(57)【要約】【課題】燃料電池と２次電源とを有するハイブリッド電源システムの暖機時間の短縮化を図る。【解決手段】本発明は、負荷に電力を供給する電源システムである。本電源システムは、負荷に接続可能な燃料電池を有する燃料電池システムと、充電可能な２次電池と負荷との間に並列に設けられた複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとを有する２次電源システムと、所定の媒体を通じて、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから前記燃料電池に熱を伝達可能な熱伝達部と、前記燃料システムと前記２次電源システムとを制御可能な制御部と、を備える。この制御部は、複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの少なくとも一つのＤＣ−ＤＣコンバータの電力供給方向を、他の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの電力供給方向と逆にする制御モードである暖機モードを有することを特徴とする。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に電力を供給する電源システムであって、
前記負荷に接続可能な燃料電池を有する燃料電池システムと、
充電可能な２次電池と、前記２次電池と前記負荷との間に並列に設けられた複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、を有する２次電源システムと、
所定の媒体を通じて、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから前記燃料電池に熱を伝達可能な熱伝達部と、
前記燃料システムと前記２次電源システムとを制御可能な制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの少なくとも一つのＤＣ−ＤＣコンバータの電力供給方向を、他の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの電力供給方向と逆にする制御モードである暖機モードを有す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であって、
前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの各々には、連続的に出力することが許容される電流の実効値の最大である連続許容電流値が設定されており、
前記制御部は、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの各々が前記連続許容電流値を超えない範囲で、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの少なくとも一つが前記連続許容電流値に近づくように前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する、電源システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電源システムであって、
前記熱伝達部は、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと前記燃料電池とを冷媒を用いて冷却可能な冷却水路である、電源システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうち比較的に多くの電流を流す双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの制御内容を、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうち比較的に少ない電流を流す双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのいずれかの制御内容と、所定の時間毎に切り替えることが可能である、電源システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの所定の温度に達した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの制御内容と、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの前記所定の温度に達していない双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのいずれかの制御内容と、を切り替えることが可能である、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、燃料電池と２次電池とを備える電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。通常は、燃料電池単体では負荷変動に対処するのが困難な場合があるので、たとえば特許文献１に開示されているような燃料電池と２次電池とを組み合わせたハイブリッド電源システムが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２０４１０６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２３５０５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなハイブリッド電源システムでは、従来は、燃料電池の暖機に時間を要するという問題があった。一方、燃料電池の暖機のためにヒータその他の装備を新たに設けるのは、重量やスペース、コストの増大といった問題を伴う。
【０００５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池と２次電池とを有するハイブリッド電源システムにおいて、暖機時間の短縮化を図る技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明は、負荷に電力を供給する電源システムであって、
前記負荷に接続可能な燃料電池を有する燃料電池システムと、
充電可能な２次電池と、前記２次電池と前記負荷との間に並列に設けられた複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、を有する２次電源システムと、
所定の媒体を通じて、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから前記燃料電池に熱を伝達可能な熱伝達部と、
前記燃料システムと前記２次電源システムとを制御可能な制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの少なくとも一つのＤＣ−ＤＣコンバータの電力供給方向を、他の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの電力供給方向と逆にする制御モードである暖機モードを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の電源では、複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの少なくとも一つのＤＣ−ＤＣコンバータの電力供給方向を他の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの電力供給方向と逆にすることができるので、複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの１次側と２次側で電力を往復させることにより大きな熱を発生させることができる。このようにして発生した熱は、所定の媒体を通じて複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから燃料電池に伝達することが可能である。これにより電源システムの暖機時間を短くすることができる。
【０００８】
なお、所定の媒体には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと燃料電池とを冷却するための冷媒だけでなく、燃料電池に供給される空気や水素ガス、加湿用の水といった燃料電池内部に供給される流体も含まれる。これらも複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから燃料電池に熱を伝達することができるからである。
【０００９】
上記電源システムにおいて、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの各々には、連続的に出力することが許容される電流の実効値の最大である連続許容電流値が設定されており、
前記制御部は、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの各々が前記連続許容電流値を超えない範囲で、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの少なくとも一つが前記連続許容電流値に近づくように前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを制御するようにすることが好ましい。
【００１０】
こうすれば、各双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを保護しつつ最大限の熱を発生させることができる。
【００１１】
上記電源システムにおいて、前記熱伝達部は、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと前記燃料電池とを冷媒を用いて冷却可能な冷却水路とすることが好ましい。
【００１２】
このように、複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと燃料電池とを冷却可能な冷却水路を用いて熱を伝達すれば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが生成した熱を簡易かつ効率的に伝えることができる。
【００１３】
上記電源システムにおいて、前記制御部は、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうち比較的に多くの電流を流す双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの制御内容を、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうち比較的に少ない電流を流す双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのいずれかの制御内容と、所定の時間毎に切り替えることが可能であるように構成することが好ましい。
【００１４】
こうすれば、一部の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのみ劣化が進むという問題を抑制することができる。
【００１５】
上記電源システムにおいて、前記制御部は、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの所定の温度に達した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの制御内容と、前記複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの前記所定の温度に達していない双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのいずれかの制御内容と、を切り替えることが可能であるように構成することが好ましい。
【００１６】
こうすれば、一部の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのみ高温による劣化が進むという問題を抑制することができる。
【００１７】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ハイブリッド電源システムおよびその制御方法、それらのシステムを備える移動体およびその制御方法、それらのシステムまたは方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
Ｂ．本発明の実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
Ｃ．変型例：
【００１９】
Ａ．本発明の実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
図１は、本発明の実施例としての負荷２００に接続されたハイブリッド電源システム１００の冷却系統の概要を示す概略構成図である。ハイブリッド電源システム１００は、燃料電池３０と、２次電源システム２０と、改質器３１と、冷却系統５０とを備えている。
【００２０】
燃料電池３０および２次電源システム２０は、分担して改質器３１と負荷２００とに電力を供給することが可能である。燃料電池３０は、水素を燃料として電力を生成するハイブリッド電源システム１００の主電源である。２次電源システム２０は、負荷２００の負荷の変動に対応するための補助電源である。
【００２１】
２次電源システム２０は、燃料電池３０の供給電力（ＦＣ電力）が、負荷２００および改質器３１の要求電力より大きいときには余剰電力を２次電池２９に充電し、燃料電池３０の供給電力が負荷２００および改質器３１の要求電力より小さいときには２次電池２９から２次電源電力を供給するように構成されている。これにより、ハイブリッド電源システム１００は、負荷２００側の負荷の変動に迅速に対応することができる。
【００２２】
改質器３１は、ガソリンやメタノールといった燃料から、改質触媒を用いて燃料電池３０に供給するための水素を生成する。改質器３１が使用する電力は、改質器３１の起動時には２次電源システム２０から供給され、改質器３１の起動後には２次電源システム２０と燃料電池３０とから供給される。燃料電池３０は、改質器３１の起動後に運転が開始されるからである。
【００２３】
冷却系統５０は、燃料電池３０と２次電源システム２０とを冷却するための系統である。これらを冷却するのは、燃料電池３０および２次電源システム２０の運転時の発熱によって、予め定められた運転温度の限界を超えないようにするためである。
【００２４】
冷却系統５０は、冷媒としての冷却水が巡回する冷却水路５３と、冷却水路５３に冷却水を巡回させるウォーターポンプ５２と、燃料電池３０を通過した冷却水の温度を計測する水温計５４と、冷却水から熱を放散させるラジエータ５１とを備えている。冷却系統５０は以下のように作動する。ウォーターポンプ５２により加圧された冷却水は、冷却水路５３を通って、（１）２次電源システム２０の熱を吸収し、（２）燃料電池３０の熱を吸収し、（３）水温計５４で冷却水の温度を計測し、（４）最後にラジエータ５１に到達する。ラジエータ５１に到達した冷却水は、２次電源システム２０や燃料電池３０で吸収した熱を放散する。この放熱によって冷却された冷却水は、ウォーターポンプ５２に再び供給される。
【００２５】
このようにして、冷却系統５０は、燃料電池３０と２次電源システム２０とを冷却することができる。なお、冷却系統５０は、本実施例では特許請求の範囲における「熱伝達部」に相当する。
【００２６】
図２は、本発明の実施例における２次電源システム２０を中心とした冷却系統の構成を示す説明図である。２次電源システム２０は、１つの２次電池２９と、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃとを備えている。本実施例では、２次電源システム２０の構成要素のうち３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃが冷却系統５０によって冷却されるように構成されている。
【００２７】
この例では、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々は、電力の変換効率を高くするために均等に出力し、全体として電力Ｐを負荷２００に供給している。また、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃは、負荷２００に供給される電力の電圧リプルを小さくするために脈流電圧の位相を相互に１２０度ずつずらして電力を供給している。
【００２８】
図３は、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃを中心としたハイブリッド電源システム１００の回路図である。３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃは、２次電池２９と負荷２００との間に並列に接続されている。３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃが並列に接続されているので、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々が任意の割合で分担して負荷２００に電力を供給することが可能である。
【００２９】
制御部３００は、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃと、燃料電池３０を負荷２００に接続可能としているＦＣスイッチ３２と、に電気的に接続されており、これらの制御を含むハイブリッド電源システム１００の制御を実行する。制御部３００の各種の制御動作は、制御部３００に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御部３００が実行することによって実現される。このメモリとしては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を利用することが可能である。
【００３０】
図４は、本発明の実施例における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａの回路構成を示す説明図である。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａは、２つの端子１３、１５に接続された２次電池側直列回路と、２つの端子１２、１４に接続された負荷側直列回路と、インダクタンスＬとを備えている。２次電池側直列回路は、スイッチＱ１とスイッチＱ２とを備えている。負荷側直列回路は、スイッチＱ３とスイッチＱ４とを備えている。なお、本実施例では、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４としてＭＯＳ−ＦＥＴを使用している。
【００３１】
２次電池側直列回路の２つのスイッチＱ１、Ｑ２は、２次電池２９側に以下のように接続されている。スイッチＱ１の一端とスイッチＱ２の一端は、接続点Ｊ１で接続されている。スイッチＱ１の他端は、端子１３を介して２次電池２９のカソードに接続されている。スイッチＱ２の他端は、端子１５を介して２次電池２９のアノードに接続されている。２つのスイッチＱ１、Ｑ２のゲート端子は、制御部３００に接続されている。
【００３２】
負荷側直列回路の２つのスイッチＱ３、Ｑ４は、負荷２００側に以下のように接続されている。スイッチＱ３の一端とスイッチＱ４の一端は、接続点Ｊ２で接続されている。スイッチＱ３の他端は、端子１２を介して負荷２００のカソードに接続されている。スイッチＱ４の他端は、端子１４を介して負荷２００のアノードに接続されている。２つのスイッチＱ３、Ｑ４のゲート端子は、制御部３００に接続されている。
【００３３】
また、インダクタンスＬは、接続点Ｊ１と接続点Ｊ２との間に接続されている。２次電池２９のアノードは、端子１５と端子１４とを介して負荷２００のアノードに接続されている。
【００３４】
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａは、２次電池側直列回路から負荷側直列回路に電力を供給するモードと、負荷側直列回路から２次電池側直列回路に向かって電力を供給するモードとの２つのモードで双方向に作動することができる。このような動作は、制御部３００が４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の開閉動作を適切に行うことによって実現される。なお、他の２つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｂ、２７ｃは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａと同一の構成を有する回路である。
【００３５】
Ｂ．本発明の実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
図５は、電力供給時に制御部３００が４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の各ゲート端子に印可する電圧を時系列で表すタイムチャートである。このような電圧の印可によって、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフ制御（開閉）が行われ、これにより２次電池２９からの直流電力が昇圧されて負荷２００に供給される。
【００３６】
図６は、負荷２００に電力を供給するときの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの作動状態を示す説明図である。具体的には、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフ制御によって以下の電圧変換動作が行われている。
（１）時刻ｔ０（図５）では、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオンにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオフにされる（図６（ａ））。これにより、インダクタンスＬが２次電池２９側に接続される。この時に、インダクタンスＬに磁気エネルギが蓄積される。
（２）時刻ｔ１では、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオフにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオンにされる（図６（ｂ））。これにより、インダクタンスＬが負荷２００側に接続される。この時に、インダクタンスＬに蓄積された磁気エネルギが負荷２００側に電力として供給される。
【００３７】
３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々が供給する電力は、制御部３００がデューティ比（ＯＮ−ＯＦＦ比）を調整することによって制御することができる。デューティ比を大きくすれば、負荷２００側に供給される電力の電圧を高くすることができ、デューティ比を小さくすれば、負荷２００側に供給される電力の電圧を低くすることができる。さらに、デューティ比を小さくすれば、負荷２００側から２次電池２９側に電力を供給することもできる。
【００３８】
ここで、デューティ比（ＯＮ−ＯＦＦ比）における「ＯＮ」と「ＯＦＦ」は、以下のように定義される。「ＯＮ」は、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオンにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオフにされる状態である（図６（ａ））。「ＯＦＦ」は、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオフにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオンにされる状態である（図６（ｂ））。
【００３９】
このように、ハイブリッド電源システム１００は、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々の電力供給量を独立して制御して、負荷２００に電力供給を行うことができる。さらに、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃのうちの一部の電力供給方向を、他の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの電力供給方向と逆にすることも可能である。
【００４０】
図７は、制御部３００が３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃに出力する制御出力信号の生成処理の内容を示すフローチャートである。この制御は、暖機の完了後に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々の出力を均一化して変換効率を高めることを目的の一つとする。
【００４１】
ステップＳ１１０では、制御部３００は、応答性を良くするためのフィードフォワード項として共通基本デューティを計算する。共通基本デューティとは、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃが指定された電圧を出力するための理論値としてのデューティ比である。共通基本デューティの計算は、たとえば目標値として指定された出力電圧である出力指令電圧と、２次電池２９の出力電圧とに応じて行うことができる。具体的には、たとえば出力指令電圧を、２次電池２９の出力電圧と出力指令電圧の和で除することによって共通基本デューティを算出することができる。
【００４２】
ステップＳ１２０では、制御部３００は、偏差を小さくするためのフィードバック項として共通デューティ補正量を計算する。共通デューティ補正量は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの現実の出力電圧を出力指令電圧に近づけるためのフィードバック量である。共通デューティ補正量の計算は、たとえば双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの現実の出力電圧を計測する電圧計６２（図３）の計測値と、出力指令電圧との差に所定の比例ゲインを乗ずることによって行うことができる。
【００４３】
ステップＳ１３０では、制御部３００は、３相電流の均衡化処理を行う。３相電流とは、本明細書では、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々が相互に位相を１２０度ずつずらして生成する３つの相の脈流電流を意味する。位相を１２０度ずつずらすのは、前述のように直流の出力電力における電圧リプルを小さくするためである。３相電流の均衡化処理とは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々に流れる各相の電流の値を相互に近づける処理である。各相の電流の値を相互に近づけるのは、前述のように電圧変換の効率を良くするとともに、電圧リプルを小さくするためである。
【００４４】
３相電流の均衡化処理は、たとえば双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａの入力電流値に、２つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｂ、２７ｃの電流値を近づける処理とすることができる。具体的には、たとえば双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｂの３相電流の均衡化処理のための補正量（「コンバータ用補正量」とも呼ぶ）は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａの入力電流値を計測する電流計７１（図３）の計測値と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｂの入力電流値を計測する電流計７２の計測値と、の差に比例ゲインを乗ずることによって算出することができる。また、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｃのコンバータ用補正量は、電流計７１の計測値と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｃの入力電流値を計測する電流計７３の計測値と、の差に比例ゲインを乗ずることによって算出することができる。
【００４５】
ステップＳ１４０では、制御部３００は、ＰＷＭ信号出力処理を行う。ＰＷＭ信号は、デューティ比（ＯＮ−ＯＦＦ比）における「ＯＮ」のパルス幅と「ＯＦＦ」のパルス幅と規定する信号である。「ＯＮ」と「ＯＦＦ」のパルス幅は、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々について算出される。
【００４６】
この算出は、上記で算出された下記の値を用いて行われる。
（１）共通基本デューティ：
３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃに共通に使用されるフィードフォワード項である。
（２）共通デューティ補正量：
３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃに共通に使用される共通フィードバック項である。
（３）コンバータ用補正量：
３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々に使用される３つのフィードバック項である。
【００４７】
図８は、本発明の実施例におけるハイブリッド電源システム１００の暖機時間における冷却水の温度を示す説明図である。本明細書では、暖機時間とは、ハイブリッド電源システム１００の起動（時刻ｔ10）から暖機完了（時刻ｔ12）までの間を意味する。ハイブリッド電源システム１００の起動とは、ハイブリッド電源システム１００のスイッチを「ＯＮ」にして、２次電池２９から双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃを経て改質器３１に電力の供給が開始されるようにする操作を意味する。暖機完了とは、燃料電池３０の出力制限が解除されることを意味する。
【００４８】
暖機完了までの間、燃料電池３０の出力が制限されているのは、フラッディングによる不測の出力低下を生じにくくするためである。フラッディングとは、燃料電池３０の内部に生成水が滞留して出力電力が低下するという現象である。フラッディングは低温で大きな出力を発生させると生じやすいので、燃料電池３０が所定の温度に達するまでの間、すなわち暖機時間において燃料電池３０の出力を制限しているのである。
【００４９】
図８に示される例では、冷却水温度が所定の温度Ｃthに達するまでの間は燃料電池３０が所定の温度に達していないとみなして燃料電池３０の出力が制限されている。ここで、冷却水温度は、前述のように水温計５４で計測される燃料電池３０の出口温度である。換言すれば、冷却水温度（燃料電池３０の出口温度）が所定の温度Ｃthに達すると、燃料電池３０が所定の温度に達したとみなされて燃料電池３０の出力制限が解除されることになる。
【００５０】
ハイブリッド電源システム１００の起動開始（時刻ｔ10）から改質器３１の起動完了（時刻ｔ11）までの間は、冷却水温度がゆっくりと上昇する。この温度上昇は、主として双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの発熱によるものである。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃが発熱するのは、改質器３１の作動のために電力を供給しているからである。改質器３１の起動が完了すると、燃料電池３０への燃料（水素）の供給が開始される。
【００５１】
改質器３１の起動完了（時刻ｔ11）から暖機完了（時刻ｔ12）までの間は、冷却水温度が比較的速く上昇する。この温度上昇は、燃料電池３０の電力供給に伴う反応熱と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの発熱によるものである。このように、ハイブリッド電源システム１００は、特に改質器３１の起動時において燃料電池３０の温度が上昇しにくいために、暖機に長い時間を要していることが分かる。
【００５２】
図９は、暖機モードにおける３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの作動状態の一例を示す説明図である。暖機モードとは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃにおける電力変換効率を意図的に低下させて積極的に熱を発生させる運転モードである。この運転モードでは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃで冷却水温度を上昇させることにより燃料電池３０を暖めて暖機時間を短縮させることができる。
【００５３】
３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃは、前述の運転モードと同様に全体として負荷２００側に電力Ｐを供給している。ただし、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａは、最大出力Ｐmaxで負荷２００側に電力を供給している。一方、２つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｂ、２７ｃは、余剰電力（Ｐmax−Ｐ）を２次電池２９側に均等に分担して逆流させている。
【００５４】
すなわち、２つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｂ、２７ｃは、余剰電力の半分（（Ｐmax−Ｐ）／２）の電力を２次電池２９側に逆流させていることになる。ここで、最大出力Ｐmaxとは、連続許容電流値のときの電力である。連続許容電流値とは、出力指令電圧において連続的に出力することが許容される電流の実効値の最大である。
【００５５】
１つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａに最大出力Ｐmaxで電力を供給させているのは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々を保護しつつより多くの熱を発生させて暖機時間をできるだけ短くするためである。
【００５６】
図１０は、暖機モードを有する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃに出力する制御出力信号の生成処理の内容を示すフローチャートである。この処理の内容は、前述の通常運転のみの制御出力信号の生成処理（図７）に対して暖機モードが追加されている点で相違する。すなわち、本処理は、暖機モードにおける処理であるステップＳ１２１とステップＳ１３０ａとが追加されている点で通常運転のみの処理と異なる。
【００５７】
ステップＳ１２１は、制御部３００が冷却水温度が所定の温度Ｃ’thより高いか否かを判断する。ここで、温度Ｃ’thは、燃料電池３０と冷却水路５３との間の熱抵抗による温度差を考慮して再設定された温度Ｃthよりも少し高い値である。熱抵抗による温度差を考慮するのは、暖機モードでは、通常のモードと異なって燃料電池３０側よりも冷却水側の方が高温となるからである。
【００５８】
ステップＳ１２１では、この温度Ｃ’th基づいた判断に応じて、冷却水温度が所定の温度Ｃ’thより高いときには、通常運転モードにすべきであると決定してステップＳ１３０に進み、一方、冷却水温度が所定の温度Ｃ’th以下のときには、暖機運転モードにすべきであると決定してステップＳ１３０ａに進む。
【００５９】
ステップＳ１３０およびステップＳ１３０ａでは、制御部３００は、ともにコンバータ用補正量を算出する。ただし、ステップＳ１３０とステップＳ１３０ａの処理は、下記の点で相違する。
（１）ステップＳ１３０では、前述のように通常運転を行うために、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々の出力を均一化するようにコンバータ用補正量が算出される。
（２）ステップＳ１３０ａでは、暖機時間を短くするために、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃのうちの一部の電力供給方向を、他の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の電力供給方向と逆にするようにコンバータ用補正量が算出される。
【００６０】
具体的には、たとえば暖機モードにおける双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａのコンバータ用補正量は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａの入力電流値を計測する電流計７１（図３）の計測値と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａの連続許容電流値と、の差に比例ゲインを乗ずることによって算出することができる。一方、他の２つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｂ、２７ｃのコンバータ用補正量は、ゼロとする。
【００６１】
このようにして算出されたコンバータ用補正量を用いて、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々では、暖機モードにおいて以下のようなフィードバック制御が実行されることになる。
（１）双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａについては、出力指令電圧において連続許容電流で電力を供給するように、共通デューティ補正量を用いた電圧フィードバック制御と、コンバータ用補正量を用いた電流フィードバック制御とが行われる。
（２）他の２つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｂ、２７ｃについては、出力指令電圧で電力を供給するように共通デューティ補正量を用いた電圧フィードバック制御が行われるが、電流フィードバック制御は行われない。
【００６２】
この結果、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａは、出力指令電圧で最大出力Ｐmaxを出力し、他の２つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｂ、２７ｃは、負荷２００側の電圧を出力指令電圧に近づけるように余剰電力を逆流させることになる。
【００６３】
このように、本実施例によれば、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの一部を他の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの電力供給方向と逆にすることができるので、複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの２次電池２９側と負荷２００側で電力を往復させることにより大きな熱を発生させることができる。
【００６４】
このようにして発生した熱は、冷却系統５０を通じて複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから燃料電池に伝達することが可能なので、図１１に示されるように改質器３１の起動中に燃料電池３０の温度を上昇させることができる。この温度上昇によって、ハイブリッド電源システム１００の暖機時間を短くすることができる。
【００６５】
また、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃのうち比較的に多くの電流を流す双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａの制御内容を、比較的に少ない電流を流す他の２つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ｂ、２７ｃのいずれかの制御内容と、所定の時間（たとえば１分）毎に切り替えることが可能であるように構成することが好ましい。こうすれば、一部の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのみ劣化が進むという問題を抑制することができるという利点があるからである。
【００６６】
なお、制御内容の切替は、たとえば２つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂのコンバータ用補正量を入れ替えることにより可能である。
【００６７】
また、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路のうち所定の温度に達した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の制御内容を、３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのうちの所定の温度に達していない双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのいずれかの制御内容と、切り替え可能であるように構成することも好ましい。こうすれば、一部の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのみ高温による劣化が進むという問題を抑制することができるという利点がある。
【００６８】
Ｃ．変型例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６９】
Ｃ−１．上記実施例では、２次電源システムは、３つのＤＣ−ＤＣコンバータを用いているが、たとえば２つであっても良く４つ以上であっても良い。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータの回路は実施例の回路形式に限られず、電力供給方向を変更することができる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ用の回路であれば良い。一般に、本発明で使用される２次電源システムは、２次電池と負荷との間に並列に設けられた複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを備えるものであれば良い。
【００７０】
Ｃ−２．上記実施例では、２次電源システムと燃料電池とを冷却する冷却系統を用いて双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから燃料電池に熱を伝達しているが、たとえば燃料電池に供給される加湿空気を単独であるいは冷却水路とともに用いて燃料電池に熱を伝達するようにしても良い。一般に、本発明で使用する熱伝達部は、所定の媒体を通じて複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから燃料電池に熱を伝達可能なものであれば良い。
【００７１】
このように、所定の媒体には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと燃料電池とを冷却するための冷媒だけでなく、燃料電池に供給される空気や水素ガス、加湿用の水といった燃料電池内部に供給される流体も含まれることになる。ただし、複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと燃料電池とを冷却可能な冷却水路を用いて熱を伝達すれば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが生成した熱を簡易かつ効率的に伝えることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例としての負荷２００に接続されたハイブリッド電源システム１００の冷却系統の概要を示す概略構成図。
【図２】本発明の実施例における２次電源システム２０を中心とした冷却系統の構成を示す説明図。
【図３】３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃを中心としたハイブリッド電源システム１００の回路図。
【図４】本発明の実施例における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａの回路構成を示す説明図        
【図５】電力供給時に制御部３００が４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の各ゲート端子に印可する電圧を時系列で表すタイムチャート。
【図６】負荷２００に電力を供給するときの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの作動状態を示す説明図。
【図７】制御部３００が３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃに出力する制御出力信号の生成処理の内容を示すフローチャート。
【図８】本発明の実施例におけるハイブリッド電源システム１００の暖機時間における冷却水の温度を示す説明図。
【図９】暖機モードにおける３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃの作動状態の一例を示す説明図。
【図１０】暖機モードにおける制御部３００が３つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２７ａ、２７ｂ、２７ｃに出力する制御出力信号の生成処理の内容を示すフローチャート。
【図１１】暖機モードの運転によってハイブリッド電源システム１００の暖機時間が短縮される様子を示す説明図。
【符号の説明】
１２、１３、１４、１５…端子
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ…双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路
３０…燃料電池
３１…改質器
３２…ＦＣスイッチ
５０…冷却系統
５１…ラジエータ
５２…ウォーターポンプ
５３…冷却水路
５４…水温計
６２…電圧計
７１、７２、７３…電流計
１００…ハイブリッド電源システム
２００…負荷
３００…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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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