】電力出力装置１の昇圧コンバータ４０は、燃料電池１０により発電された電力を任意の電圧に変換して出力する。昇降圧コンバータ４５は、燃料電池１０により発電された電力を充電可能な蓄電部２０と昇圧コンバータ４０との間に設けられる。給電口５０は、昇圧コンバータ４０と昇降圧コンバータ４５との中間部から外部装置７０へ燃料電池１０により発電された電力を供給する。昇圧制御部６０では、外部装置７０へ電力を供給する外部給電モードか否かを判断し、外部給電モードではないと判断された場合、出力電圧をＭＧ３０に応じた駆動電圧とする。また、外部給電モードであると判断された場合、出力電圧を外部装置７０に応じた供給電圧とする。これにより、複数回の変圧を行う場合と比較し、電力損失が少なく、高効率な外部給電が可能となる。【選択図】図１
2015115982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させ、発生した電気エネルギを負荷（３０）に供給する燃料電池（１０）と、
前記燃料電池により発電された電力を任意の電圧に変換して出力する第１の電圧変換部（４０）と、
前記燃料電池により発電された電力を充電可能な蓄電部（２０）と前記第１の電圧変換部との間に設けられる第２の電圧変換部（４５）と、
前記燃料電池により発電された電力を前記第１の電圧変換部と前記第２の電圧変換部との中間部から外部装置（７０）へ供給可能に構成される給電部（５０）と、
前記外部装置へ電力を供給する外部給電モードか否かを判断する給電判断手段、および、前記外部給電モードか否かに応じ、前記第１の電圧変換部から出力される電圧である出力電圧を制御する電圧制御手段を有する昇圧制御部（６０）と、
を備え、
前記電圧制御手段は、
前記外部給電モードではないと判断された場合、前記出力電圧を前記負荷に応じた駆動電圧とし、
前記外部給電モードであると判断された場合、前記出力電圧を前記外部装置に応じた供給電圧とすることを特徴とする電力出力装置。
【請求項２】
前記昇圧制御部は、ユーザにより操作される給電開始スイッチ（６５）の操作状態、および、前記外部装置と前記給電部とを接続する給電コネクタ（５１）の前記給電部への接続状態の少なくとも一方を監視する監視手段を有することを特徴とする請求項１に記載の電力出力装置。
【請求項３】
ユーザにより操作される給電開始スイッチ（６５）の操作状態、および、前記外部装置と前記給電部とを接続する給電コネクタ（５１）の前記給電部への接続状態の少なくとも一方を監視する監視手段を有する上位制御部（６１）をさらに備え、
前記昇圧制御部は、前記上位制御部から前記給電開始スイッチの操作状態に係る情報、および、前記給電コネクタの接続状態に係る情報の少なくとも一方を取得することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の電力出力装置。
【請求項４】
前記給電判断手段は、前記給電開始スイッチが給電開始状態となった場合、前記外部給電モードであると判断することを特徴とする請求項２または３に記載の電力出力装置。
【請求項５】
前記給電判断手段は、前記給電コネクタが前記給電部に接続された場合、前記外部給電モードであると判断することを特徴とする請求項２または３に記載の電力出力装置。
【請求項６】
前記給電判断手段は、前記給電開始スイッチが給電開始状態であり、かつ、前記給電コネクタが前記給電部に接続された場合、前記外部給電モードであると判断することを特徴とする請求項２または３に記載の電力出力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力出力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムを備える燃料電池車両が知られている。例えば特許文献１では、駆動モータは、燃料電池または高圧バッテリから供給される電力により駆動される。また、特許文献１では、給電口を経由し、燃料電池により発電された電力を車両外部に供給可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１９８２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、燃料電池の電力は、変圧されることなく駆動モータへ供給される。また、燃料電池と高圧バッテリとの間には、高圧バッテリの充電および放電を切り替えるためのＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧変換器）が設けられる。特許文献１では、ＤＣ−ＤＣコンバータと高圧バッテリとの間から、外部へ電力が供給される。
【０００５】
ところで、燃料電池の電力を駆動電圧まで昇圧して駆動モータへ供給されることがある。この場合、燃料電池と高圧バッテリとの間には、駆動電圧まで昇圧するための昇圧コンバータ、および、蓄電池の充放電を切り替えるための昇降圧コンバータが設けられる。このような構成において、特許文献１のように、昇降圧コンバータと高圧バッテリとの間から外部へ電力を給電すると、昇圧コンバータにより昇圧される電圧や外部装置の電圧によっては、燃料電池の電圧を昇圧した後に、外部装置の電圧に降圧する必要があり、給電効率が低下する虞がある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高効率に外部へ電力を供給可能な電力出力装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電力出力装置は、燃料電池と、第１の電圧変換部と、第２の電圧変換部と、給電部と、昇圧制御部と、を備える。
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させ、発生させた電気エネルギを負荷に供給する。
【０００７】
第１の電圧変換部は、燃料電池により発電された電力を任意の電圧に変換して出力する。
第２の電圧変換部は、燃料電池により発電された電力を充電可能な蓄電部と第１の電圧変換部との間に設けられる。
給電部は、燃料電池により発電された電力を第１の電圧変換部と第２の電圧変換部との中間部から外部装置へ供給可能に構成される。
【０００８】
昇圧制御部は、給電判断手段、および、電圧制御手段を有する。給電判断手段は、外部装置へ電力を供給する外部給電モードか否かを判断する。電圧制御手段は、外部給電モードか否かに応じ、第１の電圧変換部から出力される電圧である出力電圧を制御する。詳細には、電圧制御手段は、外部給電モードではないと判断された場合、出力電圧を負荷に応じた駆動電圧とする。また、電圧制御手段は、外部給電モードであると判断された場合、出力電圧を外部装置に応じた供給電圧とする。
【０００９】
本発明では、外部給電モードではない場合、第１の電圧変換部は、外部装置の電圧によらず、燃料電池により発電された電力を駆動電圧（例えば６５０［Ｖ］）まで昇圧して負荷へ電力を供給可能である。電力損失は、電流の２乗に比例するため、第１の電圧変換部により高電圧まで昇圧して負荷に電力を供給することにより、電力損失を低減することができる。
【００１０】
また、外部給電モードにおいて、第１の電圧変換部からの出力電圧は、外部装置に応じた電圧となるように制御されるので、燃料電池により発電された電力を１回の変圧にて外部装置への給電が可能である。これにより、複数回の変圧を行う場合と比較し、電力損失が小さく、高効率に外部給電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の電力出力装置の構成を示すシステム図である。
【図２】本発明の第１実施形態の昇圧制御処理を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態の電力出力装置の構成を示すシステム図である。
【図４】本発明の第３実施形態の電力出力装置の構成を示すシステム図である。
【図５】参考例による電力出力装置の構成を示すシステム図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明による電力出力装置を図面に基づいて説明する。なお、以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
図１に示すように、電力出力装置１は、燃料電池１０、蓄電部２０、第１の電圧変換部としての昇圧コンバータ４０、第２の電圧変換部としての昇降圧コンバータ４５、給電部としての給電口５０、および、昇圧制御部６０等を備え、燃料電池車両に適用される。
【００１３】
燃料電池１０は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電するセルが積層される燃料電池スタックにより構成される。
水素タンク１１には、燃料ガスとしての水素が高圧で充填される。水素タンク１１に充填された水素は、シャットバルブ１２およびレギュレータ１３を経由して燃料電池１０に供給される。また、燃料電池１０には、図示しないエアコンプレッサを経由し、酸化剤ガスとしての空気が供給される。
【００１４】
燃料電池１０で発電された電力は、昇圧コンバータ４０、および、インバータ２５を経由し、走行用モータジェネレータ３０等の各種電気負荷に供給される。以下、モータジェネレータを「ＭＧ」と記載する。本実施形態では、走行用ＭＧ３０が「負荷」に対応する。
燃料電池１０で発電された電力は、昇圧コンバータ４０および昇降圧コンバータ４５を経由し、蓄電部２０に充電可能に構成される。
【００１５】
蓄電部２０は、二次電池により充放電可能に構成される。蓄電部２０は、二次電池に限らず、例えば電気二重層キャパシタ等を用いてもよい。蓄電部２０の電力は、走行用ＭＧ３０等の各種電気負荷に供給される。また、蓄電部２０は、燃料電池１０により発電された電力、および、走行用ＭＧ３０の回生制動により生じた電力により充電される。
【００１６】
インバータ２５は、燃料電池１０および蓄電部２０から供給される直流電力を交流電力に変換し、走行用ＭＧ３０を駆動させる。また、回生制動時には、走行用ＭＧ３０で発電された交流電力を直流電力に変換し、蓄電部２０に供給する。
昇圧コンバータ４０は、燃料電池１０とインバータ２５との間に設けられ、昇圧制御部６０に制御されて燃料電池１０により発電された電力を任意の電圧に昇圧可能である。
【００１７】
昇降圧コンバータ４５は、昇圧コンバータ４０とインバータ２５とを接続する接続ライン４１と蓄電部２０との間に設けられる。昇降圧コンバータ４５は、車両の走行状況や燃料電池１０の発電量、蓄電部２０のＳＯＣ（State of Charge）等に応じ、蓄電部２０側の電圧が接続ライン４１側の電圧より高くなるようにし、蓄電部２０からインバータ２５側へ電力を供給する。また、昇降圧コンバータ４５は、車両の走行状況や燃料電池１０の発電量、蓄電部２０のＳＯＣ等に応じ、蓄電部２０側の電圧が接続ライン４１側の電圧より低くなるようにし、燃料電池１０により発電された電力および走行用ＭＧ３０の回生制動により発電された電力を、蓄電部２０側へ供給する。このように、昇降圧コンバータ４５の電圧を制御することにより、蓄電部２０の充放電を切り替える。
【００１８】
給電口５０は、燃料電池１０にて発生し、昇圧コンバータ４０にて昇圧された電力を外部装置７０へ供給可能な箇所に設けられる。具体的には、給電口５０は、昇圧コンバータ４０と昇降圧コンバータ４５との間に設けられる。給電口５０は、外部装置７０へ電力を供給するための給電コネクタ５１を挿抜可能に設けられる。給電コネクタ５１が給電口５０に接続されると、給電コネクタ５１および図示しない変換器等を経由し、外部装置７０へ電力が供給される。
【００１９】
昇圧制御部６０は、マイクロコンピュータ等により構成され、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、および、これらを接続するバスライン等を備え、予め記憶されたプログラムをＣＰＵにより実行するソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理によって制御を実行する。本実施形態では、昇圧制御部６０は、給電開始スイッチ６５の操作状態を監視し、給電開始スイッチ６５の操作状態に基づき、昇圧コンバータ４０の出力電圧Ｖを制御する。すなわち、本実施形態では、昇圧制御部６０が「監視手段」として機能する。
【００２０】
給電開始スイッチ６５は、例えば運転席近傍に設けられ、ユーザにより操作される。給電開始スイッチ６５がオフされているとき、通常起動モードとする。通常起動モードでは、燃料電池１０により発電される電力は、車両の運転状況や蓄電部２０のＳＯＣ等に応じ、昇圧コンバータ４０にて駆動電圧Ｖｄ（例えば最大で６５０［Ｖ］）に昇圧され、走行用ＭＧ３０の駆動や蓄電部２０の充電等、車両内部にて用いられる。
【００２１】
給電開始スイッチ６５がオンされているとき、外部給電モードとする。外部給電モードでは、燃料電池１０により発電される電力は、昇圧コンバータ４０にて外部装置７０の規格に応じた電圧である供給電圧Ｖｓ（例えば２００［Ｖ］）に昇圧され、給電口５０から外部装置７０へ供給される。
本実施形態では、給電開始スイッチ６５がオンされている状態が「給電開始状態」に対応する。
【００２２】
ここで、図５に示す参考例について説明する。電力出力装置９では、燃料電池１０により発電される電力、および、蓄電部２０から供給される電力は、昇圧コンバータ４０および昇降圧コンバータ４５により、駆動電圧Ｖｄまで昇圧され、走行用ＭＧ３０の駆動に用いられる。
また、電力出力装置９では、燃料電池１０により発電された電力を外部装置７０に供給するための給電コネクタ５１が接続される給電口５５は、蓄電部２０と昇降圧コンバータ４５との間に設けられる。
【００２３】
このような構成において、外部装置７０へ供給される電力は、昇圧コンバータ４０にて駆動電圧Ｖｄ（例えば６５０［Ｖ］）まで昇圧された後、昇降圧コンバータ４５にて供給電圧Ｖｓ（例えば２００［Ｖ］）に降圧される。すなわち、電力出力装置９では、燃料電池１０により発電された電力を外部装置７０へ出力する際、２回、電圧変換が行われる。そのため、電圧変換の度に損失が生じ、給電効率が低下する、或いは、昇圧コンバータ４０および昇降圧コンバータ４５等の機器の発熱が生じる虞がある。
【００２４】
そこで、本実施形態では、図１に示すように、給電口５０を昇圧コンバータ４０と昇降圧コンバータ４５との間に設けるとともに、昇圧制御部６０により昇圧コンバータ４０の出力電圧Ｖを制御することにより、１回の電圧変換にて外部装置７０への給電を可能としている。
【００２５】
ここで、昇圧制御部６０における昇圧制御処理を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。昇圧制御処理は、昇圧制御部６０にて、例えば燃料電池システムの起動中に所定の間隔にて実行される。
最初のステップＳ１０１（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」で示す。）では、燃料電池１０が発電中か否かを判断する。燃料電池１０が発電中ではないと判断された場合（Ｓ１０１：ＮＯ）、以下の処理を行わない。燃料電池１０が発電中であると判断された場合（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、Ｓ１０２へ移行する。
【００２６】
Ｓ１０２では、外部給電モードか否かを判断する。本実施形態では、給電開始スイッチ６５のオン／オフ状態に基づいて判断する。外部給電モードであると判断された場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、すなわち給電開始スイッチ６５がオンである場合、Ｓ１０３へ移行する。外部給電モードではないと判断された場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、すなわち給電開始スイッチ６５がオフである場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、Ｓ１０４へ移行する。
【００２７】
Ｓ１０３では、給電開始スイッチ６５がオンされているので、外部給電モードとし、昇圧コンバータ４０の出力電圧Ｖを外部装置７０の規格に応じた供給電圧Ｖｓとする。
Ｓ１０４では、給電開始スイッチ６５がオンされていないので、通常起動モードとし、昇圧コンバータ４０の出力電圧Ｖを駆動電圧Ｖｄとする。駆動電圧Ｖｄは、車両の運転状況等に応じ、例えば最大で６５０［Ｖ］とする。
【００２８】
Ｓ１０３またはＳ１０４に続いて移行するＳ１０５では、昇圧コンバータ４０からの出力を開始する。また、昇圧コンバータ４０からの出力中であれば、出力を継続する。
これにより、外部給電中か否かを適切に判断し、昇圧コンバータ４０の出力電圧Ｖを決定することができる。
【００２９】
以上詳述したように、本実施形態の電力出力装置１は、燃料電池１０と、昇圧コンバータ４０と、昇降圧コンバータ４５と、給電口５０と、昇圧制御部６０と、を備える。
燃料電池１０は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスとしての空気中の酸素との化学反応により電気エネルギを発生させ、発生した電気エネルギを走行用ＭＧ３０に供給する。
【００３０】
昇圧コンバータ４０は、燃料電池１０により発電された電力を任意の電圧に変換して出力する。
昇降圧コンバータ４５は、燃料電池１０により発電された電力を充電可能な蓄電部２０と、昇圧コンバータ４０との間に設けられる。
給電口５０は、燃料電池１０により発電された電力を昇圧コンバータ４０と昇降圧コンバータ４５との中間部から外部装置７０へ供給可能に構成される。
【００３１】
昇圧制御部６０では、外部装置７０へ電力を供給する外部給電モードか否かを判断し（図２中のＳ１０２）、外部給電モードか否かに応じ、昇圧コンバータ４０から出力される電圧である出力電圧Ｖを制御する。詳細には、外部給電モードではないと判断された場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、出力電圧Ｖを走行用ＭＧ３０に応じた駆動電圧Ｖｄとする。また、外部給電モードであると判断された場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、出力電圧Ｖを外部装置７０に応じた供給電圧Ｖｓとする。
【００３２】
本実施形態では、外部給電モードではない場合、通常起動モードとし、昇圧コンバータ４０は、外部装置７０の電圧によらず、燃料電池１０により発電された電力を駆動電圧Ｖｄまで昇圧して走行用ＭＧ３０へ電力を供給する。電力損失は、電流の２乗に比例するため、昇圧コンバータ４０により高電圧まで昇圧して走行用ＭＧ３０へ電力を供給することにより、通常起動モードにおける電力損失を低減することができる。
【００３３】
また、外部給電モードにおいて、昇圧コンバータ４０からの出力電圧Ｖは、外部装置７０に応じた電圧となるように制御されるので、燃料電池１０により発電された電力を１回の変圧にて外部装置７０へ給電可能である。これにより、複数回の変圧を行う場合と比較し、電力損失が少なく、高効率に外部給電が可能となる。また、外部給電モードにおける昇圧コンバータ４０および昇降圧コンバータ４５の発熱を抑えることができる。
【００３４】
本実施形態では、昇圧制御部６０は、ユーザにより操作される給電開始スイッチ６５の操作状態を監視する。また、昇圧制御部６０では、給電開始スイッチ６５が給電開始状態となった場合、外部給電モードであると判断する。これにより、外部給電モードか否かを適切に判断することができる。
本実施形態では、Ｓ１０２が「給電判断手段」の機能としての処理に対応し、Ｓ１０３およびＳ１０４が「電圧制御手段」の機能としての処理に対応する。
【００３５】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による電力出力装置を図３に示す。
図３に示すように、電力出力装置２は、車両全体の制御を司る上位制御部としての上位ＥＣＵ６１を備える。本実施形態では、給電開始スイッチ６５の操作状態に係る情報は、上位ＥＣＵ６１に入力される。また、上位ＥＣＵ６１は、給電開始スイッチ６５の操作状態を監視する監視手段として機能する。
昇圧制御部６０は、上位ＥＣＵ６１から給電開始スイッチ６５の操作状態に係る情報を通信等により取得し、取得された情報に基づき、外部給電モードか否かを判断する（図２中のＳ１０２）。
このように構成しても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００３６】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による電力出力装置を図４に示す。
図４に示すように、電力出力装置３の給電口５０には、給電コネクタ５１が給電口５０に接続されているか否かを検出するコネクタ検出部６６が設けられる。コネクタ検出部６６により検出される給電コネクタ５１の接続状態に係る情報は、昇圧制御部６０に出力される。なお、第２実施形態にように、コネクタ検出部６６により検出される給電コネクタ５１の接続状態に係る情報が上位ＥＣＵ６１に入力され、昇圧制御部６０は、上位ＥＣＵ６１（図３参照）から給電コネクタ５１の接続状態に係る情報を取得するようにしてもよい。
【００３７】
本実施形態では、昇圧制御部６０は、給電コネクタ５１の接続状態に基づき、外部給電モードか否かを判断する。すなわち、昇圧制御部６０は、給電コネクタ５１が給電口５０に接続された場合、外部給電モードであると判断する。また、昇圧制御部６０は、給電コネクタ５１が給電口５０に接続されていない場合、通常起動モードであると判断する。
【００３８】
フローチャートについて言及すると、本実施形態では、図２中のＳ１０２において、コネクタ検出部６６からの情報に基づき、給電口５０に給電コネクタ５１が接続されている場合、肯定判断し、給電口５０に給電コネクタ５１が接続されていない場合、否定判断する。
このように構成しても、外部給電モードか否かを適切に判断することができ、上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００３９】
（他の実施形態）
上記実施形態では、給電開始スイッチの操作状態、または、給電コネクタの接続状態に基づき、外部給電モードか否かを判断する。他の実施形態では、給電開始スイッチが給電開始状態であり、かつ、給電コネクタが給電部に接続された場合、外部給電モードであると判断する。また、給電開始スイッチが給電開始状態ではない、または、給電コネクタに給電部が接続されていない場合、外部給電モードではないと判断する。これにより、外部給電状態かどうかをより確実に判別することができる。
また、外部給電中か否かは、その他の情報を用いて判断してもよい。
さらにまた、第３実施形態のように、給電コネクタの接続状態に基づいて外部給電モードか否かを判断する場合、給電開始スイッチを省略してもよい。
【００４０】
上記実施形態では、第１の電圧変換部は昇圧コンバータである。他の実施形態では、例えば、燃料電池により発電される電力の電圧よりも、外部装置に供給する電圧の方が低い場合、第１の電圧変換部は、燃料電池により発電される電力の電圧を昇圧および降圧可能な昇降圧コンバータとしてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１、２、３・・・電力出力装置
１０・・・燃料電池
２０・・・蓄電部
３０・・・走行用ＭＧ（負荷）
４０・・・昇圧コンバータ（第１の電圧変換部）
４５・・・昇降圧コンバータ（第２の電圧変換部）
５０・・・給電口（給電部）
５１・・・給電コネクタ
６０・・・昇圧制御部
６１・・・上位ＥＣＵ（上位制御部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015115982.tif 000007