(57)【要約】【課題】バッテリから出力される電力を負荷に対して効率よく伝達することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】制御ユニット８０は、ＥＶ走行すべき旨の指令が入力されたと判断するとリレー２０をＯＦＦにし、燃料電池４０とインバータ５０との間の接続を切断する。そして、制御ユニット８０は、ＳＯＣセンサ６５から供給されるＳＯＣ情報に基づき、バッテリ６０の出力電圧を検出する。そして、制御ユニット８０は、検出したバッテリ６０の出力電圧をもとに、コンバータ効率とインバータ効率とを考慮して当該時点における最適な動作電圧を決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
電圧変換装置と、
前記電圧変換装置を介して前記燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、
少なくとも前記燃料電池または前記蓄電装置から出力される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置と、
前記電圧変換装置の電圧変換効率と前記電力変換装置の電力変換効率とに基づいて、当該システムの動作電圧を決定する決定手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記決定手段は、前記蓄電装置のみを電力源とすべき指令を受けた場合に当該システムの動作電圧を決定し、
決定された動作電圧に応じて前記電圧変換装置による電圧変換動作を制御する電圧変換制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記蓄電装置の蓄電状態を検出するセンサをさらに備え、
前記決定手段は、検出された前記蓄電装置の蓄電状態と、前記電圧変換装置の電圧変換効率と、前記電力変換装置の電力変換効率とに基づいて、当該システムの動作電圧を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池と前記電力変換装置との接続経路に介挿されたスイッチング素子と、
前記蓄電装置のみを電力源とすべき指令を受けた場合に、前記スイッチング素子によって前記燃料電池と前記電力変換装置との間の電気的接続を切断するスイッチング制御手段と
をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスの電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。かかる燃料電池システムは高効率、クリーンな発電手段であるため、二輪車や自動車などの駆動動力源として大きな期待を集めている。
【０００３】
この燃料電池は出力電力の応答性が低くなる場合があるため、かかる弊害を防止する手段として燃料電池とバッテリとを並列に接続して電源を構成する技術が提案されている。例えば下記特許文献１には、燃料電池に対してトラクションモータなどの負荷をインバータを介して接続するとともに、該燃料電池に対して並列に、バッテリをＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続する構成が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１１８９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記構成では、ＥＶ走行などバッテリのみを利用して負荷を駆動する場合であっても、常にインバータの効率が最大となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧（すなわちシステムの動作電圧）を制御し、ＤＣ／ＤＣコンバータの効率は何ら考慮されていなかった。このため、バッテリから出力される電力が負荷に対して最も効率よく伝達されているとは言い難い状況にあった。
【０００６】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、バッテリなどの蓄電装置から出力される電力を負荷に対して効率よく伝達することが可能な燃料電池システム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】
【０００７】
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、電圧変換装置と、前記電圧変換装置を介して前記燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、少なくとも前記燃料電池または前記蓄電装置から出力される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置と、前記電圧変換装置の電圧変換効率と前記電力変換装置の電力変換効率とに基づいて、当該システムの動作電圧を決定する決定手段とを具備することを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、電力変換装置（インバータなど）による電力変換効率だけでなく、電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータなど）による電圧変換効率をも考慮して、当該システムの動作電圧を決定するため、蓄電装置（バッテリなど）から出力される電力を負荷に対して効率よく電圧することが可能となる。
【０００９】
ここで、上記構成にあっては、前記決定手段は、前記蓄電装置のみを電力源とすべき指令を受けた場合に当該システムの動作電圧を決定し、決定された動作電圧に応じて前記電圧変換装置による電圧変換動作を制御する電圧変換制御手段をさらに具備する態様が好ましい。
【００１０】
また、上記構成にあっては、前記蓄電装置の蓄電状態を検出するセンサをさらに備え、前記決定手段は、検出された前記蓄電装置の蓄電状態と、前記電圧変換装置の電圧変換効率と、前記電力変換装置の電力変換効率とに基づいて、当該システムの動作電圧を決定する態様がさらに好ましい。
【００１１】
さらに、上記構成にあっては、前記燃料電池と前記電力変換装置との接続経路に介挿されたスイッチング素子と、前記蓄電装置のみを電力源とすべき指令を受けた場合に、前記スイッチング素子によって前記燃料電池と前記電力変換装置との間の電気的接続を切断するスイッチング制御手段とをさらに具備する態様が好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、バッテリなどの蓄電装置から出力される電力を負荷に対して効率よく伝達することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
Ａ．本実施形態
（１）実施形態の構成
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１００を搭載した車両の概略構成である。
なお、以下の説明では、車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。
【００１５】
この車両は、車輪９５Ｌ、９５Ｒに連結されたトラクションモータ９０を駆動力源として走行する。トラクションモータ９０の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ５０で三相交流に変換され、トラクションモータ９０に供給される。トラクションモータ９０は制動時に発電機としても機能することができる。
【００１６】
電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ６０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ５０などから構成される。
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ及び電流センサ（いずれも図示略）によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気などの酸化ガスが供給される。
【００１７】
燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
【００１８】
バッテリ（蓄電装置）６０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ６０の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ６０には、当該バッテリの充電状態を検出するＳＯＣセンサ（センサ）６５が設けられている。ＳＯＣセンサ６５は、制御ユニット８０から与えられる指示に従ってバッテリ６０の充電状態を検出し、検出結果をＳＯＣ情報として制御ユニット８０に出力する。
【００１９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ６０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してインバータ５０側に出力する機能、燃料電池４０またはトラクションモータ９０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ６０側に出力する機能を備えている。このＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ６０の充放電が実現される。なお、バッテリ６０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機（例えば照明機器）やＦＣ補機（例えば燃料ガス用のポンプ）などの補機類が接続されている。
【００２０】
インバータ（電力変換装置）５０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御ユニット８０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ６０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ９０へ供給する。インバータ５０と燃料電池４０との間には、リレー（スイッチング素子）２０が介挿されている。制御ユニット（スイッチング制御手段）８０は、リレー２０のＯＮ、ＯＦＦを切り換えることで、インバータ５０と燃料電池４０との間の接続、切断を制御する。
【００２１】
トラクションモータ（負荷）９０は、車輪９５Ｌ、９５Ｒを駆動するためのモータ（すなわち移動体の動力源）であり、かかるモータの回転数はインバータ５０によって制御される。本実施形態では、インバータ５０に接続される負荷としてトラクションモータ９０を例示したが、これに限定する趣旨ではなく、あらゆる電子機器（負荷）に適用可能である。
【００２２】
制御ユニット８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、ＳＯＣセンサ６５や、燃料電池４０の出力電圧、出力電流を検出する電圧センサ、電流センサ、アクセルペダルなどから入力される各センサ信号に基づき当該システム各部を中枢的に制御する。
【００２３】
また、制御ユニット（決定手段）８０は、ＥＶ走行をする際、燃料電池システム１００の効率が最適となるように、インバータ５０の電力変換効率（以下、インバータ効率）とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の電圧変換効率（以下、コンバータ効率）に基づいて当該システムの動作点（＝動作電圧）を決定する。そして、制御ユニット（電圧変換制御手段）８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧が決定した動作電圧に一致するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３０の動作を制御する。このように、インバータ効率だけでなく、コンバータ効率をも考慮して動作電圧を決定することで、バッテリ６０から出力される電力を負荷に対して効率よく伝達することが可能となる。以下、その理由を説明する。
【００２４】
図２は、動作電圧とインバータ効率との関係を例示した図であり、図３は、入出力電圧差とコンバータ効率との関係を例示した図である。なお、図３に示す入出力電圧差とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の入力電圧と出力電圧との間の電圧差をいう。
図２に示すように、インバータ効率は、設定される動作電圧が大きくなるにつれ、高くなる（図２に示す動作電圧Ｖ１、Ｖ２参照）。これに対し、コンバータ効率は、図３に示すように、入出力電圧差が大きくなるにつれ、低くなる（図３に示す入出力電圧差Ｖｄｉｆ１、Ｖｄｉｆ２参照）。
【００２５】
ここで、図４及び図５は、ＥＶ走行時における動作電圧の決定方法を説明するための図であり、図４は従来技術に係る構成、図５は本実施形態に係る構成を示す。なお、図４及び図５に示す燃料電池システムについて、図１と対応する構成要素には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２６】
図４及び図５に示すように、ＥＶ走行の際には、バッテリ６０の出力電力がＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介してインバータ５０に供給される。
従来技術においては、インバータ効率のみを考慮して動作電圧を決定していたため、必ずしもバッテリ６０の出力電力が最も効率よくトラクションモータ９０に伝達されるとは限らなかった。具体的には、図２に示すように設定される動作電圧が大きければ大きいほど、インバータ効率は高くなるため、従来は動作電圧を燃料電池４０のＯＣＶ（Open Circuit Voltage）近傍（例えば４００Ｖ）に設定していた。しかしながら、コンバータ効率は、図３に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータ３０の入出力電圧差が大きくなるにつれ、低くなる。コンバータ効率の観点からは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の入出力電圧はできるだけ小さいほうが望ましいが、インバータ効率のみを考慮して動作電圧を決定すると、図４に示すようにインバータ５０での電力損失は小さくなるものの（図４に示す電力損失；「１」）、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０での電力損失は大きくなってしまい（図４に示す電力損失；「４」）、最終的にはシステム効率（＝到達電力／出力電力）が低下してしまう場合があった（図４に示す到達電力；「５」）。
【００２７】
これに対し、本実施形態では、インバータ効率のみならず、コンバータ効率をも考慮して動作電圧を決定する。この結果、図５に示すように、インバータ５０での電力損失は従来よりも大きくなるものの（図５に示す電力損失；「２」）、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０での電力損失は従来よりも小さくなり（図５に示す電力損失；「２」）、最終的にはシステム効率を向上させることが可能となる（図５に示す到達電力；「６」）。なお、決定した動作電圧が燃料電池４０のＯＣＶ近傍（例えば４００Ｖ）よりも低い場合（例えば３５０Ｖ）、燃料電池４０とインバータ５０とを接続したままでは（図４参照）、残留ガスの影響などにより燃料電池４０が発電し、動作電圧が上昇してしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、燃料電池４０とインバータ５０との間にリレー２０を設け、リレー２０をＯＦＦすることで燃料電池４０の不要な発電を防止している。
以下、本実施形態の動作について説明する。
【００２８】
（２）実施形態の動作
図６は、制御ユニット８０によって間欠的に実行される走行制御処理を示すフローチャートである。
制御ユニット８０は、各種センサなどから入力されるセンサ信号に基づき、ＥＶ走行すべき旨の指令（バッテリ６０のみを電力源とすべき旨の指令）が入力されたか否かを判断する（ステップＳ１０）。制御ユニット８０は、かかる指令が入力されたと判断すると（ステップＳ１０；ＹＥＳ）、制御ユニット８０は、リレー２０をＯＦＦにし、燃料電池４０とインバータ５０との間の接続を切断する（ステップＳ２０）。そして、制御ユニット８０は、ＳＯＣセンサ６５から供給されるＳＯＣ情報に基づき、当該時点におけるバッテリ６０の充電状態（出力電圧）を検出する（ステップＳ３０）。周知のとおり、バッテリ６０の出力電圧は、使用状況（使用時間など）に応じて時々刻々と変化する。最適な動作電圧は、バッテリ６０の出力電圧に応じて変化するため、ここでは当該時点におけるバッテリ６０の充電状態（出力電圧）を検出する。
【００２９】
そして、制御ユニット８０は、検出したバッテリ６０の出力電圧をもとに、コンバータ効率とインバータ効率とを考慮して当該時点における最適な（すなわちシステム効率のもっとも高い）動作電圧を決定する（ステップＳ４０）。制御ユニット８０は、このように決定した動作電圧に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の昇降圧動作を制御する（ステップＳ５０）。以上説明した一連の処理が行われることにより、バッテリ６０から出力される電力を負荷に対して効率よく伝達することが可能となる。
【００３０】
Ｂ．変形例
＜変形例１＞
上述した本実施形態では、燃料電池４０とインバータ５０との間にリレー２０を設け、ＥＶ走行の際にはリレー２０をＯＦＦすることで燃料電池４０の不要な発電を防止したが、該発電を防止することができるのであればどのような方法を採用しても良い。
【００３１】
＜変形例２＞
また、本実施形態では、電力源としてバッテリ６０のみを利用する場合（ＥＶ走行時）について説明したが、電力源としてバッテリ６０と他の電源（燃料電池４０を含む）を利用する場合にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】動作電圧とインバータ効率との関係を例示した図である。
【図３】入出力電圧差とコンバータ効率との関係を例示した図である。
【図４】従来におけるＥＶ走行時の動作電圧の決定方法を説明するための図である。
【図５】本発明におけるＥＶ走行時の動作電圧の決定方法を説明するための図である。
【図６】走行制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１００・・・燃料電池システム、２０・・・リレー、３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、４０・・・燃料電池、５０・・・インバータ、６０・・・バッテリ、６５・・・ＳＯＣセンサ、８０・・・制御ユニット、９０・・・トラクションモータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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