図1は、本発明に係る燃料電池システム10� ��概略構成および、該燃料電池システム10よ� �供給される電力を駆動源とする移動体の車� �1を概略的に示す。車両1は、駆動輪2が駆動� �ータ(以下、単に「モータ」という。)16によ� ��て駆動されることで自走し、移動可能とな� ��。このモータ16は、いわゆる三相交流モー� �であって、インバータ15から交流電力の供給 を受ける。更に、このインバータ15へは、燃� ��電池システム10のメイン電力源である燃料� �池(以下、「FC」ともいう。)11と、二次電池� �あるバッテリ13から直流電力が供給され、そ れがインバータ15で交流へ変換されている。

 ここで、燃料電池11は、水素タンク17に貯 蔵されている水素ガスとコンプレッサ18によ� ��て圧送されてくる空気中の酸素との電気化� ��反応にて発電を行い、該燃料電池11とイン� �ータ15との間には、昇圧型のDC-DCコンバータ� ��あるFC昇圧コンバータ12が電気的に接続され ている。これにより、燃料電池11からの出力� ��圧は、FC昇圧コンバータ12によって制御可能 な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバータ 15に印加される。また、このFC昇圧コンバー� �12の昇圧動作によって燃料電池11の端子電圧� ��制御することも可能となる。尚、FC昇圧コ� �バータ12の詳細な構成については、後述する 。また、バッテリ13は、充放電が可能な蓄電� ��置であって、該バッテリ13とインバータ15と の間に該インバータ15に対して上記FC昇圧コ� �バータ12と並列になるように、昇圧型のバッ テリ昇圧コンバータ14が電気的に接続されて� ��る。これにより、バッテリ13からの出力電� �は、バッテリ昇圧コンバータ14によって制御 可能な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバ ータ15に印加される。また、このバッテリ昇� ��コンバータ14の昇圧動作によってインバー� �15の端子電圧を制御することも可能となる。 尚、図1中に示すように、燃料電池システム10 においては、昇圧型のバッテリ昇圧コンバー タ14に代えて、昇圧動作および降圧動作が可� ��な昇降圧型のコンバータも採用可能である� ��以下の実施例では、主にバッテリ昇圧コン� ��ータ14を昇圧型のコンバータとして説明を� �めていくが、これには昇降圧型のコンバー� �の採用を制限する意図は無く、その採用に� �しては適宜調整が行われる。そして、昇降� �型コンバータを採用することにより更に特� �すべき事実については適切にその開示を行� �ていく。

 また車両1には、電子制御ユニット(以下� �「ECU」という。)20が備えられ、上述した各� �御対象に電気的に接続されることで、燃料� �池11の発電やモータ16の駆動等が制御される� ��とになる。例えば、車両1には、ユーザから の加速要求を受けるアクセルペダルが設けら れ、その開度がアクセルペダルセンサ21によ� ��て検出され、その検出信号がECU20に電気的� �伝えられる。また、ECU20は、モータ16の回転� ��を検出するエンコーダにも電気的に接続さ� ��、これによりECU20でモータ16の回転数が検出 される。ECU20は、これらの検出値等に基づい� ��、各種の制御が可能である。

 このように構成される燃料電池システム1 0では、車両1のユーザが踏んだアクセルペダ� ��の開度がアクセルペダルセンサ21によって� �出され、ECU20がそのアクセル開度とモータ16� ��回転数等に基づいて、燃料電池11の発電量� �バッテリ13からの充放電量が適宜制御される 。ここで、移動体である車両1の燃費を向上� �せるために、モータ16が高電圧低電流仕様の PMモータとなっている。従って、モータ16は� �低電流で高トルクを発揮することが可能と� �るため、モータ内部の巻線やその他の配線� �の発熱を軽減することが可能となり、また� �ンバータ15の定格出力を小さくすることが可 能となる。具体的には、モータ16では低電流� ��比較的大きなトルク出力を可能とするため� ��その逆起電圧が比較的高く設定される一方� ��、その高逆起電圧に抗して高回転数での駆� ��が可能となるように、燃料電池システム10� �らの供給電圧が高く設定される。このとき� �燃料電池11とインバータ15の間にFC昇圧コン� �ータ12を設け、バッテリ13とインバータ15と� �間にもバッテリ昇圧コンバータ14を設けるこ とで、インバータ15への供給電圧の高電圧化� ��図られる。繰り返しにはなるが、このバッ� ��リ昇圧コンバータ14に代えて昇降圧型のコ� �バータも採用可能である。

 このように燃料電池システム10をFC昇圧コ ンバータ12を含む構成とすることで、燃料電� ��11自体の出力電圧(端子間電圧)が低くても、 FC昇圧コンバータ12の昇圧動作によりモータ16 を駆動することが可能となるので、燃料電池 11のセル積層枚数を低減する等してその小型� ��を図ることも可能となる。その結果、車両1 の重量を低減でき、その燃費向上を更に促進 することができる。

 ここで、燃料電池システム10においては� �発電可能な燃料電池11がモータ16に対するメ� ��ン電力源となっている。従って、燃料電池� ��ステム10の効率を向上させるためには、燃� �電池11とインバータ15との間に介在するFC昇� �コンバータ12での電力損失を低減することが 、システム全体の効率向上に大きく寄与する と考えられる。もちろん、バッテリ13とイン� ��ータ15との間のバッテリ昇圧コンバータ14に も原則的に同様のことが当てはまる。

 ここで、図2に基づいて、FC昇圧コンバー� ��12の電気回路の特徴について説明する。図2� ��、FC昇圧コンバータ12を中心として、燃料電 池システム10の電気的構成を示す図であるが� ��説明を簡便にするためにバッテリ13および� �ッテリ昇圧コンバータ14の記載は省略してい る。

 FC昇圧コンバータ12は、DC-DCコンバータと� ��ての昇圧動作を行うための主昇圧回路12aと� ��後述するソフトスイッチング動作を行うた� ��の補助回路12bとで構成されている。主昇圧� ��路12aは、スイッチ素子S1とダイオードD4で構 成されるスイッチング回路のスイッチ動作に よって、コイルL1に蓄えられたエネルギをモ� ��タ16側(インバータ15側)にダイオードD5を介� �て解放することで燃料電池11の出力電圧を昇 圧する。具体的には、コイルL1の一端が燃料� ��池11の高電位側の端子に接続される。そし� �、スイッチ素子S1の一端の極が、コイルL1の� ��端に接続されるとともに、該スイッチ素子S 1の他端の極が、燃料電池の低電位側の端子� �接続されている。また、ダイオードD5のカソ ード端子がコイルL1の他端に接続され、更に� ��コンデンサC3が、ダイオードD5のアノード端 子とスイッチ素子S1の他端との間に接続され� ��いる。尚、この主昇圧回路12aにおいて、コ� ��デンサC3は、昇圧電圧の平滑コンデンサと� �て機能する。尚、主昇圧回路12aには、燃料� �池11側に平滑コンデンサC1も設けられ、これ� ��より燃料電池11の出力電流のリップルを低� �することが可能となる。この平滑コンデン� �C3にかかる電圧VHは、FC昇圧コンバータ12の出 口電圧となる。また、図2では、燃料電池11の 電源電圧をVLで示し、これは平滑コンデンサC 1にかかる電圧であって、且つFC昇圧コンバー タ12の入口電圧となる。

 次に、補助回路12bには、先ずスイッチ素� ��S1に並列に接続された、ダイオードD3と、そ れに直列に接続されたスナバコンデンサC2と� ��含む第一直列接続体が含まれる。この第一� ��列接続体では、ダイオードD3のカソード端� �がコイルL1の他端に接続され、そのアノード 端子がスナバコンデンサC2の一端に接続され� ��いる。更に、該スナバコンデンサC2の他端� �、燃料電池11の低電位側の端子に接続されて いる。更に、補助回路12bには、誘導素子であ るコイルL2と、ダイオードD2と、スイッチ素� �S2及びダイオードD1で構成されるスイッチン� ��回路とが直列に接続された第二直列接続体� ��含まれる。この第二直列接続体では、コイ� ��L2の一端が、第一直列接続体のダイオードD3 とスナバコンデンサC2との接続部位に接続さ� ��る。更に、ダイオードD2のカソード端子が� �コイルL2の他端に接続されるとともに、その アノード端子が、スイッチ素子S2の一端の極� ��接続される。また、スイッチ素子S2の他端� �、コイルL1の一端側に接続される。尚、この 第二直列接続体の回路トポロジーについては 、コイルL2、ダイオードD2、スイッチ素子S2等 によるスイッチング回路の直列順序は、適宜 入れ替えた形態も採用し得る。特に、図2に� �す状態に代えて、コイルL2とスイッチ素子S2� ��によるスイッチング回路の順序を入れ替え� ��ことで、実際の実装回路ではコイルL1とコ� �ルL2は一体化でき、半導体素子のモジュール 化が容易となる。

 このように構成されるFC昇圧コンバータ12 は、スイッチ素子S1のスイッチングデューテ� ��比を調整することで、FC昇圧コンバータ12に よる昇圧比、即ちFC昇圧コンバータ12に入力� �れる燃料電池11の出力電圧に対する、インバ ータ15にかけられるFC昇圧コンバータ12の出力 電圧の比が制御される。また、このスイッチ 素子S1のスイッチング動作において補助回路1 2bのスイッチ素子S2のスイッチング動作を介� �させることで、後述するいわゆるソフトス� �ッチングが実現され、FC昇圧コンバータ12で� ��スイッチングロスを大きく低減させること� ��可能となる。

 次に、FC昇圧コンバータ12におけるソフト スイッチングについて、図3、4A~4Fに基づいて 説明する。図3は、ソフトスイッチング動作� �介したFC昇圧コンバータ12での昇圧のための� ��サイクルの処理(以下、「ソフトスイッチン グ処理」という。)のフローチャートである� �当該ソフトスイッチング処理は、S101~S106の� �処理がECU20によって順次行われて一サイクル を形成するが、各処理によるFC昇圧コンバー� ��12での電流、電圧の流れるモードをそれぞ� �モード1~モード6として表現し、その状態を� �4A~4Fに示す。以下、これらの図に基づいて、 FC昇圧コンバータ12でのソフトスイッチング� �理について説明する。尚、図4A~図4Fにおいて は、図面の表示を簡潔にするため、主昇圧回 路12aと補助回路12bの参照番号の記載は省略し ているが、各モードの説明においては、各回 路を引用する場合がある。また、各図中、太 矢印で示されるのは、回路を流れる電流を意 味している。

 尚、図3に示すソフトスイッチング処理が 行われる初期状態は、燃料電池11からインバ� ��タ15およびモータ16に電力が供給されている 状態、即ちスイッチ素子S1、S2がともにター� �オフされることで、コイルL1、ダイオードD5� ��介して電流がインバータ15側に流れている� �態である。従って、当該ソフトスイッチン� �処理の一サイクルが終了すると、この初期� �態と同質の状態に至ることになる。

 ソフトスイッチング処理において、先ずS 101では図4Aに示されるモード1の電流・電圧状 態が形成される。具体的には、スイッチ素子 S1はターンオフの状態でスイッチ素子S2をタ� �ンオンする。このようにすると、FC昇圧コン バータ12の出口電圧VHと入口電圧VLの電位差に よって、コイルL1及びダイオードD5を介して� �ンバータ15側に流れていた電流が、補助回路 12b側に徐々に移行していく。尚、図4A中には� ��その電流の移行の様子を白抜き矢印で示し� ��いる。

 次に、S102では、S101の状態が所定時間継� �すると、ダイオードD5を流れる電流がゼロと なり、代わってスナバコンデンサC2と燃料電� ��11の電圧VLとの電位差により、スナバコンデ ンサC2に蓄電されていた電荷が補助回路12b側� ��流れ込んでいく(図4Bに示すモード2の状態)� �このスナバコンデンサC2は、スイッチ素子S1� ��かかる電圧を決定する機能を有している。� ��イッチ素子S1をターンオンするときに該ス� �ッチ素子S1に印加される電圧に影響を与える スナバコンデンサC2の電荷が、モード2では補 助回路12bに流れ込むことで、スナバコンデン サC2にかかる電圧が低下していく。このとき� ��コイルL2とスナバコンデンサC2の半波共振に より、スナバコンデンサC2の電圧がゼロとな� ��まで、電流は流れ続ける。この結果、後述� ��るS103でのスイッチ素子S1のターンオン時の� ��の印加電圧を下げることが可能となる。

 更に、S103においては、スナバコンデンサ C2の電荷が抜け切ったら、スイッチ素子S1が� �にターンオンされ、図4Cに示されるモード3� �電流・電圧状態が形成される。即ち、スナ� �コンデンサC2の電圧がゼロとなった状態では スイッチ素子S1にかかる電圧もゼロとなり、� ��して、その状態でスイッチ素子S1をターン� �ンすることにより、スイッチ素子S1をゼロ電 圧状態にした上でそこに電流を流し始めるこ とになるため、スイッチ素子S1におけるスイ� ��チング損失を理論上、ゼロとすることがで� ��る。

 そして、S104では、S103の状態が継続する� �とで、コイルL1に流れ込んでいく電流量を増 加させて、コイルL1に蓄えられるエネルギを� ��々に増やしていく。この状態が、図4Dに示� �れるモード4の電流・電圧状態である。その� ��、コイルL1に所望のエネルギが蓄えられる� �、S105において、スイッチ素子S1及びS2がター ンオフされる。すると、上記モード2で電荷� �抜かれて低電圧状態となっているスナバコ� �デンサC2に電荷が充電され、FC昇圧コンバー� ��12の出口電圧VHと同電圧に至る。この状態が 、図4Eに示されるモード5の電流・電圧状態で ある。そして、スナバコンデンサC2が電圧VH� �で充電されると、S106においてコイルL1に蓄� �られたエネルギがインバータ15側に解放され る。この状態が、図4Fに示されるモード6の電 流・電圧状態である。尚、このモード5が行� �れるとき、スイッチ素子S1にかかる電圧はス ナバコンデンサC2により電圧の立ち上がりを� ��らせられるため、スイッチ素子S1における� �ール電流によるスイッチング損失をより小� �くできる。

 上述のようにS101~S106の処理を一サイクル� ��してソフトスイッチング処理を行うことで� ��FC昇圧コンバータ12におけるスイッチング損 失を可及的に抑制した上で、燃料電池11の出� ��電圧を昇圧しインバータ15に供給可能とな� �。その結果、高電圧低電流モータであるモ� �タ16を効率的に駆動することが可能となる。

 ここで、燃料電池システム10においては� �上記ソフトスイッチング処理に加えて、FC昇 圧コンバータ12の間欠運転制御を行うことで� ��システム効率を向上させる。説明を簡潔に� ��るために、燃料電池11とインバータ15及びモ ータ16との関係に着目すると、モータ16に対� �るメイン電力源である燃料電池11からの電力 は、FC昇圧コンバータ12を介してインバータ15 側へ供給される。そして、メイン電力源であ る燃料電池11がモータ16の駆動に際してイン� �ータ15に印加すべき電圧は、モータ16の逆起� ��力に十分に抵抗できる電圧でなければなら� ��い。従って、上記FC昇圧コンバータ12が備え られていない従来の燃料電池システムでは、 図5に示すように、車両1の採り得る速度範囲( 0~VSmax)において、LV1で示される燃料電池によ� ��て印加される電圧が、常にモータ駆動に必� ��な、インバータ15に印加すべき電圧(以下、� ��モータ必要電圧」という。)を超えた状態と しなければならない。そのため、インバータ に印加されるべき電圧を大きく超えた電圧が インバータに印加されることになり、インバ ータのスイッチング損失が大きくなっていた 。そして、特に車両1の速度が低い領域では� �インバータのスイッチング損失が顕著とな� �得る。

 ここで、本発明に係る燃料電池システム1 0では、FC昇圧コンバータ12が設けられている� ��め、燃料電池11からの電圧を昇圧してイン� �ータ15に印加することは可能である。しかし 、このFC昇圧コンバータ12による昇圧動作で� �、スイッチ素子による何らかのスイッチン� �損失が発生するため、当該昇圧動作はシス� �ムの効率を低下させる一因となる。一方で� �上述したように、モータ16は高電圧低電流仕 様のモータであるため、その回転数の上昇に 伴い発生する逆起電圧も大きくなっていき、 FC昇圧コンバータ12による昇圧動作は不可欠� �なる。

 そこで、燃料電池11からの出力電圧とイ� �バータ15に印加すべきモータ必要電圧の相関 を、図6においてそれぞれLV1、LV2で示す。図6� ��LV2で示すように、モータ16の逆起電圧は、� �両1の速度が上昇していくに従い、増加して� ��くため、モータ必要電圧も車両速度の増加� ��ともに増加していく。ここで、燃料電池11� �出力電圧LV1とモータ必要電圧LV2との相関に� �いて、両者が交差するときの車両1の速度VS0� ��、ユーザによる車両1の通常操縦を概ね賄う 速度となるように、燃料電池11の電圧特性と� ��ータ16の電圧特性とを決定すればよい。本� �施例においては、車両運転法規やユーザの� �常操縦の傾向等から、VS0を110km/hと設定する� ��そして、この速度VS0での車両1の走行を可能 とするモータ16の駆動時の最大出力を算出し� ��当該最大出力の発揮が可能となるように、� ��ンバータ15に印加すべき電圧(モータ必要電� ��)を導出する。そして、このモータ必要電圧 が、FC昇圧コンバータ12を介さずに燃料電池11 から直接に出力可能となるように、燃料電池 11の設計(例えば、複数のセルが積層されて形 成される燃料電池では、その積層セル数が調 整される等)が行われる。

 このように設計された燃料電池11を含む� �料電池システム10では、車両1の速度がVS0に� �るまでの間は、燃料電池11からの出力電圧が 、モータ16を駆動するためのモータ必要電圧� ��りも高いため、たとえモータ16が高電圧低� �流仕様のモータであっても、FC昇圧コンバー タ12の昇圧動作が無くとも燃料電池11からの� �接の出力電圧によって該モータ16を駆動する ことが可能となる。換言すると、この条件下 では、FC昇圧コンバータ12によるスイッチン� �動作を停止させて、燃料電池11からの出力電 圧をインバータ15に印加することで、モータ1 6の駆動を確保できることになる。これによ� �、FC昇圧コンバータ12でのスイッチング損失� ��、完全に排除することができる。更には、F C昇圧コンバータ12が停止することでインバー タ15に印加される電圧が過度に高くならない� ��め、即ち、図5に示す状態よりもLV1とLV2との 電圧差を小さくする抑えることができるため 、インバータ15でのスイッチング損失を低く� ��えることができる。

 一方で、車両1の車両速度がVS0以上となる と、逆にモータ16を駆動するためのモータ必� ��電圧が、燃料電池11からの出力電圧よりも� �くなるため、FC昇圧コンバータ12による昇圧� ��作が必要となる。この場合、上述したソフ� ��スイッチング処理を行うことで、FC昇圧コ� �バータ12でのスイッチング損失を可及的に抑 えることが可能となる。

 上記までは、説明の簡便化のために、燃� ��電池11とモータ16との相関にのみ着目してい るが、図1に示すように燃料電池システム1に� ��いては、モータ16に対してバッテリ13からの 電力供給も可能である。バッテリ13から電力� ��給される場合は、バッテリ13からの出力電� �がバッテリ昇圧コンバータ14によって昇圧さ れた上で、インバータ15に印加されることに� ��る。ここで、バッテリ昇圧コンバータ14は� �いわゆる昇圧コンバータであるため、バッ� �リ13からインバータ15に電力供給を行うため� ��は、バッテリ昇圧コンバータ14の出口電圧(� ��ンバータ15側の電圧であり、FC昇圧コンバー タ12の出口電圧と同等)が、その入口電圧(バ� �テリ13側の電圧)と比較して同じか、又はよ� �高い状態でなければならない。

 そこで、バッテリ13の出力電圧と燃料電� �11の出力電圧の相関について、図7Aおよび図7 Bに基づいて説明する。両図では、ともにバ� �テリ13のIV特性(図中、点線LBTで示される。)� �、燃料電池11のIV特性(図中、実線LFCで示され る。)とが示されている。ここで、図7Aで、燃 料電池11のIV特性LFCがバッテリ13のIV特性LBTよ� ��高い領域においては、FC昇圧コンバータ12を 停止させたとしてもバッテリ13の出力電圧がF C昇圧コンバータ12の出口電圧より低い状態と なるので、バッテリ昇圧コンバータ14が昇圧� ��作可能となり、以てバッテリ13からモータ16 への電力供給ができる。従って、この状態で はFC昇圧コンバータ12の動作停止が許容され� �。一方で、バッテリ13のIV特性LBTが、燃料電� ��11のIV特性LFCより高い領域においては、FC昇� ��コンバータ12を停止させるとバッテリ13の出 力電圧がFC昇圧コンバータ12の出口電圧より� �い状態となるので、バッテリ昇圧コンバー� �14の昇圧動作による燃料電池11とバッテリ13� �出力分配制御が不可能となる。従って、こ� �状態ではFC昇圧コンバータ12の動作停止が許� ��されない。

 即ち、バッテリ昇圧コンバータ14によっ� �バッテリ13からの出力電圧を昇圧して、モー タ16に電圧を印加する場合には、FC昇圧コン� �ータ12の出口電圧が、バッテリ13の出力電圧( バッテリ昇圧コンバータ14の入口電圧)より高 い状態を形成する必要があり、そのためにFC� ��圧コンバータ12の動作停止が許容されない� �合がある。例えば、図7Aに示すように、比較 的低電流領域で、燃料電池11のIV特性LFCがバ� �テリ13のIV特性LBTより低くなる場合には、バ� ��テリ昇圧コンバータ14の昇圧動作を確保す� �ために、FC昇圧コンバータ12の動作停止は許� ��されず、その結果、上述したスイッチング� ��失の低減を図る可能性が低下する。一方で� ��例えば、図7Bに示すように、燃料電池11のIV� ��性LFCがバッテリ13のIV特性LBTより常に上にあ る場合には、バッテリ昇圧コンバータ14の昇� ��動作確保の観点から、FC昇圧コンバータ12の 動作停止が制限されることはない。

 尚、上述までのバッテリ昇圧コンバータ1 4の昇圧動作確保に関するFC昇圧コンバータ12� ��動作制限は、図1に示す燃料電池システム10� ��含まれるバッテリ昇圧コンバータ14が昇圧� �のコンバータ(即ち、降圧動作を行えないコ� ��バータ)であることに起因する。従って、燃 料電池システム10において、バッテリ昇圧コ� ��バータ14に代えて、昇圧動作および降圧動� �が可能な昇降圧型のコンバータを採用する� �合は、FC昇圧コンバータ12は上記の動作制限� ��縛られることはなく、燃料電池11、バッテ� �13からの出力電圧を選択的にモータ16に印加� ��きる。

 以上より、本実施例においては、想定さ� ��る車両1の駆動に基づいて必要なバッテリ13� ��IV特性と燃料電池11のIV特性を決定し、両IV� �性の相関および燃料電池11の出力電圧とモー タ必要電圧との関係から、図8Aおよび図8Bの� �ップに示すようなFC昇圧コンバータ12の昇圧� ��作のための制御領域を画定した。以下に、F C昇圧コンバータ12の昇圧動作について、詳細 に説明する。

 図8Aおよび図8Bは、FC昇圧コンバータ12の� �口電圧を横軸とし、その出口電圧を縦軸と� �て形成される動作領域に対して、該FC昇圧コ ンバータ12において実行される処理を関連付� ��て表示したマップである。尚、図8Aは、燃� �電池システム10に含まれるバッテリ昇圧コン バータ14が昇圧型のコンバータであるときの� ��ップであり、図8Bは、該昇圧型のバッテリ� �圧コンバータ14に代えて、昇降圧型のコンバ ータを採用したときのマップである。先ず、 図8Aに示すマップについて説明する。ここで� ��当該マップには、FC昇圧コンバータ12による 昇圧比が1であること、即ち該入口電圧と該� �口電圧との比が1:1であることを意味する直� �LR1と、その昇圧比が2近傍の値(図中では、昇 圧比を単に「2」と示す。)であることを意味� ��る直線LR2と、その昇圧比が10であることを� �味する直線LR3と、該FC昇圧コンバータ12の最� ��出力電圧を意味する直線LR4が記載されてい� ��。直線LR2については、図9、図10A、10Bに基づ いて後述する。また、直線LR3は、FC昇圧コン� ��ータ12による最大昇圧比を示している。従� �て、FC昇圧コンバータ12の動作範囲は、直線L R1、LR3、LR4で囲まれる領域であることが分か� ��。

 ここで、車両1の想定速度範囲で、最もモ ータ16にかかる負荷が低い場合、即ち道路の� ��擦抵抗程度の負荷がかかる場合(図中、負荷 率=R/L (Road Load))のFC昇圧コンバータ12の入口� ��圧とその出口電圧との関係が、一点鎖線LL1� ��示されている。一方で、同じように車両1の 想定速度範囲で、最もモータ16にかかる負荷� ��高い場合、即ち車両1のアクセル開度が100%� �ある場合(図中、負荷率=100%)のFC昇圧コンバ� �タ12の入口電圧とその出口電圧との関係が、 一点鎖線LL2で示されている。従って、車両1� �搭載される燃料電池システム10は、車両1を� �動させるという観点からは、一点鎖線LL1とLL 2とで挟まれた領域で示される昇圧動作を、FC 昇圧コンバータ12に行わせることになる。

 図8Aに示すマップでは、FC昇圧コンバータ 12の動作領域をRC1~RC4の4つの領域に区分して� �る。これらの領域では、それぞれFC昇圧コン バータ12の動作に関し特徴的な動作が行われ� ��以下に各領域でのFC昇圧コンバータ12の動作 を説明する。先ず、昇圧比1を示す直線LR1以� �の領域として、領域RC1が画定されている。� �の領域RC1では、モータ16を駆動するために必 要とされる昇圧比が1以下であるので(現実に� ��FC昇圧コンバータ12は昇圧コンバータである ので、昇圧比を1以下にすること、即ち降圧� �できないことに注意されたい。)、結果的に� ��FC昇圧コンバータ12を停止させて、燃料電池 11の出力電圧を直接インバータ15に印加する� �とが可能となる。そこで、FC昇圧コンバータ 12の入口電圧となる燃料電池11の出力電圧が� �燃料電池11の最大電圧のVfcmaxと、バッテリ13� ��開放電圧(OCV: Open Circuit Voltage)と同値のVfcb との間の範囲であって、且つ直線LR1および一 点鎖線LL1とで囲まれて画定される領域RC1にお いては、FC昇圧コンバータ12の昇圧動作を完� �に停止させる。これにより、FC昇圧コンバー タ12におけるスイッチング損失を抑えること� ��可能となる。このように、電圧Vfcbを境界と してFC昇圧コンバータ12の動作停止が制約を� �けるのは、上述の通りバッテリ昇圧コンバ� �タ14が昇圧型のコンバータでありその昇圧動 作確保のためである。

 次に、領域RC2について説明する。この領� ��は、FC昇圧コンバータ12の入口電圧が上記の Vfcb以下であって、且つ該FC昇圧コンバータ12� ��出口電圧がバッテリ13のOCV以下、即ちVfcbと� ��値の電圧以下である領域として画定される� ��即ち、この領域RC2においては、FC昇圧コン� �ータ12の昇圧動作を行わないとバッテリ昇圧 コンバータ14の出口電圧が入口電圧より低く� ��り該バッテリ昇圧コンバータ14の昇圧動作� �不可能となる領域であり、また仮にFC昇圧コ ンバータ12の昇圧動作を行ったとしても、そ� ��昇圧比が低いため同様にバッテリ昇圧コン� ��ータ14の昇圧動作が不可能となる領域でも� �る。

 このように画定される領域RC2では、領域R C1と同様に、FC昇圧コンバータ12を停止させて 、そのスイッチング損失が発生しないように する。そして、バッテリ昇圧コンバータ14に� ��制御可能な最低電圧に燃料電池11の端子電� �を制御する。尚、図では、理想的な昇圧コ� �バータを使用した場合にその電圧はバッテ� �13のOCVに等しいと仮定して、上記Vfcbを設定� �ている。この状態は、バッテリ13の放電電力 が許す限り継続される。

 尚、この領域RC2は、モータ16の駆動状態� �変遷する中で、FC昇圧コンバータ12の動作領� ��が上記領域RC1から、後述する領域RC3に移行� ��る際に介在する過渡的な領域である。従っ� ��、バッテリ昇圧コンバータ14が昇圧型のコ� �バータである場合には、この過渡的な領域RC 2が可能な限り小さくなるように、図7A、7Bに� ��づいて説明した燃料電池11のIV特性とバッテ リ13のIV特性との相関を適切に調整するのが� �ましい。

 ここで、直線LR1より下の領域に関して、� ��8Bに示すマップ、即ち燃料電池システム10に おいてバッテリ昇圧コンバータ14に代えて昇� ��圧型のコンバータが採用されたときのマッ� ��について説明する。この場合、昇降圧型の� ��ンバータによってバッテリ13の出力電圧を� �圧することが可能であるから、上述したよ� �にFC昇圧コンバータ12の動作停止について上� ��電圧Vfcbによる制約を受けることがなくなる 。従って、図8Bに示すように、直線LR1よりも� ��の領域については、FC昇圧コンバータ12の動 作を制約無く停止しシステムの効率を向上さ せることが容易となる。従って、この結果、 図8Bにおいては上記領域RC2に相当する領域が� ��在しないことになる。ここで、以下に示す� ��ップの説明は、図8Aおよび図8Bに共通に当て はまるため、その説明はまとめて行う。

 上述までの領域RC1、RC2以外の動作領域で� ��、FC昇圧コンバータ12を駆動させて、燃料電 池11の出力電圧の昇圧動作を行うことになる� ��この昇圧動作においては、図4A~4Fに基づい� �説明したソフトスイッチング処理が実行さ� �ることで、FC昇圧コンバータ12でのスイッチ� ��グ損失を可及的に抑制する。ここで、この� ��フトスイッチング処理が行われる動作領域� ��、直線LR2で準ソフトスイッチ領域RC3とソフ� ��スイッチ領域RC4とに区分けされる。以下に� ��準ソフトスイッチ領域RC3とソフトスイッチ� ��域RC4とについて、詳細に説明する。

 先ず、直線LR2の技術的意義について説明� ��る。上述したように、直線LR2は、FC昇圧コ� �バータ12による昇圧比が2近傍の値となるこ� �を意味する直線である。本発明に係るFC昇圧 コンバータ12の電気的構造は、図2に示すとお りであるが、上述したソフトスイッチング処 理の一連のフローにおけるモード2の動作に� �いて、補助回路12bのコイルL2とスナバコンデ ンサC2による半波共振を利用したスナバコン� ��ンサC2の放電が行われる。このモード2の動� ��においてFC昇圧コンバータ12内で実際に稼動 している部分のみを抜き出すと、図9に示す� �路構成となる。

 そして、図9に示す回路構成において、ス ナバコンデンサC2内に充電されている電荷を� ��全に放電しなければ、その後のモード3の動 作で、スイッチ素子S1に電圧がかかった状態� ��、スイッチ素子S1のターンオンによる電流� �流れるため、結果としてスイッチング損失� �発生することになる。従って、このモード2� ��おけるスナバコンデンサC2の電荷を完全に� �電することが重要であることが理解される� �、そのためにはモード1の動作時点でコイルL 2に蓄えられているエネルギがスナバコンデ� �サC2に蓄えられているエネルギよりも大きく なければならない。換言すると、FC昇圧コン� ��ータ12の出口電圧VHが、その入口電圧VLより� ��所定量以上高くならなければならない。

 そこで、該出口電圧と該入口電圧との比V H/VLと、上記放電時のスナバコンデンサC2に残 る電圧との関係を、図10Aおよび10Bに基づいて 説明する。尚、図10Aが比VH/VLが2を超える場合 のスナバコンデンサC2の電圧推移を示し、図1 0Bが比VH/VLが2未満の場合のスナバコンデンサC 2の電圧推移を示している。図10Aに示す場合� �、VH-VLの値はVLよりも大きくなるため、半波� ��振が生じるとスナバコンデンサC2の電圧は� �ダイオードD2の作用もありゼロとなる。一方 で、図10Bに示す場合では、VH-VLの値はVLより� �小さくなるため、半波共振が生じたとして� �スナバコンデンサC2の電圧は、一定値以上残 ることになる。従って、このような場合に上 記ソフトスイッチング処理を行っても幾分か のスイッチング損失が発生することになる。 以上より、ソフトスイッチング処理によるス イッチング損失の抑制が効果的に行われ得る か否かを判断する基準として、直線LR2が存在 することになる。

 尚、理論的には比VH/VLが2倍以上あれば、� ��電後のスナバコンデンサC2の電圧はゼロと� �るが、実際にはダイオードや配線内でのエ� �ルギ損失が発生するため、比VH/VLは2倍を超� �る値(例えば、2.3等)が好ましい。そして、一 点鎖線LL1とLL2で挟まれた動作領域中、領域RC1 、RC2を除いた領域を、直線LR2が二つに分割し 、直線LR2より下に位置する領域を、上記理由 によりソフトスイッチング処理を行ってもス イッチング損失を効率的に抑制するのが難し い準ソフトスイッチ領域RC3とし、直線LR2より 上に位置する領域を、ソフトスイッチング処 理によるスイッチング損失の抑制が効率的に 行われるソフトスイッチ領域RC4とする。

 このように、FC昇圧コンバータ12の動作領 域は、所定の領域RC1~RC4に区分けできるが、� �ソフトスイッチ領域RC3では、上述したよう� �FC昇圧コンバータ12のスイッチング損失を十� ��に抑制することができないため、燃料電池� ��ステム10の効率化の観点から、この領域でFC 昇圧コンバータ12が昇圧動作を行うことは可� ��的に回避するが好ましい。そこで、燃料電� ��システム10の効率化を促進するための、FC昇 圧コンバータ12の制御の一例について、図11A� ��基づいて説明する。図11Aに示すFC昇圧コン� �ータ制御は、ECU20によって、燃料電池11で発� ��された電力がモータ16に供給されるときに� �行される。尚、上記準ソフトスイッチ領域RC 3における昇圧動作については、燃料電池シ� �テム10のより良い効率のために可及的に回避 することが好ましいのは上述の通りであるが 、本発明に係る燃料電池システム10は当該昇� ��動作を完全に排除するものではなく、必要� ��応じて当該昇圧動作を利用してもよい。

 先ず、S201では、エンコーダによって検出 されたモータ16の実際の回転数に対応する、� ��モータ16が最大出力し得る最大トルクを算� �する。具体的には、モータ16の回転数とそれ に対応した最大トルクとが関連付けられてい るマップをECU20が有しており、検出された回� ��数に従って該マップにアクセスすることで� ��ータ16の最大トルクが算出される。S201の処� ��が終了すると、S202へ進む。

 S202では、アクセルペダルセンサ21によっ� ��検出されたアクセルペダルの開度に基づい� ��、モータ16に出力要求されている要求トル� �が算出される。アクセルペダルの全開が、� �ータ16の現時点での回転数における最大トル クを要求していると定義すると、全開時の係 数を100%、全閉時の係数を0%として、以下の式 に従って要求トルクが算出される。S202の処� �が終了すると、S203へ進む。

 (要求トルク)=(上記最大トルク)×(アクセル� �ダルの開度に応じた係数)
 S203では、S201とS202での算出結果に基づいて� ��モータ16に要求されている出力である要求� �力が、以下の式に従って算出される。S203の� ��理が終了すると、S204へ進む。
 (要求出力)=(要求トルク)×(モータの回転数)

 S204では、S203で算出された要求出力とモ� �タ16の回転数に基づいて、必要な電力がモー タ16に供給されるように、インバータ15に印� �されるべき電圧であるモータ必要電圧(Vmot)� �算出される。具体的には、モータ16の回転数 (rpm)と上記要求出力(P)で形成される関数Fと、 モータ必要電圧とが関連付けられているモー タ必要電圧マップをECU20が有しており、モー� ��の回転数と要求出力とに従ってこのマップ� ��アクセスすることで、モータ必要電圧が算� ��される。モータ必要電圧マップは、実験等� ��よって予め決定され得るもので、その一例� ��しては、モータ16の回転数が高くなるに従� �その逆起電圧が高くなるため要求電圧値は� �くなるべきであり、要求出力が高くなると� �の出力をより少ない電流で達成するために� �求電圧値は高くなるべきであるので、これ� �の点が関数Fとモータ必要電圧との相関に反� ��されている。S204の処理が終了すると、S205� �進む。

 S205では、アクセルペダルセンサ21によっ� ��検出されたアクセルペダルの開度に従って� ��電が行われている燃料電池11の出力電圧(Vfc) が検出される。この検出は、図示されない電 圧センサを介して行われる。S205の処理が終� �すると、S206へ進む。S206では、S204で算出さ� �たモータ必要電圧を、S205で検出された燃料� ��池11の出力電圧で除して暫定昇圧比Rt(=Vmot/Vf c)が算出される。S206の処理が終了すると、S20 7へ進む。

 S207では、FC昇圧コンバータ12を停止させ� �ことが可能か否かが判定される。即ち、FC昇 圧コンバータ12の動作領域が、上記領域RC1も� ��くはRC2の何れかに属するか否かが判定され� ��。具体的には、S206で算出された暫定昇圧比 が1未満で、且つ燃料電池11の出力電圧がVfcmax とVfcbの間であるときは、FC昇圧コンバータ12� ��動作領域はRC1であり、また燃料電池11の出� �電圧がVfcb以下であって且つ該FC昇圧コンバ� �タ12の出口側電圧がVfcbと同値の電圧以下で� �るときは、FC昇圧コンバータ12の動作領域はR C2であると判定される。尚、Vfcb、Vfcmaxの値は 、実際の燃料電池11およびバッテリ13の仕様� �従って予め決定しておけばよい。また、FC昇 圧コンバータ12の出口側の電圧は、図示され� ��い電圧センサを介して検出される。

 そして、S207で肯定判定される場合は、S20 8へ進み、FC昇圧コンバータ12が停止され、燃� ��電池11からの出力電圧は、インバータ15に直 接印加される。これにより、FC昇圧コンバー� ��12でのスイッチング損失を抑制することが� �きる。尚、上述したように、FC昇圧コンバー タ12の動作領域がRC1に属する場合には、バッ� ��リ13からインバータ15への昇圧後の印加も可 能だが、該動作領域がRC2に属する場合には、 バッテリ昇圧コンバータ14にて制御可能な最� ��電圧に燃料電池11の端子電圧を制御する。� �方で、S207で否定判定されると、S209へ進む。

 S209では、S206で算出された暫定昇圧比Rtが 2を超えるか否かが判定される。即ち、FC昇圧 コンバータ12の動作領域がソフトスイッチ領� ��RC4にあるか、準ソフトスイッチ領域RC3にあ� ��かが判定される。S209で肯定判定されると、 FC昇圧コンバータ12の動作領域がソフトスイ� �チ領域RC4にあることを意味するのでS210へ進� ��、FC昇圧コンバータ12の目標の出力電圧がモ ータ必要電圧Vmotとなるように図3で示したソ� ��トスイッチング処理が実行される。尚、ス� ��ッチ素子S1のデューティ比は、暫定昇圧比Rt に従って決定される。一方で、S209で否定判� �されると、FC昇圧コンバータ12の動作領域が� ��ソフトスイッチ領域RC3にあることを意味す� ��。そこでこの場合はS211に進む。

 S211では、燃料電池システム10においてS206 で算出された暫定昇圧比Rtによる電圧昇圧に� ��えて、更に追加的な電圧昇圧(以下、単に「 追加的電圧昇圧」という。)が許容されるか� �かが判定される。言い換えると、S209で否定� ��定されるということは、FC昇圧コンバータ12 の動作領域が現時点では準ソフトスイッチ領 域RC3にあることを意味するので、その動作領 域をソフトスイッチ領域RC4に移行することが 可能か否かが判定される。即ち、当該動作領 域を準ソフトスイッチ領域RC3からソフトスイ ッチ領域RC4に移行させるために追加的電圧昇 圧を行おうとすると、インバータ15に印加さ� ��る電圧が必要なモータ必要電圧よりも高く� ��る。その結果、インバータ15内でのスイッ� �ング損失が大きくはなるが、FC昇圧コンバー タ12のスイッチング損失の減少分と、インバ� ��タ15のスイッチングロスの増加分とを比較� �たとき、前者の減少分が大きい場合もあり� �、その場合この追加的電圧昇圧は、システ� �効率の観点から非常に有用である。そこで� �S211では、この追加的電圧昇圧が許容される� ��否かが判定されることになる。S211で肯定判 定されると、S212へ進み、追加的電圧昇圧の� �めの追加昇圧比Raが決定される。この追加昇 圧比Raは、FC昇圧コンバータ12による最終的な 昇圧比(Rt×Raによる昇圧比)が、直線LR2で決め� ��れる昇圧比(例えば、昇圧比2)を超えるよう� ��するために必要な追加的な昇圧比である。� ��して、S212の処理後、S213へ進み、FC昇圧コン バータ12の目標の出力電圧が燃料電池11の出� �電圧Vfcに昇圧比Rtと追加昇圧比Raを掛け合わ� ��て算出される電圧となるように図3で示した ソフトスイッチング処理が実行される。尚、 スイッチ素子S1のデューティ比は、暫定昇圧� ��Rtと追加昇圧比Raの積に従って決定される。

 このように、S209で否定判定された時点で は、本来的にはFC昇圧コンバータ12の動作領� �は準ソフトスイッチ領域RC3であり、その状� �でソフトスイッチング処理を行っても上述� �たように、スイッチング損失を十分に抑制� �ることが困難である。この場合には、FC昇圧 コンバータ12による昇圧比に上記追加昇圧比R aを考慮することで、本来的にモータ16の駆動 に要する電圧よりも更に電圧を上げてFC昇圧� ��ンバータ12の動作領域をソフトスイッチ領� �RC4とする。その結果、スイッチング損失を� �果的に抑制することが可能となる。

 一方で、S211で否定判定されると、S214へ� �み、FC昇圧コンバータ12の動作領域がRC3の状� ��で、上記ソフトスイッチング処理が行われ� ��。燃料電池11が上記追加的電圧昇圧が許容� �れない状態にあるとき、即ち上述のように� �圧を追加的に昇圧させることでインバータ15 におけるスイッチング損失が顕著になる状態 では、S212及びS213の処理は行われない。

 この図11Aに示すFC昇圧コンバータ制御に� �れば、モータ16の駆動を確保することを前提 に、FC昇圧コンバータ12の昇圧動作を可能な� �り停止することができ、以てスイッチング� �失を抑えることができる。また、FC昇圧コン バータ12を昇圧動作させる場合であっても、� ��の動作領域を可能な限りソフトスイッチ領� ��RC4とした上でソフトスイッチング処理が行� ��れるため、FC昇圧コンバータ12のスイッチン グ損失を可及的に抑制することが可能となる 。

 以上、本発明の一実施形態に係る燃料電� ��用昇圧コンバータを備える燃料電池システ� ��によれば、平滑コンデンサC1が燃料電池11と コイルL1とを繋ぐ電路上に接続されている。� ��って、ステップS102の処理においてスナバコ ンデンサC2に蓄電されていた電荷を、補助回� ��12bを介して主昇圧回路12aへ流す際(図4B)、こ の電荷によって燃料電池11側へ高電圧が印加� ��れるのを緩和することが可能になる。

 <変形例1>なお、FC昇圧コンバータ12は 、次のように変形してもよい。すなわち、上 記FC昇圧コンバータ12の回路は、ソフトスイ� �チング時、スナバコンデンサC2に蓄えられた 回生電力が燃料電池11へ入力されないように� ��るため、スナバコンデンサC2から燃料電池11 へ流れる電気回路上に平滑コンデンサC1を設� ��ているが、平滑コンデンサC1の他、以下の� �うな素子を用いることが可能である。例え� �、スナバコンデンサC2から燃料電池11へ流れ� ��電路上に、一端が接地されたツェナダイオ� ��ド、又はバリスタを設ける。これにより、� ��料電池11に規定電圧以上の電圧が入力され� �のを抑制することができる。図11Bは、本変� �例に係るFC昇圧コンバータ12の電気回路の一� ��成例を示す。図11Bに示すように、本変形例� ��係るFC昇圧コンバータ12は、スナバコンデン サC2から燃料電池11へ流れる電気回路上に、� �端が接地されたツェナダイオードZDやバリス タV、整流器であるダイオードD6を備える。燃 料電池11へ回生電力が流れるのを抑えるこれ� ��素子(平滑コンデンサC1、ツェナダイオードZ D、バリスタV、ダイオードD6)は、何れか一つ� ��設けられていてもよいし、これらを多数組� ��合わせた状態で設けていてもよい。

 平滑コンデンサC1を適用する場合、スナ� �コンデンサC2から流れる回生電力によって燃 料電池11へ高電圧が印加されるのを抑制する� ��果が発揮される他、燃料電池11の出力電圧� �変動を緩和することも可能である。また、� �ェナダイオードZDやバリスタVを適用する場� �、これら素子の設定電圧を、燃料電池11を保 護する観点から決定される規定電圧に設定す る。規定電圧とは、燃料電池11に入力される� ��圧であり、例えば、燃料電池11の触媒電極� �触媒の凝集等により劣化し始める電圧より� �低い電圧である。ツェナダイオードZDやバリ スタVによれば、通常運転時に電流が流れる� �とが無いため無用の電力を消費することが� �くなり、車両1の燃費に与える影響が無い。� ��た、ツェナダイオードZDやバリスタVであれ� ��、回生電力に起因する燃料電池11の端子電� �の上昇防止の他、燃料電池11の制御性等に起 因する燃料電池11の端子電圧の上昇等も防ぐ� ��とが可能である。ダイオードD6を適用する� �合、スナバコンデンサC2から流れる回生電力 が燃料電池11へ流れないようにするため、図1 1Bに示すように燃料電池11と主昇圧回路12aと� �繋ぐ電路に接続する。ダイオードD6を適用す ることにより、スナバコンデンサC2に蓄電さ� ��ていた電荷が補助回路12bを介して主昇圧回� ��12へ回生される際、回生電力が燃料電池11側 へ逆流しなくなり、燃料電池11へ回生電力が� ��加されることがなくなる。

 <変形例2>なお、FC昇圧コンバータ12は 、次のように変形してもよい。すなわち、上 記FC昇圧コンバータ12の回路は、ソフトスイ� �チング時、スナバコンデンサC2に蓄えられた 回生電力が燃料電池11と主昇圧回路12aとを繋� ��電路上に戻るように回路が構成されている� ��、副昇圧回路12bはスナバコンデンサC2に蓄� �られた電荷を二次電池であるバッテリ13に流 して充電するようにしてもよい。図11Cは、本 変形例に係るFC昇圧コンバータ12の電気回路� �一構成例を示す。図11Cに示すように、副昇� �回路12bのスイッチ素子S2の一端をバッテリ13� ��接続する。これにより、スナバコンデンサC 2に蓄えられた電荷を放出させる際、この電� �をバッテリ13に充電することが可能になる。 これによれば、スナバコンデンサC2から放出� ��れる回生電力が燃料電池11へ流れることが� �いため、燃料電池11へ高電位電圧が印加され て触媒電極等が劣化する虞が無くなる。また 、上記燃料電池システム10においては、バッ� ��リ13の出力電圧が燃料電池11の出力電圧より も低く設定されているため、スナバコンデン サC2に蓄えられた電荷を主昇圧回路12aへ回生� ��せる場合に比べ、より確実にスナバコンデ� ��サC2から電荷を放出させることが可能であ� �。よって、図10Bを用いて指摘したように、� �VH/VLが2未満の際に生じるスイッチング損失� �ついても、スナバコンデンサC2に蓄えられた 電荷をバッテリ13へ放電させる回路構成を取� ��ことにより解消することが可能となる。

 なお、燃料電池11を保護する観点で設け� �れる上述の平滑コンデンサC1、ツェナダイオ ードZD、バリスタV、ダイオードD6等の素子や� ��記変形例2のような回路構成により得られる 電源保護の効果は、これら素子や回路構成を 燃料電池以外の電源電圧を昇圧するコンバー タに適用しても得ることが可能である。すな わち、本発明は、燃料電池以外の電源を動力 源とする電気自動車や、電力を駆動力とする あらゆる電気機器等に適用することが可能で ある。

 <変形例3>上記実施例で説明したように� ��図11Aに示すFC昇圧コンバータ制御における� �理S205では、アクセルペダルセンサ21によっ� �検出されたアクセルペダルの開度に従って� �電が行われている燃料電池11の出力電圧が検 出される。本変形例では、燃料電池11の出力� ��圧の検出について、該燃料電池11の出力(以� ��、FC出力という)に基づいて、燃料電池11の� �力電圧を算出することとする。ここで、FC出 力は、以下の式(1)に従って算出される。
 (FC出力)=(要求出力)+(補機要求出力)+(バッテ� ��充電(放電)出力)・・・(1)

 補機要求出力は、水素タンク17やコンプ� �ッサ18等の補機に要求されている出力であり 、バッテリ充電出力は、充電時におけるバッ テリ13に要求されている出力であり、バッテ� ��放電出力は放電時におけるバッテリ13の出� �である。バッテリ13の残蓄電量がSOC閾値未満 であれば、バッテリ充電出力を上記式(1)に算 入し、FC出力を算出する。バッテリ13の残蓄� �量がSOC閾値以上であれば、バッテリ放電出� �を上記(1)にマイナス分として算入し、FC出力 を算出する。そして、上記式(1)で算出したFC� ��力に基づいて、燃料電池11の出力電圧が算� �される。具体的には、FC出力と燃料電池11の� ��力電流とが関連付けられているIP特性MAP及� �燃料電池11の出力電流と燃料電池11の出力電� ��とが関連付けられているIV特性マップをECU20 が有しており、FC出力に従ってこれらのマッ� ��にアクセスし、燃料電池11の出力電圧が算� �される。本変形例によれば、補機に要求さ� �ている出力やバッテリ13の残蓄電量を加味し て、FC出力を算出することにより、補機に要� ��されている出力やバッテリ13の残蓄電量を� �慮して、燃料電池11の出力電圧を算出するこ とができる。

 また、上記式(1)を以下に示す式(2)のように� ��形してもよい。
 (FC出力)=(要求出力)+(補機要求出力)+(バッテ� ��充電(放電)出力)+(FC昇圧コンバータ12のスイ� ��チング損失)+(バッテリ昇圧コンバータ14の� �イッチング損失)・・・(2)
 このように変形することにより、FC昇圧コ� �バータ12のスイッチング損失やバッテリ昇圧 コンバータ14のスイッチング損失を更に加味� ��て、FC出力を算出することにより、FC昇圧コ ンバータ12のスイッチングの損失分やバッテ� ��昇圧コンバータ14のスイッチングの損失分� �考慮して、燃料電池11の出力電圧を算出する ことができる。

 FC昇圧コンバータ12のスイッチング損失は 、FC昇圧コンバータ12の出入口に、電流セン� �及び電圧センサを設け、FC昇圧コンバータ12� ��出入口側の電流及び電圧を測定することに� ��り算出する。また、バッテリ昇圧コンバー� ��14のスイッチング損失は、バッテリ昇圧コ� �バータ14の出入口に、電流センサ及び電圧セ ンサを設け、バッテリ昇圧コンバータ14の出� ��口側の電流及び電圧を測定することにより� ��出する。ここで、FC昇圧コンバータ12及びバ ッテリ昇圧コンバータ14がともに昇圧動作を� ��っている場合には、FC昇圧コンバータ12のス イッチング損失及びバッテリ昇圧コンバータ 14のスイッチング損失を加味してFC出力を算� �する。一方、バッテリ昇圧コンバータ14のみ が昇圧動作を行っている場合には、バッテリ 昇圧コンバータ14のスイッチング損失のみを� ��味してFC出力を算出する。

 また、モータ16を駆動するためのインバ� �タ15への電圧印加について、該モータ16の駆� ��効率を考慮するのが好ましい。例えば、上� ��実施例で説明したように、燃料電池11から� �ータ16への電力供給時に、FC昇圧コンバータ1 2を停止させない場合、インバータ15に印加さ れる電圧をFC昇圧コンバータ12によって昇圧� �せる。本変形例では、インバータ15に印加さ れる電圧を、要求トルクとモータ16の回転数� ��に基づいて、インバータ15、モータ16を含む 負荷の効率特性とインバータ15に印加される� ��圧とを関連付けたマップから決定する。そ� ��て、FC昇圧コンバータ12の昇圧動作により、 燃料電池11の出力電圧を上記決定した電圧に� ��圧させ、インバータ15に印加する。例えば� �インバータ15の効率特性はインバータ15に印� ��される電圧に対するインバータ15の変換効� �であり、モータ16の効率特性はモータ16に印� ��される電圧に対するモータ16の駆動効率で� �る。

 本変形例では、負荷の効率特性を決定し� ��要求トルクとモータ16の回転数との関係か� �、図12A、図12B及び図12Cに示すような負荷の� �率特性の領域を画定する。図12A、図12B及び� �12Cは、要求トルクを縦軸とし、モータ16の回 転数を横軸として、負荷の効率特性の領域を 効率の高低により段階的に区分して表示した マップである。図12Aは、インバータ15に印加� ��る電圧が高である場合における負荷の効率� ��性の領域を表示したマップである。図12Bは� ��インバータ15に印加する電圧が中である場� �における負荷の効率特性の領域を表示した� �ップである。図12Cは、インバータ15に印加す る電圧が低である場合における負荷の効率特 性の領域を表示したマップである。図12A、図 12B及び図12Cにおける点Aは、要求トルクT1とモ ータ16の回転数R1とに基づいて決定されたも� �であり、点Bは、要求トルクT2とモータ16の回 転数R2とに基づいて決定されたものである。

 図12Cにおける点Aは、負荷の効率特性が高 効率である領域に含まれているが、図12A及び 図12Bにおける点Aは、負荷の効率特性が高効� �である領域に含まれていない。したがって� �要求トルクT1及びモータ16の回転数R1では、� �ンバータ15に印加する電圧が低である場合、 負荷の効率特性が高いことがわかる。図12Bに おける点Bは、負荷の効率特性が高効率であ� �領域に含まれているが、図12A及び図12Cにお� �る点Bは、負荷の効率特性が高効率である領� ��に含まれていない。したがって、要求トル� ��T2及びモータ16の回転数R2では、インバータ1 5に印加する電圧が中である場合、負荷の効� �特性が高いことがわかる。本変形例では、� �上のようなマップをECU20が有しており、イン バータ15に印加する電圧を負荷の効率特性の� ��点から決定することによって、最適電圧を� ��ンバータ15に印加することができる。

 本発明に係る燃料電池システムの第二の� ��施例について、図13~15に基づいて説明する� �本実施例に係る燃料電池システムと上述の� �一の実施例に係る燃料電池システムとの相� �点は、FC昇圧コンバータ12内の補助回路12bお� ��びそれに関連する技術である。そこで、本� ��施例では、当該相違点に着目して説明を行� ��。

 図13は、図2と同様に、FC昇圧コンバータ12 を中心として、燃料電池システム10の電気的� ��成を示す図である。ここで、図13に示すFC昇 圧コンバータ12の補助回路12bには、スイッチ� ��子S3とダイオードD6とで構成されるスイッチ ング回路が更に設けられている。具体的には 、スイッチ素子S3の一端がダイオードD2のア� �ード端子側に接続され、該スイッチ素子S3の 他端が燃料電池11の低電位側の端子に接続さ� ��ている。このスイッチ素子S3は、先のソフ� �スイッチング処理におけるモード2の動作で� ��、スナバコンデンサC2に蓄えられた電荷の� �電をサポートするものである。そこで、本� �施例においては、スイッチ素子S3のスイッチ ング動作を含めた、新たなソフトスイッチン グ処理を図14及び図15に基づいて説明する。

 図14は、図3と同様にFC昇圧コンバータ12に おけるソフトスイッチング処理の流れを示す フローチャートである。図3に示すソフトス� �ッチング処理との違いは、図14に示す処理で は、S102とS103の処理の間、即ちモード2とモー ド3の各動作の間に、スイッチ素子S3のスイッ チング動作による新たな処理S301が設定され� �いる点である。そこで、この相違点を重点� �に説明し、他の処理については、図3と同一� ��参照番号を付すことでその詳細な説明は省� ��する。

 ここで、S102の処理によりモード2の動作� �行われているとき、FC昇圧コンバータ12では� ��スイッチ素子S3はターンオフ状態となって� �る。また、スイッチ素子S3のスイッチング動 作の効果を明確に示すために、FC昇圧コンバ� ��タ12の出口電圧VHとその入口電圧VLの関係を� ��FC昇圧コンバータ12の電気的状態を表すパラ メータである比VH/VLについて、該比が2未満で あると設定する。この場合、コイルL2とスナ� ��コンデンサC2の半波共振によって、該スナ� �コンデンサC2の電荷は抜けていくが、図10Bに 示すようにスナバコンデンサC2の電圧はゼロ� ��はならないことになる。

 ここで、本実施例では、上記半波共振に� ��るスナバコンデンサC2の電圧変動が底値と� �るタイミングで、S301の処理によりスイッチ� ��子S3をターンオンする。すると、図15に示す ように、スナバコンデンサC2において半波共� ��によっても抜けきらなかった電荷が、スイ� ��チ素子S3を介して補助回路12b内に分散され� �いくため、スナバコンデンサC2の電圧を更に 低下させることができる。その結果、S301後� �S103の処理において、スイッチ素子S1をター� �オンするとき、該スイッチ素子S1にかかって いる電圧を可及的に下げることができ、以て スイッチング損失をより確かに抑制すること ができる。尚、FC昇圧コンバータ12の出口電� �VHとその入口電圧VLの関係において、比VH/VL� �所定値を超える場合(本実施例では2を超える 場合)は、スナバコンデンサC2の電荷はモード 2の動作により抜けきっているため、S301の処� ��を必ずしも行う必要はない。

 <その他の実施例>また、上記実施形� �で説明したように、燃料電池11からFC昇圧コ� ��バータ12を通じてインバータ15、モータ16を� ��む負荷に電力を供給すると、FC昇圧コンバ� �タ12での電力損失が発生する。この電力損失 には、変換される電力の大小への依存度の少 ない、鉄損あるいはスイッチング損失が含ま れる。そのため、出力電力の小さい低負荷領 域で、特に電力効率の低下が目立つことにな る。そこで、低負荷領域では、FC昇圧コンバ� ��タ12を停止し、燃料電池11の電力を変換せず に負荷に供給し(スルーモード、バイパスモ� �ド)、あるいは、バッテリ13からバッテリ昇� �コンバータ14を通じて電力を負荷に供給すべ きとの要請が強い。

 ここで、一般的なコンバータにおけるス� ��ーモードおよびバイパスモードについて、� ��16A~図16Dに基づいて簡単に説明する。尚、各 図中の太線矢印は、各コンバータにおける電 流の流れを示す。図16Aは、当該コンバータが 昇圧型のコンバータ(上述のFC昇圧コンバータ 12がこのタイプのコンバータである。)である ときのスルーモードの様子を示す図である。 昇圧を行うためのスイッチ素子をターンオフ 状態とすることで、一次側の電圧をそのまま 二次側に印加することができる。図16Bは、当 該コンバータが昇圧型のコンバータであって 、昇圧のためのコイルとダイオードの直列体 に対して並列にバイパス用のダイオードが接 続されているコンバータでのバイパスモード の様子を示す図である。昇圧を行うためのス イッチ素子をターンオフ状態とすることで、 一次側の電圧をバイパスさせて二次側に印加 することができる。図16Cは、当該コンバータ がハーフブリッジ型のコンバータであるとき のスルーモードの様子を示す図である。昇圧 を行うための二つのスイッチ素子のうち、図 中上側をターンオン状態、下側をターンオフ 状態とすることで、一次側の電圧をそのまま 二次側に印加することができる。図16Dは、当 該コンバータがフルブリッジ型のコンバータ であるときのスルーモードの様子を示す図で ある。昇圧を行うための四つのスイッチ素子 のうち、図中上側の二つをターンオン状態、 下側の二つをターンオフ状態とすることで、 一次側の電圧をそのまま二次側に印加するこ とができる。尚、図16B~図16Dに示す構成は上� �のFC昇圧コンバータ12のコンバータとは異な� ��が、仮にFC昇圧コンバータ12がこれらの構成 を採用する場合、各図に示すようにスイッチ 素子を制御することで、上記スルーモードお よびバイパスモードが実現される。

 一方、燃料電池11は、耐久性向上のため� �触媒のシンタリング現象を回避することが� �要とされる。シンタリング現象は、燃料電� �11の電極上のPt触媒が凝集する現象であり、P t触媒の表面での水(およびプロトンに対する) に対する酸化還元反応により誘発されるとさ れている。さらに、そのような酸化還元反応 は、燃料電池11の端子電圧が開放電圧(OCV)に� �い、比較的高電位で引き起こされることが� �られている。

 ところで、燃料電池11が低負荷になると� �燃料電池11のIV特性にしたがい、燃料電池11� �端子電圧が開放電圧(OCV)に近づいていく。し かしながら、上述のように、FC昇圧コンバー� ��12を停止すると、燃料電池11の端子電圧を制 御することができず、上記反応に起因する触 媒の劣化を回避することが困難となる。

 そこで、FC昇圧コンバータ12を停止した場 合には、FC昇圧コンバータ12と並列に設けら� �ているバッテリ昇圧コンバータ14にてFC昇圧� ��ンバータ12の出力側の電圧を制御すること� �よって、燃料電池11の端子電圧を制御すれば よい。すなわち、ECU20にて、燃料電池11の端� �電圧を監視し、その端子電圧がシンタリン� �を回避するための基準値未満になるように� �バッテリ昇圧コンバータ14の出力電圧を制御 すればよい。この基準値は、例えば、実験値 、経験値として設定すればよい。

 また、バッテリ13の端子電圧が高く、か� �、インバータ15の要求電圧が低く、バッテリ 昇圧コンバータ14の昇圧比を1以上にできない 場合には、逆にバッテリ昇圧コンバータ14を� ��止しなければならない。そのような場合、� ��ンタリング現象を回避するため、FC昇圧コ� �バータ12は停止せず、インバータ15の要求電� ��を基準にしてFC昇圧コンバータ12によって、 燃料電池11の端子電圧を制御すればよい。

 以上の場合に、いずれにしても、燃料電� ��11の端子電圧を上記基準値よりも下方に制� �するためには、燃料電池11から電流を引き出 し、電力を消費する必要ある。この場合の電 力は、通常、インバータ15、モータ16を含む� �荷で消費される。しかしながら、余剰電力� �ついては、バッテリ13のSOCが低く、バッテリ 13に電力を蓄積可能な状態では、バッテリ13� �蓄積し、バッテリ13に蓄積できない電力は補 機(エアコン、照明、ポンプ等)で消費すれば� ��い。

 また、本燃料電池システム10は、車両1の� ��突時に、燃料電池11の出力を遮断するシス� �ムともなっている。具体的には、燃料電池� �ステム10のFC昇圧コンバータ12の下流側には� �インバータ15及びバッテリ昇圧コンバータ14� ��の電気的な接続をON/OFFするためのリレー回� ��が設けられている。なお、既に説明した構� ��から明らかなように,燃料電池システム10は� ��FC昇圧コンバータ12の下流側に流れる電流量 が比較的に少ないものとなっている。このた め、燃料電池システム10は、上記リレー回路� ��して、既存の同種のシステムでは燃料電池� ��直後に設けられているリレー回路よりも、� ��型のもの(低電流用のもの)を採用したシス� �ムとなっている。

 そして、燃料電池システム10のECU20は、車 両1に設けられている衝突検出センサの出力� �基づき、衝突の有無を常時監視し、衝突し� �ことを検出した場合には、リレー回路を制� �することにより,FC昇圧コンバータ12とインバ ータ15及びバッテリ昇圧コンバータ14との間� �電気的な接続を切断するユニットとなって� �る。