燃料电池系统及燃料电池用升压转换器的制作方法

专利名称：燃料电池系统及燃料电池用升压转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统及燃料电池用升压转换器。
背景技术：
近年来，作为运转效率及环保性优异的电源，燃料电池备受关注。燃料电池可控制 燃料气体的供给量而输出与负载的要求相对应的电力，但有时燃料电池的输出电压与负载 要求的电压不一致。因此，提出有如下技术通过用DC-DC转换器将燃料电池的输出电压转 换，来使燃料电池的输出电压与负载要求的电压一致(例如，参照专利文献1、2)。DC-DC转换器以电子开关、二极管、及电感为基本元件，通过电子开关的开关动作 来转换电压。DC-DC转换器由于因电子开关的开关动作而产生变化，因此具备吸收该变化的 浪涌电压保护电路。浪涌电压保护电路用电容器吸收变化。当未有效运用储存于该电容器 的电荷时，DC-DC转换器的能量转换效率降低，因此提出有使储存于该电容器的电荷再生而 有效运用的技术(例如，参照专利文献3 7)。专利文献1 (日本)特开2007-228781号公报专利文献2 (日本)特开2003-217625号公报专利文献3 (日本)特开平8-116663号公报专利文献4 (日本)特公平7-75459号公报专利文献5 (日本)特开平6-189444号公报专利文献6 (日本)特开2005-143259号公报专利文献7 (日本)特开平10-164709号公报燃料电池通过用担载有钼等催化剂的催化剂电极使燃料气体发生电化学反应来 进行发电。另外，燃料电池为了实现低体积高输出而极其致密地构成催化剂电极及高分子 电解质膜。因而，不优选向燃料电池施加高电位的电压。对于DC-DC转换器，已知有可通过使其进行软开关而降低开关损耗的技术，但当 将该技术应用于燃料电池的升压时，为进行软开关而储存的电力可能会输入到燃料电池， 难以应用。本发明是鉴于这样的问题而开发的，其课题在于，提供一种可通过软开关使燃料 电池的输出电压升压的燃料电池系统及燃料电池用升压转换器。

发明内容
本发明为了解决上述课题，每当因开关动作而产生的线圈的反电动势而使燃料电 池的输出电压升压时，就使从调整开关的两极间的电压而实现软开关的缓冲电容器放出的 电荷流到燃料电池以外进行处理。详细而言，提供一种燃料电池系统，具备作为直流电源的燃料电池、及将该燃料电 池的输出电压升压并向负载供电的升压单元，其中，所述升压单元具有主升压部，具有开 关和线圈，用通过该开关相对于该线圈进行开关动作而产生的该线圈的反电动势，使所述 燃料电池的输出电压升压；以及副升压部，具有用蓄电量来调整所述开关的两极间的电位差的缓冲电容器，在所述开关动作时，通过调整该缓冲电容器的蓄电量，来减少该开关的开 关损耗，所述副升压部使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的该缓冲电容器的电荷流到 所述燃料电池以外的处理单元进行处理。上述燃料电池系统为可通过将直流电源的电压升压的升压单元使比燃料电池的 输出电压高的电压供给到负载的系统。在此，升压单元具备主升压部，其发挥将燃料电池 的输出电压升压的作用；以及副升压部，其发挥减少由主升压部产生的电能损耗的作用。主 升压部每当将作为直流电源的燃料电池的输出电压升压时，就利用线圈的反电动势。即，通 过开关动作来控制线圈中流动的电流，由此在线圈中产生反电动势，将燃料电池的输出电 压升压。主升压部的开关通过开关动作来控制线圈的电荷流动，但因开关动作时的过渡状 态而产生开关损耗。在此，对于该开关损耗，通过利用电容器的时间常数对过渡状态的电压 和电流的变化速度进行调整，可降低其损耗量。因此，上述燃料电池系统中，通过副升压部 的缓冲电容器对过渡状态的电压和电流的变化速度进行调整，来减少主升压部的开关的开 关损耗。在此，副升压部通过在主升压部的开关进行动作之前主动地调整缓冲电容器的蓄 电量，可有效地发挥缓冲电容器的能力。即，根据预测的电位变化的情形来调整缓冲电容器 的蓄电量，以缓和开关动作后的开关的两极间的电位差的变化。例如，在开关转移到非导通 状态之前，通过在缓冲电容器中预储存有电荷，来抑制开关时的两极间的电位差快速扩大； 在开关转移到导通状态之前，通过将储存于缓冲电容器的电荷放出，来抑制开关时的两极 间的电位差快速缩小。可是，在将储存于缓冲电容器的电荷放出时，需要用某种方法对该电荷进行处理。 在此，当使该电荷流到燃料电池进行处理时，可能会向燃料电池施加高电位的电压，因此不 优选。因此，上述燃料电池系统使从副升压部的缓冲电容器放出的电荷流到燃料电池以外 的处理单元。在此，处理单元是指包括可对储存于缓冲电容器的电荷进行处理的所有单元， 例如，包括将储存于缓冲电容器的电荷暂时储存、向负载等再生、由自身消耗、或释放到系 统外的单元。以上，根据上述燃料电池系统，软开关时所储存的电力不会施加到燃料电池，因此 可实现通过软开关可将燃料电池的输出电压升压。另外，所述副升压部也可以使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的电荷再生到 将作为所述处理单元的所述主升压部和所述燃料电池连接的电路而进行处理，所述燃料电 池系统也可以还具备缓冲单元，该缓冲单元缓和因所述副升压部的再生电力而产生的所述 电路的电压变化。储存于缓冲电容器的电荷为从燃料电池输出的电荷。因而，从能量效率的观点出 发，储存于缓冲电容器的电荷优选向负载再生。因此，上述燃料电池系统中，使从缓冲电容 器放出的电荷流向将主升压部和燃料电池连接的电路而再生。在此，当使缓冲电容器的电荷向将主升压部和燃料电池连接的电路再生时，电路 的电压因再生电力而上升，担心电路的电压可能会大于燃料电池的输出电压。在这种情况 下，再生电力流到燃料电池，向燃料电池施加高电位的电压。因此，上述燃料电池系统通过 缓冲单元来缓和由这样的再生电力产生的电路的电压变化。缓和单元缓和电路的电压变
5化，由此再生电力造成的电路的电压上升变弱，抑制了向燃料电池施加高电位的电压。另外，所述副升压部也可以使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的电荷再生到 将作为所述处理单元的所述主升压部和所述燃料电池连接的电路而进行处理，所述燃料电 池系统也可以还具备稳压单元，该稳压单元在因所述副升压部的再生电力而变化的所述电 路的电压超过规定电压的情况下，使该电路的电荷流向大地。当使缓冲电容器的电荷再生时，如上所述，有时会向燃料电池施加高电位的电压。 因此，上述燃料电池系统在向燃料电池施加高电位的电压的情况下，将电路的电压降低。 即，在使再生电力流动的将燃料电池和主升压部连接的电路的电位超过规定电压的情况 下，使该电路的电荷流向大地。由此降低电路的电压，抑制向燃料电池施加高电位电压。另 外，在此，大地是表示作为构成燃料电池系统及其周边装置的电子设备的基准电位的导体 的概念，不局限于通常作为基准电位而利用的大地等。另外，规定电压是将燃料电池和主升 压部连接的电路的电压，例如是从保护燃料电池的观点出发而确定的燃料电池的电压的上 限值。另外，所述副升压部也可以使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的电荷再生到 将作为所述处理单元的所述主升压部和所述燃料电池连接的电路而进行处理，所述燃料电 池系统也可以还具备整流单元，该整流单元阻止所述副升压部的再生电力经由所述电路流 向所述燃料电池。通过阻止再生电力流到燃料电池，能够防止燃料电池的电压上升。即，上 述燃料电池系统具备整流单元，该整流单元只允许电流向一定方向流动而禁止向相反的方 向流动，用整流单元阻止再生电力向燃料电池流动。由此防止再生电力造成的向燃料电池 施加高电位电压。另外，所述燃料电池系统具备作为所述处理单元的二次电池，所述副升压部也可 以使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的电荷流到所述二次电池进行处理。储存于缓冲 电容器的电荷为从燃料电池输出的电荷，如上所述，从能量效率的观点出发优选有效利用。 在此，为了有效利用缓冲电容器的电荷，除经由主升压部直接使其向负载再生的方法以外， 考虑储存缓冲电容器的电荷而实现有效利用的方法。上述燃料电池系统是从通过将缓冲电 容器的电荷储存来实现有效利用的观点出发而构成的系统，具备可储存电荷的二次电池。 而且，使从缓冲电容器放出的电荷流向该二次电池。由此，缓冲电容器的电荷储存于二次电 池，可有效地利用储存的电荷。另外，所述主升压部也可以具有第一线圈，一端连接于所述燃料电池的阳极；第 一开关，一端连接于所述主线圈的另一端，另一端与所述燃料电池的阴极连接；第一二极 管，阴极侧连接于所述线圈的另一端，阳极侧与所述负载连接；平滑电容器，将所述二极管 的阳极侧和所述开关的另一端连接，所述副升压部也可以具有第二二极管，阴极侧连接 于从将所述第一线圈和所述第一开关连接的电路分支的电路；所述缓冲电容器，将所述第 二二极管的阳极侧和所述第一开关的另一端连接；第二线圈，一端连接于从将所述第二二 极管的阳极侧和所述缓冲电容器连接的电路分支的电路；第二二极管，阴极侧连接于所述 第二线圈的另一端；第二开关，一端连接于所述第二二极管的阳极侧，另一端连接于所述处 理单元。根据上述构成，通过第一开关的开关动作，由第一线圈产生反电动势，使燃料电池 的输出电压上升。另外，第一开关的开关动作引起的电压及电流的变化，通过主升压部的第一二极管和平滑电容器来控制，以使其达到可向负载供电的程度。因而，由燃料电池升压而 向负载供电的电力达到可向负载供电的程度的状态(品质)。另外，通过使缓冲电容器的电 荷放出到处理单元的第二开关、和从缓冲电容器中取出电荷的第二线圈协作，可进行储存 于缓冲电容器的电荷的放出。另外，本发明提供一种燃料电池用升压转换器，该燃料电池用升压转换器将作为 直流电源的燃料电池的输出电压升压而向负载供电，具备主升压部，其具有开关和线圈， 利用因该开关相对于该线圈进行开关动作而产生的该线圈的反电动势，使所述燃料电池的 输出电压升压；副升压部，具有利用蓄电量来调整所述开关的两极间的电位差的缓冲电容 器，在所述开关动作时，通过调整该缓冲电容器的蓄电量，来减少该开关的开关损耗，所述 副升压部也可以使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的该缓冲电容器的电荷流到所述 燃料电池以外的处理单元进行处理。由此，可通过软开关使燃料电池的输出电压升压。根据本发明的燃料电池系统及燃料电池用升压转换器，可通过软开关使燃料电池 的输出电压升压。


图1是表示本发明实施例的燃料电池系统的概略构成的图；图2是表示图1所示的燃料电池系统的电气电路构成的图，且是特别表示FC升压 转换器的电气电路构成的第一图；图3是表示用图2所示的FC升压转换器进行的用于电压升压的软开关处理的流 程的流程图；图4A是概要地表示进行图 换器的电流的流动的图；图4B是概要地表示进行图 换器的电流的流动的图；图4C是概要地表示进行图 换器的电流的流动的图；图4D是概要地表示进行图 换器的电流的流动的图；图4E是概要地表示进行图 换器的电流的流动的图；图4F是概要地表示进行图 换器的电流的流动的图；图5是表示在现有燃料电池系统中设定的、燃料电池的输出电压和用于电动机驱 动的电动机需要电压的相关关系的图；图6是表示在本发明实施例的燃料电池系统中设定的、燃料电池的输出电压和用 于电动机驱动的电动机需要电压的相关关系的图；图7A是表示在本发明实施例的燃料电池系统中设定的、燃料电池的IV特性和蓄 电池的IV特性的相关关系的第一图；图7B是表示在本发明实施例的燃料电池系统中设定的、燃料电池的IV特性和蓄
3所示的软开关处理的模式1的动作时的、FC升压转 3所示的软开关处理的模式2的动作时的、FC升压转 3所示的软开关处理的模式3的动作时的、FC升压转 3所示的软开关处理的模式4的动作时的、FC升压转 3所示的软开关处理的模式5的动作时的、FC升压转 3所示的软开关处理的模式6的动作时的、FC升压转电池的IV特性的相关关系的第二图；图8A是在本发明实施例的燃料电池系统中，相对于以FC升压转换器的入口电压 为横轴且以其出口电压为纵轴形成的动作区域，使由该FC升压转换器执行的处理建立关 联而表示的第一映射；图8B是在本发明实施例的燃料电池系统中，相对于以FC升压转换器的入口电压 为横轴且以其出口电压为纵轴形成的动作区域，对由该FC升压转换器执行的处理建立关 联而表示的第二映射；图9是为便于说明而将进行图3所示的软开关处理的模式2的动作时的、仅在FC 升压转换器内实际工作的部分摘录而记载的图；图IOA是表示本发明实施例的FC升压转换器的出口电压和该入口电压之比VH/ VL、与进行图3所示的软开关处理的模式2的动作时的放电时的缓冲电容器中剩余的电压 的相关关系的第一图；图IOB是表示本发明实施例的FC升压转换器的出口电压和该入口电压之比VH/ VL、与进行图3所示的软开关处理的模式2的动作时的放电时的缓冲电容器中剩余的电压 的相关关系的第二图；图IlA是表示为促进本发明实施例的燃料电池系统的高效化而由FC升压转换器 进行的控制的流程的流程图；图IlB是变形例的FC升压转换器的电气电路的一个构成例；图IlC是变形例的FC升压转换器的电气电路的一个构成例；图12A是表示在本发明实施例的燃料电池系统中，施加于变换器的电压为高时的 负载效率特性的区域的映射；图12B是表示在本发明实施例的燃料电池系统中、施加于变换器的电压为中时的 负载效率特性的区域的映射；图12C是表示在本发明实施例的燃料电池系统中、施加于变换器的电压为低时的 负载效率特性的区域的映射；图13是表示图1所示的燃料电池系统的电气电路构成的图，且是特别表示FC升 压转换器的电气电路构成的第二图；图14是表示用图13所示的FC升压转换器进行的用于电压升压的软开关处理的 流程的流程图；图15是表示本发明实施例的FC升压转换器的出口电压和该入口电压之比VH/VL、 与进行图14所示的软开关处理的模式2的动作时的放电时的缓冲电容器中剩余的电压的 相关关系的图；图16A是示意地表示转换器的直通模式的第一图；图16B是示意地表示转换器的旁通模式的图；图16C是示意地表示转换器的直通模式的第二图；图16D是示意地表示转换器的直通模式的第三图。标号说明1 车辆10 燃料电池系统
11燃料电池(FC)
12FC升压转换器
12a主升压电路
12b辅助电路
13蓄电池
14蓄电池升压转换器
15变换器
16电动机
20ECU
21油门踏板传感器
Si、S2、S3 开关元件
Cl、C3 平滑电容器
C2缓冲电容器
Li、L2、L3 线圈
DUD2、D3、D4、D5、D6
ZD齐纳二极管
V非线性电阻
具体实施例方式下面，基于附图对本发明的燃料电池系统10的实施方式进行详细说明。本实施方 式的燃料电池系统10对移动体即车辆1的驱动装置即驱动电动机16供给电力，但对船舶 及机器人等车辆以外的移动体、及不进行移动但需要接收电力供给的物体也可适用。实施例1图1概要表示本发明的燃料电池系统10的概略构成、及以由该燃料电池系统10 供给的电力为驱动源的移动体的车辆1。车辆1可通过驱动电动机(以下，简称为“电动 机”)16驱动驱动轮2而自行、移动。该电动机16为所谓的三相交流电动机，从变换器15接 收交流电力的供给。另外，从燃料电池系统10的主电源即燃料电池(以下，称为“FC”)11、 和二次电池即蓄电池13向该变换器15供给直流电力，该直流电力由变换器15变换为交 流。在此，燃料电池11通过贮存于氢罐17的氢气和由压缩机18加压输送来的空气中 的氧的电化学反应进行发电，在该燃料电池11和变换器15之间电连接有升压型的DC-DC 转换器即FC升压转换器12。由此，来自燃料电池11的输出电压通过FC升压转换器12在 可控制的范围内升压到任意的电压，施加于变换器15。另外，通过该FC升压转换器12的 升压动作，也可控制燃料电池11的端子电压。另外，关于FC升压转换器12的详细构成，后 面进行叙述。另外，蓄电池13为可进行充放电的蓄电装置，在该蓄电池13和变换器15之 间以相对于该变换器15与上述FC升压转换器12并联的方式电连接有升压型的蓄电池升 压转换器14。由此，来自蓄电池13的输出电压通过蓄电池升压转换器14在可控制的范围 内升压到任意的电压，施加于变换器15。另外，也可通过该蓄电池升压转换器14的升压动 作，控制变换器15的端子电压。另外，如图1所示，在燃料电池系统10中，也可以采用可进
9行升压动作及降压动作的升降压型的转换器，以代替升压型的蓄电池升压转换器14。在以 下的实施例中，主要以蓄电池升压转换器14作为升压型的转换器进行说明，但在其中，没 有限制采用升降压型的转换器的意图，在其采用时可进行适当调整。而且，对于因采用升降 压型转换器而更应该特别说明的事实，适当地进行其公开。另外，在车辆1上设有电子控制单元(以下，称为“ECU”)，并电连接于上述的各控 制对象，由此来控制燃料电池11的发电及电动机16的驱动等。例如，在车辆1上设置有接 受来自驾驶员的加速要求的油门踏板，通过油门踏板传感器21检测其开度，其检测信号电 传递到E⑶20。另外，E⑶20也电连接于检测电动机16的转速的编码器，由此，用E⑶20检 测电动机16的转速。E⑶20基于这些检测值等可实现各种控制。在如此构成的燃料电池系统10中，车辆1的驾驶员踩踏的油门踏板的开度通过油 门踏板传感器21来检测，ECU20基于该油门踏板开度和电动机16的转速等，适当控制燃料 电池11的发电量及来自蓄电池13的充放电量。在此，为了提高移动体即车辆1的燃料效 率，电动机16成为高电压低电流规格的PM电动机。因此，电动机16可用低电流发挥高转 矩，因此可降低电动机内部的线圈及其他配线的发热，另外，可减小变换器15的额定输出。 具体而言，在电动机16中，为了可用低电流实现较大的转矩输出，较高地设定其反电动势， 另一方面，较高地设定来自燃料电池系统10的供给电压，以可反抗该高的反电动势而实现 高转速下的驱动。此时，在燃料电池11和变换器15之间设置FC升压转换器12，且在蓄电 池13和变换器15之间也设置蓄电池升压转换器14，由此来实现向变换器15供给的供给电 压的高电压化。如已述及，也可采用升降压型转换器，以代替该蓄电池升压转换器14。这样，通过将燃料电池系统10设定为包括FC升压转换器12的构成，则即使燃料 电池11自身的输出电压(端子间电压)低，也可通过FC升压转换器12的升压动作来驱动 电动机16，因此也可减少燃料电池11的单电池层叠片数等而实现其小型化。其结果是，能 够减轻车辆1的重量，能够进一步促进其燃料效率的提高。在此，在燃料电池系统10中，可发电的燃料电池11成为对电动机16的主电源。因 而认为，为了提高燃料电池系统10的效率，降低介于燃料电池11和变换器15之间的FC升 压转换器12中的电力损耗较大地有助于系统整体的效率提高。当然，原则上对蓄电池13 和变换器15之间的蓄电池升压转换器14也同样适用。在此，基于图2对FC升压转换器12的电气电路的特征进行说明。图2是以FC升 压转换器12为中心对燃料电池系统10的电气构成进行表示的图，但为了简便说明，省略蓄 电池13及蓄电池升压转换器14的记述。FC升压转换器12由用于进行作为DC-DC转换器的升压动作的主升压电路12a、和 后述的用于进行软开关动作的辅助电路12b构成。主升压电路12a通过由开关元件Sl和 二极管D4构成的开关电路的开关动作，将存储于线圈Ll的能量经由二极管D5释放到电动 机16侧(变换器15侧)，由此使燃料电池11的输出电压上升。具体而言，线圈Ll的一端 连接于燃料电池11的高电位侧的端子。而且，开关元件Sl的一端的电极连接于线圈Ll的 另一端，并且该开关元件Sl的另一端的电极连接于燃料电池的低电位侧的端子。另外，二 极管D5的阴极端子连接于线圈Ll的另一端，另外，电容器C3连接于二极管D5的阳极端子 和开关元件Sl的另一端之间。另外，在该主升压电路12a中，电容器C3作为升压电压的平 滑电容器发挥功能。另外，在主升压电路12a中，在燃料电池11侧也设有平滑电容器Cl，由此，可降低燃料电池11的输出电流的变化。施加于该平滑电容器C3的电压VH成为FC升 压转换器12的出口电压。另外，在图2中，以VL表示燃料电池11的电源电压，这是施加于 平滑电容器Cl的电压，且成为FC升压转换器12的入口电压。接着，在辅助电路12b中首先包括与开关元件Sl并联地连接的第一串联连接体， 该第一串联连接体包括二极管D3、和与该二极管D3串联连接的缓冲电容器C2。在该第一 串联连接体中，二极管D3的阴极端子连接于线圈Ll的另一端，其阳极端子连接于缓冲电容 器C2的一端。另外，该缓冲电容器C2的另一端连接于燃料电池11的低电位侧的端子。另 外，在辅助电路12b中包括串联地连接有感应元件即线圈L2、二极管D2、开关电路的第二串 联连接体，该开关电路由开关元件S2及二极管Dl构成。在该第二串联连接体中，线圈L2的 一端连接于第一串联连接体的二极管D3和缓冲电容器C2的连接部位。另外，二极管D2的 阴极端子连接于线圈L2的另一端，并且其阳极端子连接于开关元件S2的一端的电极。另 外，开关元件S2的另一端连接于线圈Ll的一端侧。另外，关于该第二串联连接体的电路布 局，线圈L2、二极管D2、开关元件S2等形成的开关电路的串联顺序也可以采用适当调换的 方式。特别是，将线圈L2和开关元件S2等形成的开关电路的顺序调换，以代替图2所示的 状态，由此能够在实际的安装电路中使线圈Ll和线圈L2 —体化，容易实现半导体元件的模 块化。这样构成的FC升压转换器12通过调整开关元件Sl的开关占空比，来控制FC升 压转换器12的升压比、即施加于变换器15的FC升压转换器12的输出电压相对于输入到 FC升压转换器12的燃料电池11的输出电压之比。另外，在该开关元件Sl的开关动作中， 通过穿插辅助电路12b的开关元件S2的开关动作，可实现后述的所谓的软开关，使FC升压 转换器12的开关损耗大为降低。接着，基于图3、图4A 4F对FC升压转换器12的软开关进行说明。图3是经由软 开关动作的、FC升压转换器12进行升压所用的一个循环处理(以下，称为“软开关处理”) 的流程图。对于该软开关处理，通过E⑶20依次进行SlOl S106的各处理而形成一个循 环，将各处理实现的FC升压转换器12的电流、电压的流动模式分别作为模式1 模式6进 行表达，图4A 4F表示其状态。以下，基于这些图对FC升压转换器12的软开关处理进行 说明。另外，在图4A 图4F中，为了使图面的显示简洁，省略主升压电路12a和辅助电路 12b的参照序号的记述，但在各模式的说明中，有时引用各电路。另外，在各图中，粗箭头所 示的意思是电路中流动的电流。另外，进行图3所示的软开关处理的初始状态为从燃料电池11向变换器15及电 动机16供给电力的状态、即通过使开关元件S1、S2 —同断开而使电流经由线圈Li、二极管 D5流到变换器15侧的状态。因而，当该软开关处理的一个循环终止时，达到与该初始状态 等同的状态。在软开关处理中，首先，在SlOl中形成图4A所示的模式1的电流/电压状态。具 体而言，在开关元件Sl断开的状态下，接通开关元件S2。这样，通过FC升压转换器12的出 口电压VH和入口电压VL的电位差，经由线圈Ll及二极管D5流到变换器15侧的电流就逐 渐转移到辅助电路12b侧。另外，在图4A中，用空心箭头表示其电流的转移情形。接着，在S102中，当SlOl的状态持续规定时间后，流过二极管D5的电流变为零， 取而代之的是，通过缓冲电容器C2和燃料电池11的电压VL的电位差，储存于缓冲电容器
11C2的电荷流入辅助电路12b侧(图4B所示的模式2的状态)。该缓冲电容器C2具有确定 施加于开关元件Sl的电压的功能。在将开关元件Sl接通时，对施加于该开关元件Sl的电 压给予影响的缓冲电容器C2的电荷在模式2中流入辅助电路12b，由此施加于缓冲电容器 C2的电压降低。这时，通过线圈L2和缓冲电容器C2的半波共振，电流持续流动直到缓冲电 容器C2的电压变为零。其结果是，可降低后述的S103中的开关元件Sl接通时的它的施加 电压。另外，在S103中，如果缓冲电容器C2的电荷漏掉，则开关元件Sl再次接通，形成 图4C所示的模式3的电流/电压状态。即，在缓冲电容器C2的电压变为零的状态下，施加 于开关元件Sl的电压也变为零，而且，在该状态下，将开关元件Sl接通，由此在使开关元件 Sl成为零电压状态后，才使电流开始流到该开关元件Si，因此理论上可使开关元件Sl的开 关损耗为零。而且，在S104中，通过持续S103的状态，来使流入线圈Ll的电流量增加，使储存 于线圈Ll的能量逐渐增加。该状态为图4D所示的模式4的电流/电压状态。其后，当线 圈Ll中储存所需的能量时，在S105中，开关元件Sl及S2断开。于是，向在上述模式2中 电荷泄露而变为低电压状态的缓冲电容器C2充电，达到与FC升压转换器12的出口电压VH 相同的电压。该状态为图4E所示的模式5的电流/电压状态。而且，当缓冲电容器C2充 电到电压VH时，在S106中，储存于线圈Ll的能量释放到变换器15侧。该状态为图4F所 示的模式6的电流/电压状态。另外，在进行该模式5时，施加于开关元件Sl的电压因缓 冲电容器C2而使电压的上升滞后，因此能够进一步减小开关元件Sl的尾电流造成的开关 损耗。如上所述，通过以SlOl S106的处理为一个循环进行软开关处理，在尽可能地控 制了 FC升压转换器12的开关损耗之后，可将燃料电池11的输出电压升压，供给到变换器 15。其结果是，可高效地驱动高电压低电流电动机即电动机16。在此，在燃料电池系统10中，除上述软开关处理以外，还进行FC升压转换器12的 间歇运转控制，由此提高系统效率。为了使说明简洁，当关注燃料电池11和变换器15及电 动机16的关系时，针对电动机16的主电源即来自燃料电池11的电力经由FC升压转换器 12供给到变换器15侧。而且，主电源即燃料电池11在电动机16的驱动时应施加于变换 器15的电压必须为能够充分地抵抗电动机16的反电动势的电压。因而，在未设有上述FC 升压转换器12的现有燃料电池系统中，如图5所示，在车辆1的可采用的速度范围(0 VSmax)内，必须设定为LVl所示的由燃料电池施加的电压时常超过电动机驱动所需要的、 应施加于变换器15的电压(以下，称为“电动机需要电压”)的状态。因此，较大地超过应 施加于变换器的电压的电压施加于变换器，变换器的开关损耗增大。而且，特别是在车辆1 的速度低的区域内，变换器的开关损耗会变得显著。在此，在本发明的燃料电池系统10中，由于设有FC升压转换器12，因此可将来自 燃料电池11的电压升压而施加于变换器15。但是，在该FC升压转换器12的升压动作中， 发生开关元件引起的某些开关损耗，因此该升压动作成为使系统效率降低的一个原因。另 一方面，如上所述，电动机16为高电压低电流规格的电动机，因此伴随其转速的上升而产 生的反电动势也增大，FC升压转换器12的升压动作是不可缺少的。因此，在图6中，分别用LVl、LV2表示来自燃料电池11的输出电压和应施加于变换器15的电动机需要电压的相关性。如图6的LV2所示，电动机16的反电动势随着车辆 1的速度上升而增加，因此电动机需要电压也与车辆速度的增加一同增加。在此，在燃料电 池11的输出电压LVl和电动机需要电压LV2的相关性中，只要以两者交叉时的车辆1的速 度VSO成为大致维持用户进行车辆1的通常操纵的速度的方式来确定燃料电池11的电压 特性和电动机16的电压特性即可。在本实施例中，根据车辆运转法规、用户的通常操纵的 倾向等，将VSO设定为110km/h。而且，算出可使该速度VSO下的车辆1行驶的电动机16的 驱动时的最大输出，以可发挥该最大输出的方式，导出应施加于变换器15的电压(电动机 需要电压)。而且，以该电动机需要电压可不经由FC升压转换器12就从燃料电池11直接 输出的方式，进行燃料电池11的设计(例如，在多个单电池层叠形成的燃料电池中，调整其 层叠单电池数等)。在包括这样设计的燃料电池11的燃料电池系统10中，直到车辆1的速度达到VSO 期间，来自燃料电池11的输出电压都比用于驱动电动机16的电动机需要电压高，因此即使 电动机16为高电压低电流规格的电动机，就算没有FC升压转换器12的升压动作，也可通 过来自燃料电池11的直接的输出电压来驱动该电动机16。换言之，在该条件下，通过使FC 升压转换器12的开关动作停止并将来自燃料电池11的输出电压施加于变换器15，能够确 保电动机16的驱动。由此，能够完全排除FC升压转换器12的开关损耗。另外，通过FC升 压转换器12停止，施加于变换器15的电压不会变得过高，即，能够抑制LVl和LV2的电压 差使其比图5所示的状态小，因此能够将变换器15的开关损耗抑制得较低。另一方面，当车辆1的车辆速度变为VSO以上时，用于驱动电动机16的电动机需 要电压反而比来自燃料电池11的输出电压高，因此需要FC升压转换器12的升压动作。在 这种情况下，通过进行上述的软开关处理，可尽可能地抑制FC升压转换器12的开关损耗。在上述中，为了说明的简化，只关注燃料电池11和电动机16的相关性，但如图1 所示，在燃料电池系统1中，也可对电动机16供给来自蓄电池13的电力。在从蓄电池13 供给电力的情况下，来自蓄电池13的输出电压由蓄电池升压转换器14升压之后，再施加于 变换器15。在此，蓄电池升压转换器14为所谓的升压转换器，因此为了从蓄电池13向变换 器15进行电力供给，蓄电池升压转换器14的出口电压(为变换器15侧的电压，与FC升压 转换器12的出口电压同等)与其入口电压(蓄电池13侧的电压)相比必须是相同或更高 的状态。因此，基于图7A及图7B对蓄电池13的输出电压和燃料电池11的输出电压的相 关性进行说明。在两图中，一同表示蓄电池13的IV特性(图中，用虚线LBT表示)、和燃料 电池11的IV特性(图中，用实线LFC表示)。在此，在图7A中，在燃料电池11的IV特性 LFC比蓄电池13的IV特性LBT高的区域，即使使FC升压转换器12停止，也成为蓄电池13 的输出电压比FC升压转换器12的出口电压低的状态，因此蓄电池升压转换器14可进行升 压动作，因而能够从蓄电池13向电动机16供给电力。因而，在该状态下，允许FC升压转换 器12动作停止。另一方面，在蓄电池13的IV特性LBT比燃料电池11的IV特性LFC高的 区域，当使FC升压转换器12停止时，蓄电池13的输出电压成为比FC升压转换器12的出 口电压高的状态，因此不能进行蓄电池升压转换器14的升压动作实现的燃料电池11和蓄 电池13的输出分配控制。因而，在该状态下，不允许FC升压转换器12的动作停止。S卩，在由蓄电池升压转换器14将来自蓄电池13的输出电压升压并将电压施加于电动机16的情况下，需要形成FC升压转换器12的出口电压比蓄电池13的输出电压(蓄电 池升压转换器14的入口电压)高的状态，因此有时不允许FC升压转换器12动作停止。例 如，如图7A所示，在较低电流区域，燃料电池11的IV特性LFC比蓄电池13的IV特性LBT 低的情况下，为了确保蓄电池升压转换器14的升压动作，不允许FC升压转换器12的动作 停止，其结果是，实现上述的开关损耗的降低的可能性下降。另一方面，例如，如图7B所示， 在燃料电池11的IV特性LFC始终位于蓄电池13的IV特性LBT的上方的情况下，从确保 蓄电池升压转换器14的升压动作的观点出发，不限制FC升压转换器12的动作停止。另外，上述的与确保蓄电池升压转换器14的升压动作有关的FC升压转换器12的 动作限制，起因于图1所示的燃料电池系统10所包括的蓄电池升压转换器14为升压型的 转换器(即不能进行降压动作的转换器)。因此，在燃料电池系统10中，代替蓄电池升压转 换器14而采用可进行升压动作及降压动作的升降压型的转换器的情况下，FC升压转换器 12不受上述动作限制约束，能够将来自燃料电池11、蓄电池13的输出电压有选择地施加于 电动机16。由以上可知，在本实施例中，基于假想的车辆1的驱动，确定必要的蓄电池13的IV 特性和燃料电池11的IV特性，根据两IV特性的相关性及燃料电池11的输出电压和电动 机需要电压的关系，划定图8A及图8B的映射所示的用于FC升压转换器12的升压动作的 控制区域。下面，对FC升压转换器12的升压动作进行详细说明。图8A及图8B是对于以FC升压转换器12的入口电压为横轴、以其出口电压为纵 轴而形成的动作区域使以该FC升压转换器12执行的处理建立关联而表示的映射。另外， 图8A是燃料电池系统10所包括的蓄电池升压转换器14为升压型的转换器时的映射，图8B 是代替该升压型的蓄电池升压转换器14而采用升降压型的转换器时的映射。首先，对图8A 所示的映射进行说明。在此，在该映射中，记载有意味着FC升压转换器12的升压比为1即 该入口电压和该出口电压之比为1 1的直线LR1、意味着该升压比为2左右的值(在图 中，仅将升压比表示为“2”)的直线LR2、意味着该升压比为10的直线LR3、和意味着该FC 升压转换器12的最高输出电压的直线LR4。关于直线LR2，后面基于图9、图10AU0B进行 叙述。另外，直线LR3表示FC升压转换器12的最大升压比。因而可知，FC升压转换器12 的动作范围为由直线LR1、LR3、LR4包围的区域。在此，用点划线LLl表示在车辆1的假想速度范围内施加于电动机16的负载最低 时、即施加有道路的摩擦阻力程度的负载时(图中，负载率=R/L(Road Load))的FC升压 转换器12的入口电压及其出口电压的关系。另一方面，同样用点划线LL2表示在车辆1的 假想速度范围内施加于电动机16的负载最高时、即车辆1的油门开度为100%时(图中，负 载率=100%)的FC升压转换器12的入口电压及其出口电压的关系。因而，从驱动车辆1 这种观点出发，搭载于车辆1的燃料电池系统10使FC升压转换器12进行由点划线LLl和 LL2夹着的区域所示的升压动作。在图8A所示的映射中，将FC升压转换器12的动作区域区分为RCl RC4四个区 域。在这四个区域中，分别关于FC升压转换器12的动作进行特征动作，下面，对各区域的 FC升压转换器12的动作进行说明。首先，作为表示升压比1的直线LRl以下的区域，划定 区域RC1。在该区域RCl中，为驱动电动机16而需要的升压比为1以下(希望注意，由于现 实中FC升压转换器12为升压转换器，因此不能使升压比为1以下，即不能降压)，因此结果可以使FC升压转换器12停止，将燃料电池11的输出电压直接施加于变换器15。因此， 作为FC升压转换器12的入口电压的燃料电池11的输出电压处于燃料电池11的最大电压 Vfcmax、和与蓄电池13的开路电压(OCV =Open CircuitVoltage)同值的Vfcb之间的范围， 且在由直线LRl及点划线LLl包围而划定的区域RCl中，使FC升压转换器12的升压动作 完全停止。由此，可抑制FC升压转换器12的开关损耗。这样，以电压Vfcb为边界，FC升 压转换器12的动作停止受到制约的原因是，如上所述蓄电池升压转换器14为升压型的转 换器，确保其升压动作。接着，对区域RC2进行说明。该区域划定作为FC升压转换器12的入口电压为上 述Vfcb以下、且该FC升压转换器12的出口电压为蓄电池13的OCV以下、即与Vfcb同值 的电压以下的区域。即，在该区域RC2中，存在不进行FC升压转换器12的升压动作时蓄电 池升压转换器14的出口电压比入口电压低而不能进行该蓄电池升压转换器14升压动作的 区域，另外，还存在即使假设进行了 FC升压转换器12的移动动作也由于其升压比低而同样 不能进行蓄电池升压转换器14的升压动作的区域。在这样划定的区域RC2中，与区域RCl同样使FC升压转换器12停止，不发生其开 关损耗。而且，由蓄电池升压转换器14将燃料电池11的端子电压控制在可控制的最低电 压。另外，在图中，在使用理想的升压转换器的情况下，假设其电压为等于蓄电池13的0CV， 并设定上述Vfcb。只要蓄电池13的放电电力允许，该状态就持续。另外，该区域RC2为在电动机16的驱动状态变迁中、FC升压转换器12的动作区 域从上述区域RCl过渡到后述的区域RC3时介在的过渡区域。因而，在蓄电池升压转换器 14为升压型的转换器的情况下，优选以尽量减小该过渡区域RC2的方式，适当地调整基于 图7A、7B说明的燃料电池11的IV特性和蓄电池13的IV特性的相关性。在此，关于直线LRl的下方的区域，对图8B所示的映射、即在燃料电池系统10中 代替蓄电池升压转换器14而采用升降压型的转换器时的映射进行说明。在这种情况下，可 通过升降压型转换器使蓄电池13的输出电压下降，因此如上所述，对于FC升压转换器12 的动作停止，不会受上述电压Vfcb的制约。因而，如图8B所示，关于直线LRl的下方的区 域，使FC升压转换器12的动作无制约地停止，容易使系统的效率提高。因而，其结果是，在 图8B中，不存在相当于上述区域RC2的区域。在此，以下所示的映射的说明共同适用于图 8A及图8B，因此统一进行其说明。在上述的区域RC1、RC2以外的动作区域中，驱动FC升压转换器12，进行燃料电池 11的输出电压的升压动作。在该升压动作中，通过执行基于图4A 4F说明的软开关处理， 尽可能地抑制FC升压转换器12的开关损耗。在此，进行该软开关处理的动作区域由直线 LR2区分为准软开关区域RC3和软开关区域RC4。下面，对准软开关区域RC3和软开关区域 RC4进行详细说明。首先，对直线LR2的技术意义进行说明。如上所述，直线LR2为意味着FC升压转 换器12的升压比为2左右的值的直线。本发明的FC升压转换器12的电气结构如图2所 示，但在上述的软开关处理的一系列流程的模式2的动作中，进行缓冲电容器C2的放电，该 放电利用了辅助电路12b的线圈L2和缓冲电容器C2的半波共振。在该模式2的动作中， 当只抽出在FC升压转换器12内实际工作的部分时，就成为图9所示的电路构成。而且，在图9所示的电路构成中，如果不将充电于缓冲电容器C2内的电荷完全放电，则在其后的模式3的动作中，在对开关元件Sl施加有电压的状态下，开关元件Sl的接 通产生的电流流动，因此作为结果会发生开关损耗。因此，虽然理解到将该模式2中的缓冲 电容器C2的电荷完全放电是重要的，但因此在模式1的动作时刻，储存于线圈L2的能量必 须大于储存于缓冲电容器C2的能量。换言之，FC升压转换器12的出口电压VH必须比其 入口电压VL高出规定量以上。因此，基于图IOA及IOB对该出口电压和该入口电压之比VH/VL、和上述放电时的 缓冲电容器C2中剩余的电压的关系进行说明。另外，图IOA表示比VH/VL超过2时的缓冲 电容器C2的电压变化，图IOB表示比VH/VL不足2时的缓冲电容器C2的电压变化。在图 IOA所示的情况下，由于VH-VL的值大于VL，因此当产生半波共振时，缓冲电容器C2的电 压，还存在二极管D2的作用而变为零。另一方面，在图IOB所示的情况下，由于VH-VL的值 小于VL，因此即使产生半波共振，缓冲电容器C2的电压也会剩余一定值以上。因而，在这种 情况下，即使进行上述软开关处理，也会发生些许开关损耗。由以上可知，作为判断是否可 以有效地抑制软开关处理的开关损耗的基准，存在直线LR2。另外，在理论上，如果比VH/VL为2倍以上，则放电后的缓冲电容器C2的电压变为 零，但在实际上，由于发生二极管、配线内的能量损耗，因此优选比VH/VL为超过2倍的值 (例如，2. 3等)。而且，直线LR2将由点划线LLl和LL2所夹的动作区域中、除区域RC1、RC2 以外的区域一分为二，将位于直线LR2下方的区域作为即使因为上述理由进行软开关处理 也难以高效地抑制开关损耗的准软开关区域RC3，将位于直线LR2上方的区域作为高效地 抑制软开关处理的开关损耗的软开关区域RC4。这样，FC升压转换器12的动作区域可区分为规定的区域RCl RC4，但在准软开 关区域RC3中，如上所述，不能充分地抑制FC升压转换器12的开关损耗，因此从燃料电池 系统10的高效化的观点出发，优选在该区域尽可能地避免FC升压转换器12进行升压动 作。因此，基于图IlA对用于促进燃料电池系统10的高效化的、FC升压转换器12的控制 的一个例子进行说明。图IlA所示的FC升压转换器控制由ECU20在由燃料电池11发电的 电力供给到电动机16时执行。另外，关于上述准软开关区域RC3中的升压动作，如上所述， 为了使燃料电池系统10更高效，优选尽可能避免，但本发明的燃料电池系统10不是完全地 排除该升压动作，而是也可以根据需要利用该升压动作。首先，在S201中，算出与由编码器检测到的电动机16的实际转速对应的、该电动 机16可实现最大输出的最大转矩。具体而言，ECU20具有将电动机16的转速和与之对应的 最大转矩建立关联的映射，根据检测到的转速在该映射中进行选取，由此算出电动机16的 最大转矩。当S201的处理结束后，进入S202。在S202中，基于由油门踏板传感器21检测到的油门踏板的开度，算出要求电动机 16输出的要求转矩。当油门踏板的全开定义为要求电动机16的当前时刻的转速的最大转 矩时，设全开时的系数为100%、全闭时的系数为0%，根据下式算出要求转矩。当S202的 处理结束后，进入S203。(要求转矩)=(上述最大转矩)X(与油门踏板的开度对应的系数)在S203中，基于S201和S202的算出结果，按照下式算出电动机16所要求的输出 即要求输出。当S203的处理结束后，进入S204。(要求输出)=(要求转矩)X(电动机的转速)
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在S204中，基于在S203中算出的要求输出和电动机16的转速，算出应施加于变 换器15的电压即电动机需要电压(Vmot)，以使需要的电力供给到电动机16。具体而言， ECU20具有将由电动机16的转速(rpm)和上述要求输出(P)形成的函数F、和电动机需要电 压建立关联的电动机需要电压映射，根据电动机的转速和要求输出在该映射中进行选取， 由此算出电动机需要电压。电动机需要电压映射可通过实验等事先确定，作为其一个例子， 由于其反电动势随着电动机16的转速增大而增大，因此要求电压值理应增大，当要求输出 增大时，为了以更少的电流实现其输出，要求电压值理应增大，因此这几点反映在函数F和 电动机需要电压的相关性中。当S204的处理结束后，进入S205。在S205中，对按照由油门踏板传感器21检测到的油门踏板的开度进行发电的燃 料电池11的输出电压(VfC)进行检测。该检测通过未图示的电压传感器来进行。当S205 的处理结束后，进入S206。在S206中，用在S205中检测到的燃料电池11的输出电压去除 在S204中算出的电动机需要电压，算出暂定升压比Rt ( = Vmot/Vfc)。当S206的处理结束 后，进入S207。在S207中，判断是否可使FC升压转换器12停止。S卩，判断FC升压转换器12的 动作区域是否属于上述区域RCl或RC2中的任一区域。具体而言，在S206中算出的暂定升 压比不足1、且燃料电池11的输出电压在Vfcmax和Vfcb之间时，判断为FC升压转换器12 的动作区域为RC1，另外，在燃料电池11的输出电压为Vfcb以下、且该FC升压转换器12的 出口侧电压为与Vfcb同值的电压以下时，判断为FC升压转换器12的动作区域为RC2。另 外，Vfcb, Vfcmax的值只要根据实际的燃料电池11及蓄电池13的规格事先确定即可。另 外，FC升压转换器12的出口侧的电压通过未图示的电压传感器来检测。而且，在S207中判断为肯定的情况下，进入S208，使FC升压转换器12停止，来自 燃料电池11的输出电压直接施加于变换器15。由此，能够抑制FC升压转换器12的开关 损耗。另外，如上所述，在FC升压转换器12的动作区域属于RCl的情况下，也可在升压后 从蓄电池13向变换器15施加，但在该动作区域属于RC2的情况下，利用蓄电池升压转换器 14将燃料电池11的端子电压控制在可控制的最低电压。另一方面，当在S207中判断为否 定时，进入S209。在S209中，判断在S206中算出的暂定升压比Rt是否超过2。即判断FC升压转换 器12的动作区域位于软开关区域RC4还是位于准软开关区域RC3。当在S209中判断为肯 定时，意味着FC升压转换器12的动作区域位于软开关区域RC4，因此进入S210，执行图3 所示的软开关处理，以使FC升压转换器12的目标输出电压成为电动机需要电压Vmot。另 外，开关元件Sl的占空比根据暂定升压比Rt来确定。另一方面，当在S209中判断为否定 时，意味着FC升压转换器12的动作区域位于准软开关区域RC3。因此，在这种情况下，进入 S211。在S211中，判断在燃料电池系统10中除S206中算出的暂定升压比Rt的电压升 压以外，是否还允许进一步追加的电压升压(以下，简称为“追加的电压升压”)。换言之， 在S209中判断为否定这种情况意味着FC升压转换器12的动作区域在当前时刻位于准软 开关区域RC3，因此判断是否可使其动作区域转移到软开关区域RC4。即，当为了使该动作 区域从准软开关区域RC3转移到软开关区域RC4而将要进行追加的电压升压时，施加于变 换器15的电压比需要的电动机需要电压高。其结果是，变换器15内的开关损耗变大，但在将FC升压转换器12的开关损耗的减小量、与变换器15的开关损耗的增加量相比较时，前 者的减小量也可能会较大，在该情况下，该追加的电压升压从系统效率的观点来看非常有 用。因此，在S211中，判断是否允许该追加的电压升压。当在S211中判断为肯定时，进入 S212，确定用于追加的电压升压的追加升压比Ra。该追加升压比Ra是为了使FC升压转换 器12的最终的升压比(RtXRa得到的升压比)超过由直线LR2确定的升压比(例如，升压 比2)而需要的追加的升压比。而且，在S212的处理后，进入S213，执行图3所示的软开关 处理，以使FC升压转换器12的目标输出电压成为将升压比Rt和追加升压比Ra与燃料电 池11的输出电压Vfc相乘而算出的电压。另外，开关元件Sl的占空比根据暂定升压比Rt 和追加升压比Ra的乘积来确定。这样，在S209中判断为否定的时刻，本来FC升压转换器12的动作区域就是准软 开关区域RC3，在该状态下，即使进行软开关处理，如上所述，也难以充分地抑制开关损耗。 在这种情况下，通过将上述追加升压比Ra考虑到FC升压转换器12的升压比中，相比本来 电动机16的驱动所需要的电压进一步使电压上升，使FC升压转换器12的动作区域为软开 关区域RC4。其结果是，可有效地抑制开关损耗。另一方面，当在S211中判断为否定时，进入S214，在FC升压转换器12的动作区域 为RC3的状态下，进行上述软开关处理。在燃料电池11处于不允许上述追加的电压升压的 状态时，即在如上所述由于使电压追加地升压而使变换器15的开关损耗变得显著的状态 下，不进行S212及S213的处理。根据该图IlA所示的FC升压转换器控制，能够以确保电动机16的驱动为前提而 尽可能使FC升压转换器12的升压动作停止，因而能够抑制开关损耗。另外，即使在使FC 升压转换器12进行升压动作的情况下，也由于在使其动作区域尽可能成为软开关区域RC4 之后进行软开关处理，因此可尽可能地抑制FC升压转换器12的开关损耗。以上，根据具备本发明一实施方式的燃料电池用升压转换器的燃料电池系统，平 滑电容器Cl连接于将燃料电池11和线圈Ll连接的电路上。因而，在步骤S102的处理中， 在使储存于缓冲电容器C2的电荷经由辅助电路12b流向主升压电路12a时(图4B)，通过 该电荷，可缓和向燃料电池11侧施加高电压的情况。〈变形例1>另外，FC升压转换器12也可以如下所述进行变形。即，对于上述FC 升压转换器12的电路，在软开关时，储存于缓冲电容器C2的再生电力不向燃料电池11输 入，因此在从缓冲电容器C2流向燃料电池11的电气电路上设有平滑电容器Cl，但除使用平 滑电容器Cl以外，还可使用如下所述的元件。例如，在从缓冲电容器C2流向燃料电池11 的电路上设置一端接地的齐纳二极管、或非线性电阻。由此，能够抑制规定电压以上的电压 输入到燃料电池11。图IlB表示本变形例的FC升压转换器12的电气电路的一个构成例。 如图IlB所示，本变形例的FC升压转换器12在从缓冲电容器C2流向燃料电池11的电路 上具备一端接地的齐纳二极管ZD、非线性电阻V、整流器即二极管D6。抑制再生电力流向燃 料电池11的这些元件(平滑电容器Cl、齐纳二极管ZD、非线性电阻V、二极管D6)，既可以 设有任一个，也可以将它们以组合多个的状态设置。在应用平滑电容器Cl的情况下，除发挥通过从缓冲电容器C2流出的再生电力来 抑制向燃料电池11施加高电压的效果以外，还能够缓和燃料电池11的输出电压的变化。另 外，在应用齐纳二极管ZD、非线性电阻V的情况下，将这两个元件的设定电压设定为从保护燃料电池11的观点出发而确定的规定电压。所谓规定电压，是输入到燃料电池11的电压， 是例如比燃料电池11的催化剂电极因催化剂的凝聚等而开始劣化的电压低的电压。根据 齐纳二极管ZD、非线性电阻V，在通常运转时电流不会流动，因此不会消耗不必要的电力， 不给车辆1的燃料效率带来影响。另外，根据齐纳二极管ZD、非线性电阻V，除防止再生电 力引起的燃料电池11的端子电压上升以外，还可防止燃料电池11的控制性等引起的燃料 电池11的端子电压的上升等。在应用二极管D6的情况下，从缓冲电容器C2流出的再生电 力不流向燃料电池11，因此如图IlB所示，连接于将燃料电池11和主升压电路12a连接的 电路。通过应用二极管D6，在储存于缓冲电容器C2的电荷经由辅助电路12b向主升压电路 12A再生时，再生电力不向燃料电池11侧倒流，再生电力不会施加于燃料电池11。〈变形例2>另外，FC升压转换器12也可以如下所述进行变形。S卩，上述FC升压 转换器12的电路以在软开关时储存于缓冲电容器C2的再生电力返回到将燃料电池11和 主升压电路12a连接的电路上的方式构成电路，但副升压电路12b也可以使储存于缓冲电 容器C2的电荷流到二次电池即蓄电池13进行充电。图IlC表示本变形例的FC升压转换 器12的电气电路的一个构成例。如图IlC所示，将副升压电路12b的开关元件S2的一端 与蓄电池13连接。由此，在使储存于缓冲电容器C2的电荷放出时，可将该电荷充电到蓄电 池13。由此，从缓冲电容器C2放出的再生电力不会流向燃料电池11，因此无需担心向燃料 电池11施加高电位电压而使催化剂电极等劣化。另外，在上述燃料电池系统10中，蓄电池 13的输出电压设定得比燃料电池11的输出电压低，因此与使储存于缓冲电容器C2的电荷 向主升压电路12a再生的情况相比，能够更可靠地使电荷从缓冲电容器C2放出。因而，关 于如用图IOB指出的那样在比VH/VL不足2时产生的开关损耗，也可以通过采取使储存于 缓冲电容器C2的电荷向蓄电池13放电的电路构成来消除。另外，以保护燃料电池11的观点而设置的上述平滑电容器Cl、齐纳二极管ZD、非 线性电阻V、二极管D6等元件及通过上述变形例2那种电路构成而得到的电源保护的效果， 即使将这些元件及电路构成应用于使燃料电池以外的电源电压升压的转换器也可以得到。 即，本发明可应用于以燃料电池以外的电源为动力源的电动汽车、以电力为驱动力的所有 电气设备等。<变形例3>如上述实施例所述，在图IlA所示的FC升压转换器控制的处理S205 中，对根据由油门踏板传感器21检测到的油门踏板的开度进行发电的燃料电池11的输出 电压进行检测。在本变形例中，关于燃料电池11的输出电压的检测，基于该燃料电池11的 输出(以下，称为FC输出)，算出燃料电池11的输出电压。在此，FC输出根据以下的式⑴算出。(FC输出)=(要求输出)+ (辅机要求输出)+ (蓄电池充电(放电)输出)…(丄)辅机要求输出为氢罐17及压缩机18等辅机所要求的输出，蓄电池充电输出为充 电时的蓄电池13所要求的输出，蓄电池放电输出为放电时的蓄电池13的输出。如果蓄电池 13的剩余蓄电量不足SOC阈值，则将蓄电池充电输出算入上述式(1)中，算出FC输出。如 果蓄电池13的剩余蓄电量为SOC阈值以上，则将蓄电池放电输出作为负值算入上述式⑴ 中，算出FC输出。而且，基于由上述式(1)算出的FC输出，算出燃料电池11的输出电压。 具体而言，ECU20具有对FC输出和燃料电池11的输出电流建立关联的IP特性映射、及对 燃料电池11的输出电流和燃料电池11的输出电压建立关联的IV特性映射，根据FC输出在这两个映射中进行选取，算出燃料电池11的输出电压。根据本变形例，加上辅机所要求 的输出及蓄电池13的剩余蓄电量算出FC输出，从而能够考虑辅机所要求的输出及蓄电池 13的剩余蓄电量而算出燃料电池11的输出电压。另外，也可以将上述式(1)变形为如下所示的式(2)。(FC输出)=(要求输出)+ (辅机要求输出)+ (蓄电池充电(放电)输出)+ (FC 升压转换器12的开关损耗)+ (蓄电池升压转换器14的开关损耗)…(2)通过如此变形，进一步加上FC升压转换器12的开关损耗及蓄电池升压转换器14 的开关损耗来算出FC输出，由此能够考虑FC升压转换器12的开关损耗量及蓄电池升压转 换器14的开关损耗量而算出燃料电池11的输出电压。FC升压转换器12的开关损耗通过在FC升压转换器12的出入口设置电流传感器 及电压传感器并测定FC升压转换器12的出入口侧的电流及电压来算出。另外，蓄电池升 压转换器14的开关损耗通过在蓄电池升压转换器14的出入口设置电流传感器及电压传感 器并测定蓄电池升压转换器14的出入口侧的电流及电压来算出。在此，在FC升压转换器 12及蓄电池升压转换器14都进行升压动作的情况下，加上FC升压转换器12的开关损耗及 蓄电池升压转换器14的开关损耗而算出FC输出。另一方面，在只有蓄电池升压转换器14 进行升压动作的情况下，只加上蓄电池升压转换器14的开关损耗而算出FC输出。另外，对于用于驱动电动机16的向变换器15的电压施加，优选考虑该电动机16 的驱动效率。例如，如上述实施例所述，在从燃料电池11向电动机16供给电力时，在未使 FC升压转换器12停止的情况下，通过FC升压转换器12使施加于变换器15的电压升压。 在本变形例中，基于要求转矩和电动机16的转速，并根据对包括变换器15、电动机16的负 载的效率特性和施加于变换器15的电压建立关联的映射，确定施加于变换器15的电压。而 且，通过FC升压转换器12的升压动作，来使燃料电池11的输出电压升压到上述确定的电 压，施加于变换器15。例如，变换器15的效率特性为相对于施加于变换器15的电压的变换 器15的转换效率，电动机16的效率特性为相对于施加于电动机16的电压的电动机16的 驱动效率。在本变形例中，确定负载的效率特性，根据要求转矩和电动机16的转速的关系， 划定图12A、图12B及图12C所示的负载效率特性的区域。图12A、图12B及图12C是以要 求转矩为纵轴、以电动机16的转速为横轴，将负载效率特性的区域根据效率的高低区分为 阶段进行表示的映射。图12A是表示施加于变换器15的电压为高时的负载效率特性的区 域的映射。图12B是表示施加于变换器15的电压为中等时的负载效率特性的区域的映射。 图12C是表示施加于变换器15的电压为低时的负载效率特性的区域的映射。图12A、图12B 及图12C的点A是基于要求转矩Tl和电动机16的转速Rl来确定的，点B是基于要求转矩 T2和电动机16的转速R2来确定的。图12C的点A包含在负载效率特性为高效率的区域中，但图12A及图12B的点A未 包含在负载效率特性为高效率的区域中。因此可知，在要求转矩Tl和电动机16的转速Rl 时施加于变换器15的电压较低的情况下，负载的效率特性较高。图12B的点B包含在负载 效率特性为高效率的区域中，但图12A及图12C的点B未包含在负载效率特性为高效率的 区域中。因此可知，在要求转矩T2和电动机16的转速R2时施加于变换器15的电压为中 等的情况下，负载的效率特性较高。在本变形例中，ECU20具有如上所述的映射，从负载的效率特性的观点出发来确定施加于变换器15的电压，由此能够对变换器15施加最适宜的 电压。实施例2基于图13 图15对本发明的燃料电池系统的第二实施例进行说明。本实施例的 燃料电池系统和上述第一实施例的燃料电池系统的不同点为FC升压转换器12内的辅助电 路12b及与之相关的技术。因此，在本实施例中，关注该不同点进行说明。图13与图2同样是以FC升压转换器12为中心对燃料电池系统10的电气构成进 行表示的图。在此，在图13所示的FC升压转换器12的辅助电路12b中，还设有由开关元 件S3和二极管D6构成的开关电路。具体而言，开关元件S3的一端连接于二极管D2的阳 极端子侧，该开关元件S3的另一端连接于燃料电池11的低电位侧的端子。该开关元件S3 支援上述软开关处理的模式2的动作中的、储存于缓冲电容器C2的电荷的放电。因此，在 本实施例中，基于图14及图15对包括开关元件S3的开关动作的、新的软开关处理进行说 明。图14与图3同样是表示FC升压转换器12的软开关处理的流程的流程图。与图 3所示的软开关处理的不同点是，在图14所示的处理中，在S102和S103的处理之间、即模 式2和模式3的各动作之间设定有基于开关元件S3的开关动作的新的处理S301这一点。 因此，以该不同点为重点进行说明，关于其他的处理，通过附带与图3相同的参照序号，来 省略其详细的说明。在此，在通过S102的处理来进行模式2的动作时，在FC升压转换器12中，开关元 件S3为断开状态。另外，为了明确表示开关元件S3的开关动作的效果，将FC升压转换器 12的出口电压VH和其入口电压VL的关系设定为对于表示FC升压转换器12的电气状态 的参数即比VH/VL，该比小于2。在这种情况下，该缓冲电容器C2的电荷因线圈L2和缓冲 电容器C2的半波共振而漏失，但如图IOB所示，缓冲电容器C2的电压不会变为零。在此，在本实施例中，在上述半波共振造成的缓冲电容器C2的电压变化变为最低 值的时刻，通过S301的处理，将开关元件S3接通。于是，如图15所示，在缓冲电容器C2中， 即使由于半波共振也不漏掉的电荷经由开关元件S3分散到辅助电路12b内，因此能够使缓 冲电容器C2的电压进一步降低。其结果是，在S301后的S103的处理中，在将开关元件Sl 接通时，能够尽可能地使施加于该开关元件Sl的电压下降，因而能够更可靠地抑制开关损 耗。另外，在FC升压转换器12的出口电压VH和其入口电压VL的关系中比VH/VL超过规 定值的情况(在本实施例中为超过2的情况)下，缓冲电容器C2的电荷通过模式2的动作 而漏掉，因此不一定需要进行S301的处理。<其他实施例 > 另外，如上述实施方式所述，当将电力从燃料电池11通过FC升压 转换器12供给到包括变换器15、电动机16的负载时，发生FC升压转换器12中的电力损 耗。该电力损耗包括对转换的电力的大小的依赖度小的铁损或开关损耗。因此，在输出电 力小的低负载区域，电力效率的降低尤其明显。因此，在低负载区域强烈要求应该使FC升 压转换器12停止且不转换燃料电池11的电力就供给到负载(直通模式、旁通模式)、或者 应该将电力从蓄电池13通过蓄电池升压转换器14供给到负载。在此，基于图16A 图16D对通常的转换器的直通模式及旁通模式进行简单说明。 另外，各图中的粗线箭头表示各转换器的电流的流动。图16A是表示该转换器为升压型转换器(上述的FC升压转换器12为该型的转换器)时的直通模式的情形的图。通过将用于 进行升压的开关元件设定为断开状态，能够将一次侧的电压直接施加于二次侧。图16B是 表示该转换器为升压型转换器、且为相对于用于升压的线圈和二极管的串联体并联地连接 有旁通用的二极管的转换器时的旁通模式的情形的图。通过将用于进行升压的开关元件设 定为断开状态，能够使一次侧的电压绕过而施加于二次侧。图16C是表示该转换器为半桥 式转换器时的直通模式的情形的图。通过将用于进行升压的二个开关元件中图中上侧的开 关元件设定为接通状态、下侧的开关元件设定为断开状态，能够将一次侧的电压直接施加 于二次侧。图16D是表示该转换器为全桥式转换器时的直通模式的情形的图。通过将用于 进行升压的四个开关元件中图中上侧的二个开关元件设定为接通状态、下侧的二个开关元 件设定为断开状态，能够将一次侧的电压直接施加于二次侧。另外，图16B 图16D所示的 构成与上述的FC升压转换器12的转换器不同，但在假设FC升压转换器12采用这些构成 的情况下，通过如各图所示控制开关元件，来实现上述直通模式及旁通模式。另一方面，为了提高耐久性，燃料电池11需要避免催化剂的烧结现象。烧结现象 为燃料电池11的电极上的Pt催化剂凝聚的现象，该现象由相对于Pt催化剂表面上的水 (及相对于质子)的氧化还原反应引起产生。另外得知，这种氧化还原反应因燃料电池11 的端子电压接近开路电压(OCV)且为较高的电位而引起。另外，当燃料电池11为低负载时，根据燃料电池11的IV特性，燃料电池11的端 子电压会逐渐接近开路电压(OCV)。但是，如上所述，当使FC升压转换器12停止时，就不能 够控制燃料电池11的端子电压，难以避免上述反应引起的催化剂劣化。因此，在使FC升压转换器12停止的情况下，只要通过用与FC升压转换器12并联 地设置的蓄电池升压转换器14控制FC升压转换器12的输出侧的电压来控制燃料电池11 的端子电压即可。即，只要利用ECU20监视燃料电池11的端子电压，且控制蓄电池升压转 换器14的输出电压以使其端子电压小于用于避免烧结的基准值即可。该基准值例如以实 验值、经验值进行设定即可。另外，在蓄电池13的端子电压高、且变换器15的要求电压低、不能使蓄电池升压 转换器14的升压比为1以上的情况下，反而必须使蓄电池升压转换器14停止。在该情况 下，为了避免烧结现象，只要不使FC升压转换器12停止且以变换器15的要求电压为基准 而通过FC升压转换器12来控制燃料电池11的端子电压即可。在上述的情况下，不管怎样，为了将燃料电池11的端子电压控制在上述基准值的 下方，都需要从燃料电池11引出电流而消耗电力。此时的电力通常由包括变换器16、电动 机16的负载来消耗。但是，关于剩余电力，在蓄电池13的SOC低且可将电力储存于蓄电池 13的状态下，储存于蓄电池13，不能储存于蓄电池13的电力由辅机(空调、照明、泵等)来 消耗即可。另外，本燃料电池系统10也成为在车辆1的碰撞时将燃料电池11的输出切断的 系统。具体而言，在燃料电池系统10的FC升压转换器12的下游侧设有用于使与变换器15 及蓄电池升压转换器14的电连接ON(接通)/0FF(切断)的继电器电路。另外，由上述的 构成表明，燃料电池系统10中流到FC升压转换器12的下游侧的电流量较少。因此，燃料 电池系统10成为采用比在现有同类型的系统中设置于燃料电池紧后方的继电器电路小型 的继电器电路(低电流用的继电器电路)作为上述继电器电路的系统。
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而且，燃料电池系统10的E⑶20为如下的单元基于设置在车辆1上的碰撞检测 传感器的输出，始终监视有无碰撞，在检测到发生碰撞的情况下，通过控制继电器电路，来 切断FC升压转换器12和变换器15及蓄电池升压转换器14之间的电连接。
权利要求
一种燃料电池系统，具备作为直流电源的燃料电池、及将该燃料电池的输出电压升压而向负载供电的升压单元，其中，所述升压单元具有主升压部，具有开关和线圈，利用该开关相对于该线圈进行开关动作所产生的该线圈的反电动势使所述燃料电池的输出电压升压；以及副升压部，具有利用蓄电量来调整所述开关的两极间的电位差的缓冲电容器，在所述开关动作时，通过调整该缓冲电容器的蓄电量来减少该开关的开关损耗，所述副升压部使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的该缓冲电容器的电荷流到所述燃料电池以外的处理单元进行处理。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述副升压部使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的电荷再生到将作为所述处理 单元的所述主升压部和所述燃料电池连接的电路而进行处理，所述燃料电池系统还具备缓冲单元，该缓冲单元缓和因所述副升压部的再生电力而产 生的所述电路的电压变化。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述副升压部使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的电荷再生到将作为所述处理 单元的所述主升压部和所述燃料电池连接的电路而进行处理，所述燃料电池系统还具备稳压单元，该稳压单元在因所述副升压部的再生电力而变化 的所述电路的电压超过规定电压的情况下，使该电路的电荷流向大地。
4.如权利要求1 3中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述副升压部使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的电荷再生到将作为所述处理 单元的所述主升压部和所述燃料电池连接的电路而进行处理，所述燃料电池系统还具备整流单元，该整流单元阻止所述副升压部的再生电力经由所 述电路流向所述燃料电池。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中， 所述燃料电池系统具备作为所述处理单元的二次电池，所述副升压部使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的电荷流到所述二次电池进行处理。
6.如权利要求1 5中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述主升压部具有第一线圈，一端连接于所述燃料电池的阳极；第一开关，一端连接于所述主线圈的另一端，另一端与所述燃料电池的阴极连接； 第一二极管，阴极侧连接于所述线圈的另一端，阳极侧与所述负载连接；以及 平滑电容器，将所述二极管的阳极侧和所述开关的另一端连接， 所述副升压部具有第二二极管，阴极侧连接于从将所述第一线圈和所述第一开关连接的电路分支的电路；所述缓冲电容器，将所述第二二极管的阳极侧和所述第一开关的另一端连接； 第二线圈，一端连接于从将所述第二二极管的阳极侧和所述缓冲电容器连接的电路分支的电路；第二二极管，阴极侧连接于所述第二线圈的另一端；以及 第二开关，一端连接于所述第二二极管的阳极侧，另一端连接于所述处理单元。
7. 一种燃料电池用升压转换器，将作为直流电源的燃料电池的输出电压升压而向负载 供电，具备主升压部，具有开关和线圈，利用该开关相对于该线圈进行开关动作所产生的该线圈 的反电动势使所述燃料电池的输出电压升压；以及副升压部，具有利用蓄电量来调整所述开关的两极间的电位差的缓冲电容器，在所述 开关动作时，通过调整该缓冲电容器的蓄电量来减少该开关的开关损耗，所述副升压部使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的该缓冲电容器的电荷流到所 述燃料电池以外的处理单元进行处理。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统，具备作为直流电源的燃料电池、及将燃料电池的输出电压升压而向负载供电的升压单元，其中，升压单元具有主升压部，其具有开关和线圈，利用通过开关相对于线圈进行开关动作而产生的该线圈的反电动势，使燃料电池的输出电压升压；以及副升压部，其具有利用蓄电量来调整开关的两极间的电位差的缓冲电容器，在进行开关动作时，通过调整缓冲电容器的蓄电量，来减少开关的开关损耗，所述副升压部使减少缓冲电容器的蓄电量时放出的缓冲电容器的电荷流到燃料电池以外的处理单元进行处理。
文档编号H01M8/04GK101909924SQ200880123228
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月26日 优先权日2007年12月28日
发明者五十岚总纪 申请人:丰田自动车株式会社