(57)【要約】【課題】燃費をより一層改善可能な燃料電池を用いた電源システムを提供する【解決手段】電力を出力する一組の出力端子１Ａに燃料電池２を接続し、バッテリ３を、ＤＣ−ＤＣコンバータ６を介して前記端子１Ａに前記燃料電池２と並列に接続する電源システム１とする。そして、燃料電池補機７および車両補機８を、ＤＣ−ＤＣコンバータ６と燃料電池２との間に接続した。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を出力する一組の出力端子に燃料電池を接続し、前記端子にＤＣ−ＤＣコンバータを介して蓄電器を前記燃料電池と並列に接続する電源システムにおいて、
燃料電池補機および車両補機をＤＣ−ＤＣコンバータより燃料電池側に接続することを特徴とする電源システム。
【請求項２】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧と同等の電圧値になるように出力電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、蓄電器への充電時には蓄電器充電可能電圧となるように電圧値を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源システム。
【請求項４】
前記蓄電器は、２次電池により構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の電源システム。
【請求項５】
前記蓄電器は、キャパシタにより構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の電源システム。
【請求項６】
前記燃料電池補機および車両補機に含まれる消費電力の大きい補機は、燃料電池の近くに結線されることを特徴とする請求項１から請求項５に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いる直流の電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料電池とバッテリとを並列に接続して電源システムを構成する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、燃料電池とバッテリとを並列接続して電源システムを構成する場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータをバッテリ側に接続し、燃料電池よりの電力をＤＣ−ＤＣコンバータによる損失なしに出力可能とし、エネルギ効率を良くするようにしている。また、車両補機および燃料電池補機をバッテリとＤＣ−ＤＣコンバータとの間に接続することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータの故障時でもその運転を保証するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１８９８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、車両補機および燃料電池補機をバッテリとＤＣ−ＤＣコンバータの間に接続しているため、燃料電池からこれら補機類への電力供給がＤＣ−ＤＣコンバータを介して行われ、ＤＣ−ＤＣコンバータ効率による損失分の余分な電力を消費して燃費が悪化する懸念があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、燃費をより一層改善可能な燃料電池を用いる直流の電源システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電力を出力する一組の出力端子に燃料電池を接続し、前記端子にＤＣ−ＤＣコンバータを介して蓄電器を前記燃料電池と並列に接続する電源システムにおけるＤＣ−ＤＣコンバータと燃料電池との間に燃料電池補機および車両補機を接続した。
【０００８】
【発明の効果】
したがって、本発明では、電力を出力する一組の出力端子に燃料電池を接続し、前記端子にＤＣ−ＤＣコンバータを介して蓄電器を前記燃料電池と並列に接続する電源システムにおけるＤＣ−ＤＣコンバータと燃料電池との間に燃料電池補機および車両補機を接続したため、これら補機類に電力を供給する際のＤＣ−ＤＣコンバータによる損失が無くなり、電源システムとしてのエネルギ効率を向上することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池を用いる直流の電源システムを移動体としての電気自動車に適用した一実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
図１は、移動体用としての電気自動車（車両）に適用した電源システム１のシステム構成図である。燃料電池２およびバッテリ３を含む電源システム１から出力される直流は、インバータ４により三相交流に変換されて駆動モータ５に供給され、駆動モータ５を駆動源として図示しない駆動車輪を駆動して車両を走行可能としている。また、車両の制動時には、駆動車輪により駆動モータ５が駆動され、駆動モータ５を発電機として機能させて三相交流発電し、インバータ４により直流に変換して電源システム１のバッテリ３に充電可能としている。
【００１１】
前記電源システム１は、燃料電池２、バッテリ３、ＤＣ−ＤＣコンバータ６等から構成され、燃料電池２と蓄電器としてのバッテリ３とは端子１Ａを介して前記インバータ４に並列接続し、インバータ４および燃料電池２とバッテリ３との間にＤＣ−ＤＣコンバータ６を配置し、インバータ４および燃料電池２とＤＣ−ＤＣコンバータ６との間に燃料電池補機７および車両補機８を接続している。なお、燃料電池２と端子１Ａとの間には、バッテリ３からの電流または駆動モータ５で発電された電流が逆流するのを防止するためのダイオード９を設ける。
【００１２】
前記燃料電池２は、図示しない燃料系、空気系の配管等が接続され、供給された水素と酸素の電気化学反応によって発電する電源装置であり、移動体用としては、一般的には、固体高分子型の燃料電池が用いられる。なお、燃料電池２としては、これに限られず、燐酸型、溶融炭酸塩型等の種々の燃料電池を適用可能である。発電に利用される水素ガスは、ガソリンやアルコール等の原料を改質して生成できる他、水素吸蔵合金、水素ボンベ等を利用して水素ガス自体を貯蔵する構成であってもよい。本実施例では、発電を行う燃料電池スタック、燃料ガスを生成する改質器等を含めて燃料電池２と称する。
【００１３】
前記バッテリ３は、充放電可能な二次電池、例えば、ニッケル水素バッテリを用いる。その他にも種々のタイプの二次電池を適用可能であり、また、バッテリ３に代えて、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用いてもよい。バッテリ３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６を介して端子１Ａからインバータ４経由で駆動モータ５に、また、燃料電池２とＤＣ−ＤＣコンバータ６との間に接続された燃料電池補機７、車両補機８に電力を供給可能である。
【００１４】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、前記並列に接続された燃料電池２およびバッテリ３の電力を適切に使い分けるため、即ち、両者の相対的な電圧差を制御するために設けられる。ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、直流の電圧変換器であり、バッテリ３から燃料電池２の出力電圧に合わせて電力を供給し、駆動モータ５からの回生電力の電圧を調整してバッテリ３へ充電するよう機能する。即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、バッテリ３から入力されたＤＣ電圧を調整してインバータ４側に出力する機能、燃料電池２または駆動モータ５から入力されたＤＣ電圧を調整してバッテリ３に出力する機能を備える。ＤＣ−ＤＣコンバータ６のこれらの機能によりバッテリ３の充放電の制御が可能となる。
【００１５】
前記燃料電池補機７は、燃料電池の運転に使用される種々の電力機器であり、燃料ガスや改質原料を供給するためのポンプ、改質器の温度を調整するヒータ等である。
【００１６】
前記車両補機８は、車両の運転時に使用される種々の電力機器であり、照明機器、空調機器、油圧ポンプ等である。
【００１７】
前記車両補機８および燃料電池補機７は、燃料電池２とＤＣ−ＤＣコンバータ６との間に接続されることで、燃料電池２が起動された通常運転中は、燃料電池２からＤＣ−ＤＣコンバータ６を介することなく電力が供給され、燃料電池２の停止または起動中においては、バッテリ３からの電力がＤＣ−ＤＣコンバータ６を介して供給される。これら補機７、８の電力は、通常、燃料電池２から供給されるため、これら補機類がＤＣ−ＤＣコンバータ６とバッテリ３間に配置されている従来例のように、燃料電池２からの電力をＤＣ−ＤＣコンバータ経由させて供給することによる電力低下を防止している。そして、燃料電池補機７および車両補機８に含まれる消費電力が大きい補機は、極力燃料電池２の近くに結線して配線の抵抗による電力低下を防止するようにする。
【００１８】
上述した各要素の運転は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている制御ユニット１０によって制御される。制御ユニット１０には、図示しないが、例えば、アクセルペダルセンサ、バッテリの充電状態ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣセンサ、燃料電池のガス流量を検出する流量センサ、車速を検出する車速センサ、その他のセンサ等、種々のセンサ信号が入力される。制御ユニット１０は、これらの信号に基づいてインバータ４のスイッチングを制御して、要求動力に応じた三相交流を駆動モータ５に出力する。また、要求動力に応じた電力が供給されるように燃料電池２およびＤＣ−ＤＣコンバータ６の運転を制御する。
【００１９】
次に、車両走行時の電力制御処理について、図２および図３に示すフローチャートにより説明する。図２は定常走行時における処理を示し、図３は加速走行時等の過渡時の処理を示す。制御ユニット１０は、他の制御処理とともに、これらの処理を繰り返し実行することにより、駆動モータ５の駆動力を制御し、走行させることができる。先ず、定常走行時における処理を、図２のフローチャートに基づいて説明し、次いで、加速走行時等の過渡時の処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。
【００２０】
図２において、先ず、ステップＳ１では、制御ユニット１０は、燃料電池２に対する要求電力ＦＣｅを設定する。燃料電池要求電力ＦＣｅは、駆動要求電力ＤＲｅ、バッテリ要求電力ＢＡｅ、補機要求電力ＰＥｅの３要素の和で求められる。
【００２１】
前記駆動要求電力ＤＲｅは、車両が走行するために、駆動モータ５に供給すべき電力であり、次の手順で求められる。まず、制御ユニット１０は、駆動モータ５の目標回転数、目標トルクを設定する。これらの値は、アクセルペダル開度および車速のテーブルで与えられる。両者の積は、駆動モータ５から出力すべき動力となる。この動力を、駆動モータ５の運転効率、消費電力当たりに出力される動力の比（インバータ変換効率）で除することにより、駆動要求電力ＤＲｅが求められる。駆動モータ５を発電機として機能させ、回生制動する際には、目標トルクが負の値となるから、駆動要求電力ＤＲｅも負の値となる。
【００２２】
前記バッテリ要求電力ＢＡｅは、バッテリ３の充放電に伴う電力であり、バッテリ３のＳＯＣにより決定する。バッテリ３の充電状態ＳＯＣは、所定の範囲に保たれるよう制御される。ＳＯＣが所定の下限値よりも低くなると、バッテリ３に充電をおこなうために燃料電池２の要求電力ＦＣｅを大きく設定することになり、バッテリ３への充電が行われる。バッテリ要求電力ＢＡｅは、充電に必要となる電力に応じた正値となる。この結果、バッテリ３の充電に伴い、燃料電池要求電力ＦＣｅが増大する。一方、ＳＯＣが所定の上限値よりも高くなると、バッテリ３から放電をおこなうために燃料電池２の要求電力ＦＣｅを小さく設定することになり、バッテリ３からの放電が行われる。バッテリ要求電力ＢＡｅは、放電電力に応じた負値となる。バッテリ３からの放電によって、燃料電池要求電力ＦＣｅが低くなる。
【００２３】
前記補機要求電力ＰＥｅは、車両補機８および燃料電池補機７を駆動するのに要する電力である。両者の運転状態に応じてそれぞれ設定される。
【００２４】
ステップＳ２では、制御ユニット１０は、ステップＳ１で設定された燃料電池要求電力ＦＣｅを出力するよう燃料電池２の出力電圧を設定し、燃料電池２のガス流量を制御する。電圧は、次のマップにより設定される。図４は燃料電池２の出力特性を示す説明図である。電力と電流との関係および電圧と電流の関係を示している。電力−電流特性に基づき、燃料電池要求電力ＦＣｅに応じた電流Ｉｆｃを求めることができる。また、電圧−電流特性に基づき、電流Ｉｆｃに応じた電圧Ｖｆｃを求めることができる。燃料電池２のガス流量が低く、十分な電圧値で要求された電力を出力し得ない場合には、これらの特性マップに基づきガス流量の目標値も併せて設定される。
【００２５】
ステップＳ３では、制御ユニット１０はＤＣ−ＤＣコンバータ６の出力電圧を設定する。バッテリ３を放電する場合、即ち、バッテリ要求電力ＢＡｅが負の時は、バッテリ３側を入力、インバータ４側を出力とし、出力電圧値を燃料電池２の出力電圧値に一致させる設定を行う。バッテリ３を充電する場合、即ち、バッテリ要求電力ＢＡｅが正の時は、インバータ４側を入力、バッテリ３側を出力とし、出力電圧値は、バッテリ３の充電に適した所定値の電圧に設定する。この所定値は、一定値でも、充電される電力に応じて変動させてもよい。
【００２６】
ステップＳ４では、制御ユニット１０は、設定された出力電圧となるようＤＣ−ＤＣコンバータ６を制御し、併せて要求電力が駆動モータ５に供給されるようインバータ４を制御する。インバータ４のスイッチングに伴い、燃料電池２からはガス流量に応じた電力が出力される。また、バッテリ３からは燃料電池２から出力される電力とインバータ４で消費される電力との差分に応じた電力が充放電される。例えば、燃料電池２の出力に応答遅れがある場合には、燃料電池要求電力ＦＣｅに満たない分がバッテリ３によって補償される。バッテリ３からの出力は、燃料電池２の出力が燃料電池要求電力ＦＣｅに近づくに連れて徐々に低減する。上記制御により、高い応答性で電力を供給することができる。
【００２７】
前記車両補機８および燃料電池補機７には、燃料電池２側に接続されて燃料電池２側から電力が供給されており、燃料電池２および車両起動中に、必要な補機電力を燃料電池２からＤＣ−ＤＣコンバータ６を介すことなく供給でき、バッテリ３よりの電力を消費する場合のＤＣ−ＤＣコンバータ６での電力損失を低減でき、エネルギ効率向上を可能とする。バッテリ３の充電時には、燃料電池２または駆動モータ５からの電力がＤＣ−ＤＣコンバータ６を介することなくこれらの補機７、８に供給される。
【００２８】
次に、加速走行時等の過渡時の処理を図３のフローチャートおよび図５のタイムチャートに基づいて説明する。
【００２９】
先ず、ステップＳ１１において、アクセルペダルセンサによりアクセル開度の検出を行う。
【００３０】
ステップＳ１２では、検出されたアクセル開度により運転者が現状より加速を要求（出力の増加要求）しているか否かの判断を行う。より多くの出力を要求している場合（図５の時点ｔ１）はステップＳ１３へ進み、出力の増加要求がない場合は定常走行時のフローチャート（図２）のステップＳ１へ進む。ステップＳ１へは、定常状態で走行している場合または減速中等の場合に選択される。
【００３１】
ステップＳ１３では、燃料電池２の要求電力ＦＣｅを算出する。加速中の燃料電池２の要求電力ＦＣｅは、駆動要求電力ＤＲｅ、補機要求電力ＰＥｅの合計で算出される。駆動要求電力ＤＲｅはアクセル開度、車速などから決定される。モータ回転数と目標トルクからモータ要求電力が算出され、モータ効率、ＩＮＶ効率（インバータ効率）等を考慮に入れ駆動要求電力ＤＲｅが計算される。補機要求電力ＰＥｅは燃料電池補機７、車両補機８のための電力である。燃料電池補機７の燃料ガスや改質原料を供給するためのポンプ、改質器の温度を調整するヒータ等により消費される電力が増加し、補機要求電力ＰＥｅも増加する。燃料電池２の要求電力ＦＣｅは、図５（Ａ）に示すように、時点ｔ１から太い実線のように増加する。
【００３２】
ステップＳ１４では、ステップＳ１３で設定された燃料電池２の要求電力ＦＣｅよりこの要求電力ＦＣｅを出力するための供給ガス量の制御をおこなう。
【００３３】
ステップＳ１５では、燃料電池２の供給可能な可能供給電力ＦＣｅ１の算出をおこなう。これは、電力の供給要求に対して、燃料電池２からの供給電力の立ち上がりが遅れを持つ（図５（Ｂ）の実線参照）ために、実際に供給できる電力量の算出を行う。遅れの原因としては、例えば、ガスの供給遅れがある。燃料電池２への要求出力が増加した場合に、それに見合った量のガスを供給しなければ、燃料電池２から見合った電力を取出すことができないが、要求出力が増加に対して、ガスの供給が遅れるために電力の取出しが遅れることになる。燃料電池２の供給可能な可能供給電力ＦＣｅ１の増加に連れて、出力電力の増加は出力電圧の低下（図４参照）を生じ、図５（Ｃ）に示すように、燃料電池電圧は徐々に低下して安定する。
【００３４】
ステップＳ１６では、バッテリ３の出力電力を算出する。要求電力ＦＣｅと燃料電池可能供給電力ＦＣｅ１との差分がバッテリ出力電力ＢＡｅとなる。バッテリ３により燃料電池２での電力供給遅れ分を補正する。図５（Ａ）の要求電力ＦＣｅと図５（Ｂ）の燃料電池出力ＦＣｅ１との差分（図５（Ａ）中の太い実線と細い実線との差分）が２次電池出力ＢＡｅとして、図５（Ｄ）に示すように、出力される。
【００３５】
ステップＳ１７では、燃料電池２の電圧−電流特性（Ｉ−Ｖ特性）より、燃料電池２の可能供給電力に対応した電圧値ＶｆｃにＤＣ−ＤＣコンバータ６の出力電圧を設定する。燃料電池２の出力電圧Ｖｆｃの変化は、図５（Ｃ）に示されている。
【００３６】
ステップＳ１８では、設定された電圧値ＶｆｃにＤＣ−ＤＣコンバータ６を制御する。また、要求電力ＦＣｅがモータに供給されるようにインバータ４を制御する。
【００３７】
以上のステップＳが繰返し実行されることにより、燃料電池出力（ＦＣｅ１）、燃料電池電圧（Ｖｆｃ）、２次電池出力（ＢＡｅ）は、図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）に示すように変化し、車両が加速される。車速の上昇によりアクセルペダルの踏み込みが緩められると、ステップＳ１２での判断は、加速中とならず、図２に示す定常時制御に移行する。
【００３８】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００３９】
（ア）電力を出力する一組の出力端子１Ａに燃料電池２を接続し、蓄電器としてのバッテリ３やキャパシタを、ＤＣ−ＤＣコンバータ６を介して前記燃料電池２と並列に前記端子１Ａに接続する電源システム１のＤＣ−ＤＣコンバータ６と燃料電池２との間に燃料電池補機７および車両補機８を接続したため、補機類に電力を供給する際のＤＣ−ＤＣコンバータ６での損失を出すことが無くなり、電源システム１としてのエネルギ効率を向上することが可能である。
【００４０】
（イ）ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、燃料電池２の出力電圧と同等の電圧値になるように出力電圧を制御するため、要求電力に対し燃料電池２の出力の応答遅れを蓄電器としてのバッテリ３やキャパシタで補償することができ、安定した電力を供給できる。
【００４１】
（ウ）また、ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、蓄電器としてのバッテリ３の充電時にはバッテリ充電可能電圧となるように電圧値の制御をおこなうため、バッテリ３のＳＯＣが低くなったときや回生時の電力等を蓄えることができ、必要なときにバッテリ３（蓄電池）から電力供給をすることが可能となる。
【００４２】
（エ）燃料電池補機７および車両補機８のうち消費電力の大きい補機を、燃料電池２の近くに結線するため、配線の抵抗による電力低下を防止でき、エネルギ効率を向上することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す電源システムのシステム構成図。
【図２】走行時の電力制御処理のフローチャート。
【図３】加速走行時の電力制御処理のフローチャート。
【図４】燃料電池の出力特性を示す説明図。
【図５】加速走行時の電力制御処理による要求電力（Ａ）、燃料電池出力（Ｂ）、燃料電池電圧（Ｃ）、２次電池出力（Ｄ）の変化を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１  電源システム
２  燃料電池
３  蓄電器としてのバッテリ、二次電池、キャパシタ
５  駆動モータ
６  ＤＣ−ＤＣコンバータ
７  燃料電池補機
８  車両補機
１０  制御ユニット
【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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