專利名稱：電源裝置和用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池車輛的電源裝置和電源系統(tǒng)。
本發(fā)明主張2008年10月24日提出申請的日本專利申請No. 2008_274302、2008年 10月24日提出申請的日本專利申請No. 2008-274303、2008年10月24日提出申請的日本專利申請No. 2008-274304以及2008年10月24日提出申請的日本專利申請No. 2008-274308 的優(yōu)先權，這些專利的內容通過弓I用在此并入。
背景技術：
傳統(tǒng)地，已知電源系統(tǒng)包括連接到燃料電池的第一 DC-DC轉換器以及連接到蓄電裝置的第二 DC-DC轉換器，其中電源系統(tǒng)將電力從第一和第二 DC-DC轉換器供應到用于驅動機動車輛的諸如電動機的負載(例如，參見專利文獻1)。
另外，已知一種其中多個限流裝置并聯(lián)連接的裝置(例如，參見專利文獻2)。
文獻列表 專利文獻 [專利文獻1]日本待審專利申請第一次公布No.2007-318938 [專利文獻2]日本待審專利申請第一次公布NO.H5-38136

發(fā)明內容
技術問題 根據(jù)傳統(tǒng)的公知電源系統(tǒng)，為多個電源裝置(換句話說，燃料電池和蓄電裝置)中的每一個提供DC-DC轉換器。因此，構造電源系統(tǒng)所需的成本變高。另外，電源系統(tǒng)的尺寸變大。因此，需要降低電源系統(tǒng)的成本并減小電源系統(tǒng)的尺寸。
另外，根據(jù)由并聯(lián)連接的多個限流裝置組成的傳統(tǒng)地公知裝置，限流裝置中的每一個的電抗器并聯(lián)連接。這種結構防止當使用單個電抗器時線圈的金屬絲直徑增加得太多。然而，電抗器的電感通常與并聯(lián)連接的數(shù)量成反比例地降低。進一步地，電流脈動增加， 并且開關損耗或噪音增加。響應于這些問題，如果電抗器中的每一個的電感增加以便增加電抗器的總電感，該裝置的尺寸和重量增加，以及構造該裝置所需的成本增加。
此外，當限流裝置并聯(lián)連接時，如在上述裝置中，對于為多個電源裝置(換句話說，燃料電池和蓄電裝置)中的每一個所設置的DC-DC轉換器來說，如在傳統(tǒng)地公知電源系統(tǒng)中那樣，電流脈動和開關損耗或噪音甚至進一步地增加。同時，電源系統(tǒng)的尺寸和重量增加，以及構造該電源系統(tǒng)所需的成本增加。
考慮上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種電源裝置和用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)，所述電源裝置和電源系統(tǒng)能夠降低構造所需的成本并減小尺寸。
技術方案 根據(jù)本發(fā)明的一方面的電源裝置包括第一線路、第二線路和第三線路，且每一個具有相互不同的電勢；電池電路，在所述電池電路中，燃料電池堆和蓄電裝置串聯(lián)連接；和第一 DC-DC轉換器，其中電池電路的兩端連接到第一線路和第三線路，電池電路的蓄電裝置和燃料電池堆的連接點連接到第二線路，第一 DC-DC轉換器的初級側連接到第二線路和第三線路，第一 DC-DC轉換器的次級側連接到第一線路和第三線路，以及電力從第一線路和第三線路被輸出。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造蓄電裝置連接到第一線路和第二線路；以及燃料電池堆連接到第二線路和第三線路。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造驅動將反應氣體供應給燃料電池堆的第一泵和將制冷劑供應給燃料電池堆的第二泵中的至少一個泵的驅動電路連接到第一線路和第二線路。
另外，根據(jù)本發(fā)明的一方面的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)包括以上所述的電源裝置；和驅動車輛的電動機，該電動機從電源裝置供給電力。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)可以被如下構造該電源系統(tǒng)還包括車輛輔助機械，其中車輛輔助機械的至少一部分連接到第一線路和第二線路。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)可以被如下構造該電源系統(tǒng)還包括車輛輔助機械，其中車輛輔助機械的至少一部分連接到第二線路和第三線路。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)可以被如下構造該電源系統(tǒng)還包括車輛輔助機械，其中車輛輔助機械的至少一部分連接到第一線路和第三線路。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)可以被如下構造車輛輔助機械的所述至少一部分通過第二 DC-DC轉換器連接到電源裝置。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)可以被如下構造車輛輔助機械的所述至少一部分包括空氣調節(jié)器。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造蓄電裝置連接到第一線路和第二線路，燃料電池堆連接到第二線路和第三線路，以及驅動將反應氣體供應給燃料電池堆的第一泵和將制冷劑供應給燃料電池堆的第二泵中的至少一個泵的驅動電路連接到第二線路和第三線路。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造驅動將反應氣體供應給燃料電池堆的第一泵和將制冷劑供應給燃料電池堆的第二泵中的至少一個泵的驅動電路連接到第一線路和第三線路。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造第一 DC-DC轉換器是包括多個扼流線圈的限流器型轉換器；以及多個扼流線圈是共模線圈。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造第一 DC-DC轉換器包括三相橋接電路和作為所述多個扼流線圈的三相扼流線圈，在所述三相橋接電路中，開關元件被橋接；共模線圈的芯體是矩形芯體；三相扼流線圈的任一相扼流線圈是分散的并繞包括在矩形芯體中的兩對相對側部中的一對相對側部纏繞；以及三相扼流線圈的除了一相扼流線圈之外的兩相扼流線圈分別是集中的并繞包括在矩形芯體中的兩對相對側部中的另一對相對側部纏繞。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造電力從第一線路和第三線路被供應給負載，電源裝置還包括電力消耗獲得單元，所述電力消耗獲得單元獲得負載的電力消耗；目標電力分配設定單元，所述目標電力分配設定單元根據(jù)所述電力消耗設定燃料電池堆和蓄電裝置的目標電力分配；和占空比控制單元，所述占空比控制單元控制第一 DC-DC轉換器的切換占空比，使得燃料電池堆和蓄電裝置的實際電力分配等于所述目標電力分配。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造電力消耗獲得單元獲得所述電力消耗，所述電力消耗包括電源裝置的外部負載的外部負載電力消耗和電源裝置的內部負載的內部負載電力消耗。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造該電源裝置還包括目標電流設定單元，所述目標電流設定單元根據(jù)目標電力分配設定燃料電池堆或蓄電裝置的目標電流，其中占空比控制單元執(zhí)行切換占空比的反饋控制，使得燃料電池堆或蓄電裝置的實際電流等于目標電流。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造該電源裝置還包括目標電壓設定單元，所述目標電壓設定單元根據(jù)目標電力分配設定燃料電池堆或蓄電裝置的目標電壓，其中占空比控制單元執(zhí)行切換占空比的反饋控制，使得燃料電池堆或蓄電裝置的實際電壓等于目標電壓。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造所述目標電力分配設定單元將燃料電池堆和蓄電裝置的目標輸出比設定為目標電力分配；以及占空比控制單元執(zhí)行切換占空比的反饋控制，使得燃料電池堆和蓄電裝置的實際輸出比等于目標輸出比。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造該電源裝置還包括驅動車輛的電動機，電動機從電池電路供給電力；目標設定單元，所述目標設定單元將燃料電池堆的目標輸出電流或目標輸出電力設定為零或正值；檢測單元，所述檢測單元檢測燃料電池堆的輸出電流或輸出電壓；和占空比控制單元，所述占空比控制單元執(zhí)行第一 DC-DC轉換器的切換占空比的反饋控制，使得由檢測單元檢測的輸出電流等于目標輸出電流，或由檢測單元檢測的輸出電壓等于目標輸出電壓；其中在驅動車輛的電動機的再生操作期間，占空比控制單元持續(xù)反饋控制；以及電力從第一線路和第三線路供應給負載。
根據(jù)本發(fā)明的以上方面的電源裝置可以被如下構造在驅動車輛的電動機的再生操作期間，目標設定單元將目標輸出電流或目標輸出電力設定到零。
有益的技術效果 根據(jù)基于本發(fā)明的電源裝置，可以通過為其中燃料電池堆和蓄電裝置串聯(lián)連接的電池電路提供單個第一 DC-DC轉換器來切換多個操作模式。與為燃料電池堆和蓄電裝置中的每一個單獨配備DC-DC轉換器的情況相比，可以降低構造所需的成本，并且尺寸可以形成得更小。
因為根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)包括單個第一 DC-DC轉換器，因此可以降低構造電源裝置所需的成本并減小尺寸。另外，因為燃料電池堆和蓄電裝置串聯(lián)連接，因此與燃料電池堆和蓄電裝置并聯(lián)連接的情況相比，可以增加用于驅動車輛的電動機的驅動電路的操作電壓。同時，可以減小電流。此外，可以減小用于驅動車輛的驅動電路和電動機的尺寸。另外，可以增強操作效率。這樣，可以降低構造用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)所需的成本，并且可以減小尺寸。
即使在關于第一 DC-DC轉換器的緊急狀況(例如當斷路故障發(fā)生時)期間，也可以通過從電池電路將電力供應到用于驅動車輛的電動機的驅動電路來驅動燃料電池車輛。
根據(jù)基于本發(fā)明的電源裝置，因為多個扼流線圈以共模的方式纏繞，并且電流沿一個方向被施加，因此可以增大磁通量。因此，與多個扼流線圈簡單并聯(lián)連接的情況相比， 可以防止電感的下降。還可以減小電流脈動、切換損耗和噪音。同時，DC-DC轉換器可以被形成得更小和更輕。此外，可以僅通過將單個第一 DC-DC轉換器提供給其中燃料電池堆和蓄電裝置串聯(lián)連接的電池電路來切換多個操作模式。與為燃料電池堆和蓄電裝置中的每一個單獨配備DC-DC轉換器的情況相比，可以降低構造所需的成本并減小尺寸。
根據(jù)基于本發(fā)明的電源裝置，為其中燃料電池堆和蓄電裝置串聯(lián)連接的電池電路設置單個DC-DC轉換器?？刂艱C-DC轉換器的切換占空比，使得燃料電池堆和蓄電裝置相對于負載的電力消耗的實際電力分配等于目標電力分配。因此，可以自由地切換與燃料電池堆和蓄電裝置的電力相對應的多個操作模式。與其中為燃料電池堆和蓄電裝置中的每一個單獨配備DC-DC轉換器的情況相比，可以降低用于構造所需的成本，減小尺寸，并且以適當?shù)姆绞娇刂齐娏?br> 根據(jù)基于本發(fā)明的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)，為其中燃料電池堆和蓄電裝置串聯(lián)連接的電池電路設置單個DC-DC轉換器。對DC-DC轉換器的切換占空比執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆的檢測的輸出電流或輸出電力等于被設定到零或正值的目標輸出電流或目標輸出電力。因此，可以有效地使用在用于驅動車輛的電動機的再生操作期間生成的再生電力。與為燃料電池堆和蓄電裝置中的每一個單獨設置DC-DC轉換器的情況相比，可以降低用于構造所需的成本，減小尺寸，并且以有效的方式控制電力。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電源裝置的結構圖； 圖2是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖3是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖4是根據(jù)上述實施例的具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖5是根據(jù)上述實施例的第一變形例的具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖6顯示根據(jù)上述實施例的燃料電池堆的操作點的例子； 圖7顯示根據(jù)上述實施例的電池的操作點的例子； 圖8顯示根據(jù)上述實施例的表示燃料電池堆的操作點、電池的操作點、第一 DC-DC 轉換器的切換占空比、以及負載的總電力消耗之間的對應關系的預定映射(map)的例子； 圖9顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時第一 DC-DC轉換器的切換占空比的變化相對應的燃料電池堆和電池的電流和電壓的變化、電源裝置的操作模式的變化的例子； 圖IOA顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(EV 模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖IOB顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(EV 模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖IlA顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 (FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖IlB顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 (FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖12A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖12B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖13A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第三(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖13B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第三(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖14A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖14B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖15A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖15B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二 FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖16A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式(再生模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖16B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式(再生模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖17A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式 ((再生+FC電池充電)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖17B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式 ((再生+FC電池充電)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖18是根據(jù)上述實施例的第二變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖19是根據(jù)上述實施例的第三變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖20是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的電源裝置的結構圖； 圖21是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖22是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖23是根據(jù)上述實施例的具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖24是根據(jù)上述實施例的第一變形例具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖25顯示根據(jù)上述實施例的燃料電池堆的操作點的例子； 圖26顯示根據(jù)上述實施例的電池的操作點的例子； 圖27顯示根據(jù)上述實施例的表示燃料電池堆的操作點、電池的操作點、第一 DC-DC轉換器的切換占空比、以及負載的總電力消耗之間的對應關系的預定映射的例子； 圖28顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時與第一 DC-DC轉換器的切換占空比的變化相對應的燃料電池堆和電池的電流和電壓的變化、電源裝置的操作模式的變化的例子； 圖29是根據(jù)上述實施例的第二變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖30是根據(jù)上述實施例的第三變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖31是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的電源裝置的結構圖； 圖32是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖33是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖34是根據(jù)上述實施例的具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖35是根據(jù)上述實施例的第一變形例具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖36顯示根據(jù)上述實施例的燃料電池堆的操作點的例子； 圖37顯示根據(jù)上述實施例的電池的操作點的例子； 圖38顯示根據(jù)上述實施例的表示燃料電池堆的操作點、電池的操作點、第一 DC-DC轉換器的切換占空比、以及負載的總電力消耗之間的對應關系的預定映射的例子； 圖39顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時與第一 DC-DC轉換器的切換占空比的變化相對應的燃料電池堆和電池的電流和電壓的變化、電源裝置的操作模式的變化的例子； 圖40是根據(jù)上述實施例的第二變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖41是根據(jù)上述實施例的第三變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖42是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的電源裝置的結構圖； 圖43是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖44是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖45是根據(jù)上述實施例的具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖46是根據(jù)上述實施例的第一變形例具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖47顯示根據(jù)上述實施例的燃料電池堆的操作點的例子； 圖48顯示根據(jù)上述實施例的電池的操作點的例子； 圖49顯示根據(jù)上述實施例的表示燃料電池堆的操作點、電池的操作點、第一 DC-DC轉換器的切換占空比、以及負載的總電力消耗之間的對應關系的預定映射的例子； 圖50顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時與第一 DC-DC轉換器的切換占空比的變化相對應的燃料電池堆和電池的電流和電壓的變化、電源裝置的操作模式的變化的例子； 圖51A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(EV 模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖51B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(EV 模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖52A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 (FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖52B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 (FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖53A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖53B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖54A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第三(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖54B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第三(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖55A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖55B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖56A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖56B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二 FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖57A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式(再生模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖57B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式(再生模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖58A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式 ((再生+FC電池充電)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖58B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式 ((再生+FC電池充電)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖59是根據(jù)上述實施例的第二變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖60是根據(jù)上述實施例的第三變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖61是根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的電源裝置的結構圖； 圖62是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖63是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖64是根據(jù)上述實施例的具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖65是根據(jù)上述實施例的第一變形例具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖66顯示根據(jù)上述實施例的燃料電池堆的操作點的例子； 圖67顯示根據(jù)上述實施例的電池的操作點的例子； 圖68顯示根據(jù)上述實施例的表示燃料電池堆的操作點、電池的操作點、第一DC-DC轉換器的切換占空比、以及負載的總電力消耗之間的對應關系的預定映射的例子； 圖69顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時與第一 DC-DC轉換器的切換占空比的變化相對應的燃料電池堆和電池的電流和電壓的變化、電源裝置的操作模式的變化的例子； 圖70A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(EV 模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖70B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(EV 模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖71A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 (FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖71B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 (FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖72A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖72B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖73A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第三(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖73B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第三(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖74A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖74B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖75A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖75B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二 FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖76A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式(再生模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖76B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式(再生模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖77A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式 ((再生+FC電池充電)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖77B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式 ((再生+FC電池充電)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖78是顯示根據(jù)上述實施例的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的操作的流程圖； 圖79是根據(jù)上述實施例的第二變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖80是根據(jù)上述實施例的第三變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖81是根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的電源裝置的結構圖； 圖82是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖83是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖84是根據(jù)上述實施例的具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖85是根據(jù)上述實施例的第一變形例的具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖86顯示根據(jù)上述實施例的燃料電池堆的操作點的例子； 圖87顯示根據(jù)上述實施例的電池的操作點的例子； 圖88顯示根據(jù)上述實施例的表示燃料電池堆的操作點、電池的操作點、第一 DC-DC轉換器的切換占空比、以及負載的總電力消耗之間的對應關系的預定映射的例子； 圖89顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時與第一 DC-DC轉換器的切換占空比的變化相對應的燃料電池堆和電池的電流和電壓的變化、電源裝置的操作模式的變化的例子； 圖90A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(EV 模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖90B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(EV 模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖91A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 (FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖91B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 (FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖92A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖92B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖93A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第三(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖93B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第三(FC+電池)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖94A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一 FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖94B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第一FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖95A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖95B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時在電源裝置的操作模式(第二 FC模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖96A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式(再生模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖96B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式(再生模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖97A顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式 ((再生+FC電池充電)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖97B顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被再生時在電源裝置的操作模式 ((再生+FC電池充電)模式)期間的電力供應狀態(tài)； 圖98是顯示根據(jù)上述實施例的用于燃料裝置的電源系統(tǒng)的操作的流程圖； 圖99是根據(jù)上述實施例的第二變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖100是根據(jù)上述實施例的第三變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖101是根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的電源裝置的結構圖； 圖102是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖103是根據(jù)上述實施例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖； 圖104是根據(jù)上述實施例的具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖105是根據(jù)上述實施例的第一變形例的具有三相的扼流線圈的結構圖； 圖106顯示根據(jù)上述實施例的燃料電池堆的操作點的例子； 圖107顯示根據(jù)上述實施例的電池的操作點的例子； 圖108顯示根據(jù)上述實施例的表示燃料電池堆的操作點、電池的操作點、第一 DC-DC轉換器的切換占空比、以及負載的總電力消耗之間的對應關系的預定映射的例子； 圖109顯示根據(jù)上述實施例的當驅動電動機被驅動時與第一 DC-DC轉換器的切換占空比的變化相對應的燃料電池堆和電池的電流和電壓的變化、電源裝置的操作模式的變化的例子； 圖110是根據(jù)上述實施例的第二變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構圖；以及 圖111是根據(jù)上述實施例的第三變形例的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的結構。
具體實施例方式以下參照圖1-19提供對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電源裝置和用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的說明。
根據(jù)本實施例的電源裝置10如圖1中所示例如包括燃料電池堆(FC) 11、電池12、 第一 DC-DC轉換器13以及空氣泵逆變器14。例如，電源裝置10連接到驅動電動機逆變器 15。
例如，電源裝置10設置在用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)20中。例如，如圖2和圖 3中所示，用于燃料電池車輛的這種電源系統(tǒng)20包括電源裝置10、空氣泵(AP)21、驅動電動機22、第二 DC-DC轉換器23、空氣調節(jié)器24、控制裝置25、接地故障傳感器26、輸出電流傳感器27、相電流傳感器28以及角度傳感器29。
燃料電池堆11通過層疊多個燃料電池而形成，所述燃料電池包括固體聚合物電解質膜，所述固體聚合物電解質膜包括陽離子交換膜和類似物，該固體聚合物電解質膜由包括陽極催化劑和氣體擴散層的燃料電極(陽極)和包括陰極催化劑和氣體擴散層的氧電極(陰極)保持，固體聚合物電解質膜和陽極以及陰極從而形成電解電極結構，該電解電極結構進一步地被一對間隔器保持。燃料電池的層疊主體從形成層的方向的兩側被夾在一對端板之間。
空氣從空氣泵21被供應給燃料電池堆11的陰極，且空氣是包括氧氣的氧化劑氣體(反應氣體)。例如，包括氫的燃料氣體(反應氣體)從高壓氫罐(未示出)被供應給陽極。
氫在陽極處利用陽極催化劑通過催化反應被電離并通過適度濕潤的固體聚合物電解質膜移動到陰極。在氫移動的同時生成電子，并且通過外電路提取電子，并將該電子用作直流電流的電能。此時，氫離子、電子以及氧在陰極處反應，從而形成水。
這里，例如，空氣泵21從車輛外部引入空氣并壓縮該空氣?？諝獗?1將該空氣作為反應氣體供應給燃料電池堆11的陰極?？諝獗媚孀兤?4根據(jù)由控制裝置25輸出的控制指令控制驅動該空氣泵21的電動機(未示出)的轉數(shù)?？諝獗媚孀兤?4包括基于脈寬調制(PWM)的PWM逆變器。
作為電池12的替代，電源裝置10可以包括例如作為蓄電裝置的電容器，該電容器包括雙電層電容器或電解電容器。
第一 DC-DC轉換器13例如是限流器型DC-DC轉換器。如圖3中所示，第一 DC-DC 轉換器13包括具有三相的橋接電路31、具有三相的扼流線圈32以及平滑電容器33。上述橋接電路31包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
在圖1和圖2中以簡化形式示出了第一 DC-DC轉換器13。因此，在三相中，在圖1 和圖2中僅示出了開關元件和扼流線圈32的一相。
橋接電路31與形成隨后所述的驅動電動機逆變器15的三相橋接電路51相同。在該橋接電路31中，為各相中的每一相形成配對的高壓側第一晶體管AH和低壓側第一晶體管AL、高壓側第二晶體管BH和低壓側第二晶體管BL、以及高壓側第三晶體管CH和低壓側第三晶體管CL，這些晶體管被橋接。晶體管AH、BH以及CH中的每一個都通過連接到次級側正端子P2的集電極形成高壓側臂。晶體管AL、BL和CL中的每一個都通過連接到次級側負端子N2的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的集電極。二極管DAH、DAL、 DBH、DBL、DCHJP DCL中的每一個都連接在晶體管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得由發(fā)射極到集電極的方向是向前方向。
該橋接電路31由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且所述信號從控制裝置25輸出并被輸入到晶體管中的每一個的柵極。能夠交替切換高壓側臂的晶體管AH、 BH和CH中的每一個都被導通而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止的狀態(tài)和高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL 中的每一個都被導通的狀態(tài)。
平滑電容器33連接到次級側正端子P2和次級側負端子N2。
對于三相扼流線圈32，扼流線圈32中的每一個的端部都連接在橋接電路31的相中的每一相的集電極與發(fā)射極之間。換句話說，扼流線圈32中的每一個的端部分別連接在晶體管AH和AL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、晶體管BH和BL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、以及晶體管CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間。扼流線圈32中的每一個的另一側共同連接到初級側正端子P1。
例如，如圖4中所示，三相扼流線圈32通過以共模的方式繞單個矩形芯體41纏繞而形成。扼流線圈32被設定成使得在供應電力的同時由扼流線圈32中的每一個生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流線圈32中的一相是分散的并繞一對相對側部41a纏繞，所述一對相對側部是形成矩形芯體41的兩對相對側部中的一對。三相扼流線圈32中的另外兩相是集中的并繞形成矩形芯體41的兩對相對側部中的另一對相對側部41b纏繞。
例如，如圖5中所示，三相扼流線圈32中的每一個都是集中的并繞形成矩形芯體 41的四個側部中的三個側部纏繞。進一步地，三相扼流線圈32中的每一個都具有不同的纏繞結構。
關于三個線路Li、L2和L3，其中每一個都具有相互不同的電勢(例如，Ll的電勢 > L2的電勢> L3的電勢)，第一 DC-DC轉換器13的初級側連接到第二線路L2和第三線路 L3。DC-DC轉換器13的次級側連接到第一線路Ll和第三線路L3。換句話說，第一線路Ll 連接到次級側正端子P2，第二線路L2連接到初級側正端子Pl，而第三線路L3連接到初級側負端子W和次級側負端子N2。
對于這種第一 DC-DC轉換器13，當從初級側到次級側執(zhí)行升壓操作時，在例如驅動電動機22被驅動時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通。由于從初級側流動的電流，扼流線圈32 受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈32的電流的中斷而導致磁通量變化的同時，能夠在扼流線圈32的兩端生成感應電壓。由聚集在扼流線圈32 中的磁能生成的感應電壓被添加給初級側中的輸入電壓。這樣，能夠將比初級側中的輸入電壓高的升高電壓施加到次級側。能夠通過平滑電容器33使在此轉換操作期間生成的電壓的波動平滑。另外，升高電壓從次級側被輸出。
另一方面，例如，當驅動電動機22被再生時從次級側到初級側的再生操作期間， 高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。此時，低壓側的晶體管AL、BL和 CL中的每一個都被導通。扼流線圈32由于從次級側輸入的電流而受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈32的電流的阻斷而造成的磁通量的變化的同時，在扼流線圈32的兩端之間生成感應電壓。由聚集在扼流線圈 32中的磁能生成的感應電壓變成下降電壓，所述下降電壓通過根據(jù)高壓側臂的晶體管AH、 BH和CH中的每一個的導通/截止比率而使次級側的輸入電壓逐步下降而生成。這樣，能夠將下降電壓施加到初級側。
第一 DC-DC轉換器13由被脈寬調制的信號(PWM信號)驅動，所述信號從控制裝置25輸出并輸入到晶體管中的每一個的柵極。第一 DC-DC轉換器13根據(jù)切換占空比來切換高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的導通/截止狀態(tài)，所述切換占空比例如被定義為在PWM信號的一個周期期間高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個被導通的比率。
另外，當切換導通/截止狀態(tài)時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個被禁止同時導通。提供適當?shù)耐r間，在此期間上述晶體管中的每一個能夠同時被截止。
燃料電池堆11通過設置在正電極側和負電極側的接觸器Ila和電容器lib連接到第二線路L2和第三線路L3。電池12通過設置在正電極側和負電極側的接觸器12a以及通過設置在正電極側的限流電路12b連接到第一線路Ll和第二線路L2。因此，燃料電池堆 11和電池12在第一線路Ll與第三線路L3之間串聯(lián)連接。燃料電池堆11和電池12因此包括電池電路10a。
當電力從第一線路Ll和第三線路L3輸出到負載(例如，驅動電動機22)時，第一線路Ll和第三線路L3連接到驅動電動機逆變器15。
空氣泵逆變器14連接到第一線路Ll和第二線路L2。此空氣泵逆變器14是空氣泵21的驅動電路。
包括三相驅動電動機22的驅動電路的驅動電動機逆變器15是具有脈寬調制 (PWM)的PWM逆變器。此驅動電動機逆變器15包括三相橋接電路51，所述三相橋接電路51 包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
橋接電路51與形成第一 DC-DC轉換器13的三相橋接電路31相同。在橋接電路 51中，為各相中的每一相形成配對的高壓側U相晶體管UH和低壓側U相晶體管UL、高壓側V相晶體管VH和低壓側V相晶體管VL、以及高壓側W相晶體管WH和低壓側W相晶體管 WL例如被橋接。晶體管UH、VH和WH中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器13的次級側正端子P2的集電極形成高壓側臂。晶體管UL、VL和WL中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器13的次級側負端子N2的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管UH、VH和WH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管UL、VL和WL的中的每一個的集電極。二極管DUH、DUL、DVH、DVL、DWH和DWL中的每一個都連接在晶體管UH、UL、VH、VL、 WHjP WL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得從發(fā)射極到集電極的方向為向前方向。
此驅動電動機逆變器15由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且該信號從控制裝置25輸出并輸入到橋接電路51的晶體管中的每一個的柵極。例如，當驅動電動機 22被驅動時，通過切換對于各相中的每一相形成配對的晶體管中的每一個的導通(傳導) 和截止(中斷)狀態(tài)，驅動電動機逆變器15將從電源裝置10輸出的直流電轉換成三相交流電。通過依次將電流轉換到三相定子繞組，U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw被供應給每一相的定子繞組，其中所述U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw都是交流電流。同時，當驅動電動機22被再生時，例如，從驅動電動機22輸出的三相交流電被轉換成直流電，并被供應給第一 DC-DC轉換器13。然后，電池被充電，并且電力被供給連接到第一 DC-DC轉換器13的負載。
驅動電動機22例如是使用永磁體作為磁場的永磁體型三相交流同步電動機。通過驅動電動機逆變器15供應的三相交流電驅動和控制驅動電動機22。同時，當驅動力從驅動輪側傳送到驅動電動機22側同時車輛減速時，驅動電動機22用作發(fā)電機。這樣，驅動電動機22產生所謂的再生制動力。進一步地，驅動電動機22回收車輛的動能作為電能。
第二 DC-DC轉換器23例如是限流器型DC-DC轉換器。裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，處理裝置、電磁閥以及12伏型負載)的至少一部分作為負載連接到第二 DC-DC轉換器23。
第二 DC-DC轉換器23連接到第一線路Ll和第二線路L2。該第二 DC-DC轉換器 23根據(jù)從控制裝置25輸出的控制指令通過限流運動降低施加在第一線路Ll與第二線路 L2之間的電壓，并將該電壓供應給連接到第二 DC-DC轉換器23的負載。
空氣調節(jié)器24包括在裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械的至少一部分中。 該空氣調節(jié)器24例如包括裝載在燃料電池車輛上的加熱器、用于壓縮機的電動機以及驅動電路(例如，逆變器)。
空氣調節(jié)器24連接到第一線路Ll和第二線路L2。電力從第一線路Ll和第二線路L2被供應到空氣調節(jié)器24。
控制裝置25執(zhí)行占空比控制，從而控制第一 DC-DC轉換器13的切換占空比。同時，控制裝置25控制驅動電動機逆變器15的電力轉換操作。
控制裝置25接收例如由接地故障傳感器26、輸出電流傳感器27、相電流傳感器28 以及角度傳感器29輸出的檢測信號的輸入，其中所述接地故障傳感器26連接到第一線路 Ll和第三線路L3并檢測接地故障的發(fā)生，所述輸出電流傳感器27檢測燃料電池堆11的輸出電流IFC，所述相電流傳感器28檢測驅動電動機逆變器15與驅動電動機22之間的三相電流中的每一個，所述角度傳感器29檢測驅動電動機的轉子的旋轉角度(換句話說，轉子的磁極從預定標準旋轉位置的旋轉角度，和驅動電動機22的旋轉軸線的旋轉位置)。
控制裝置25例如包括電力消耗計算單元61、目標電流分配單元62、目標電流設定單元63、占空比控制單元64以及驅動電動機控制單元65。
電力消耗計算單元61計算負載(例如，裝載在電源裝置10外的驅動電動機22、 空氣調節(jié)器以及車輛輔助裝置，以及裝載在電源裝置10內的空氣泵逆變器14)的總電力消耗，其中電力從電源裝置10被供應給所述負載。
當驅動電動機22被驅動時，例如，目標電力分配設定單元62例如根據(jù)燃料電池堆 11的狀態(tài)(例如，燃料電池堆11的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池12的剩余容量 SOC來設定形成電源裝置10的電池電路IOa的燃料電池堆11和電池12的電力分配。換句話說，當由電力消耗計算單元61計算的總電力消耗是由燃料電池堆11輸出的電力加上由電池12輸出的電力獲得的值時，目標電力分配設定單元62設定分配。
例如，當驅動電動機22被驅動時，電力分配變成與第一 DC-DC轉換器13的切換占空比(換句話說，在PWM信號的一個周期內高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通的比例)相對應的值。如下所示，可以使用燃料電池堆11的電壓(“VFC”)和電池12 的電壓(“VB”)來表示切換占空比(“占空比”)。
占空比=VFC/ (VFC+VB) 由此公式，燃料電池堆11的電壓(“VFC”)和電池12的電壓(“VB”)的比率可以使用切換占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC = (1_占空比)/占空比 例如，如圖6和圖7中所示，燃料電池堆11的電壓(“VFC”)和電池12的電壓("VB")與燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc)和電力以及電池12的電流(Ib)和電力中的每一個具有預定的對應關系。由此對應關系，能夠使用切換占空比(“占空比”)來表示燃料電池堆11的操作點(例如，電壓或電流或電力)和電池12的操作點(例如，電壓或電流或電力)的比率。
例如，當驅動電動機22被再生時，目標電力分配設定單元62根據(jù)燃料電池堆11 的狀態(tài)(例如，燃料電池堆11的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池12的剩余容量SOC 以及驅動電動機22的再生電力等來設定燃料電池堆11和驅動電動機逆變器15的電力供應側的電力分配，以及設定電池12和負載(例如，空氣調節(jié)器24和車輛輔助裝置以及空氣泵逆變器14)的電力接收側的電力分配。
因為使用切換占空比(“占空比”)來表示燃料電池堆11的操作點(例如，電壓或電流或電力)與電池12的操作點(例如，電壓或電流或電力)的比率，因此目標電流設定單元63通過參照預定映射獲得與例如當驅動電動機22被驅動時燃料電池堆11的輸出電流Ifc相對應的目標電流，所述預定映射表示燃料電池堆11的操作點、電池12的操作點、 第一 DC-DC轉換器13的切換占空比以及負載的總電力消耗之間的對應關系。
例如，如圖8中所示，該預定映射在二維坐標中顯示相對于第一 DC-DC轉換器13 的切換占空比的多個值中的每一個(D(I)，……，D(k)，……)設定的燃料電池堆11的操作點與電池12的操作點的對應關系，在所述坐標系中，燃料電池堆11的操作點和電池12 的操作點是直角坐標。另外，該預定映射顯示相對于負載的總電力消耗的多個值中的每一個(P(I)，……，P(k)，……)設定的燃料電池堆11的操作點與電池12的操作點之間的對應關系。
考慮為第一DC-DC轉換器13的切換占空比的多個值中的每一個設定的對應關系， 電池12的操作點被設定成具有隨著燃料電池堆11的操作點的增加而根據(jù)切換占空比以一定比率增加的趨勢。
同時，考慮到為負載的總消耗電力的多個值中的每一個設定的燃料電池堆11的操作點與電池12的操作點之間的對應關系，操作點的組合被設定成使得與燃料電池堆11 的操作點相對應的電力和與電池12的操作點相對應的電力的總和等于負載的總消耗電力。
當在其中燃料電池堆11的操作點和電池12的操作點為直角坐標的二維坐標上燃料電池堆11和電池12的的操作點根據(jù)由目標電力分配單元62設定的電力分配被設定成是基于由消耗電力計算單元61計算的負載的總電力消耗的對應關系P(k)與基于第一 DC-DC轉換器13的切換占空比的對應關系D(k)之間的交點時，目標電流設定單元63輸出與該操作點相對應的燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc)作為目標電流。
另外，例如，當驅動電動機22被再生時，目標電流設定單元63根據(jù)由目標電力分配設定單元62設定的電力分配輸出零或正值作為燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc) 的目標電流。
占空比控制單元64控制第一 DC-DC轉換器13的切換占空比，使得燃料電池堆11 和電池12的實際電力分配等于由目標電力分配設定單元62設定的電力分配(目標電力分配)。例如，占空比控制單元64控制第一 DC-DC轉換器13的切換占空比，使得由輸出電流傳感器27輸出的燃料電池堆11的輸出電流IFC的檢測值等于由目標電流設定單元63輸出的燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc)的目標值。
該占空比控制單元64包括例如電流偏差計算單元71、反饋處理單元72和PWM信號生成單元73。
電流偏差計算單元71計算和輸出由電流傳感器27輸出的燃料電池堆11的輸出電流IFC的檢測值與由目標電流設定單元63輸出的燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc) 的目標值之間的電流偏差。
反饋處理單元72通過由例如PID (比例積分微分)運算控制和放大由電流偏差計算單元71輸出的電流偏差來計算電壓指令值。
為了從燃料電池堆11輸出與從反饋處理單元72輸出的電壓指令值相對應的輸出電流Ifc，PWM信號生成單元73生成和輸出導通和截止第一 DC-DC轉換器13的高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個以及低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的門信號 (即，PWM信號)。
例如，當驅動電動機22被驅動，驅動電動機控制單元65在旋轉直角坐標形式的 dq-坐標系上執(zhí)行電流的反饋控制(矢量控制)。該驅動電動機控制單元65根據(jù)基于駕駛員的加速操作和驅動電動機22的轉數(shù)的扭矩指令計算目標d-軸電流和目標q_軸電流。然后，驅動電動機控制單元65根據(jù)目標d-軸電流和目標q-軸電流計算三相輸出電壓Vu、Vv 和Vw中的每一個。進一步地，驅動電動機控制單元65根據(jù)輸出電壓Vu、Vv和Vw的每一相將作為門信號的PWM信號輸入給驅動電動機逆變器15的橋接電路51。同時，驅動電動機控制單元65執(zhí)行控制，使得通過將實際由F-驅動電動機逆變器15供應給驅動電動機12的電流Iu、Iv和Iw的每一相的檢測值轉換到dq-坐標系得到的d-軸電流與q_軸電流之間的偏差和目標d-軸電流與目標q_軸電流之間的偏差等于零。
另外，例如，當驅動電動機22被再生時，驅動電動機控制單元65根據(jù)基于由角度傳感器29輸出的驅動電動機22的轉子的旋轉角度θ m的輸出波形被同步的脈沖導通和截止驅動電動機逆變器15的橋接電路51的晶體管中的每一個。從驅動電動機控制單元65 輸出的三相交流電被轉換成直流電。此時，驅動電動機控制單元65根據(jù)導通和截止橋接電路51的晶體管中的每一個的門信號的占空比執(zhí)行再生電壓的反饋控制。驅動電動機控制單元65將預定電壓值輸出給驅動電動機逆變器15的初級側，換句話說，在第一 DC-DC轉換器的13的次級側正端子P2與次級側負端子N2之間。
換句話說，例如，當驅動電動機22被驅動，控制裝置25執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流。因此，控制裝置25控制第一 DC-DC 轉換器13的切換占空比。例如，如圖9中所示，該控制裝置25連續(xù)控制電源裝置10的操作模式。
例如，當?shù)谝?DC-DC轉換器13的升壓比近似等于2至3時，電源裝置10的最大化切換占空比的操作模式是EV模式，在該EV模式中，僅電池12的輸出被供應給驅動電動機逆變器15和空氣泵逆變器14，例如，如圖IOA圖IOB所示。
當切換占空比趨向于從EV模式下降時，電源裝置10的操作模式依次從第一(FC+ 電池)模式改變到第二(FC+電池)模式到第三(FC+電池)模式，例如，如圖11A-13B中所示。在第一模式中，電池12的輸出被供應給驅動電動機逆變器15和空氣泵逆變器14。同時，在第一模式中，燃料電池堆11的輸出被供應給驅動電動機逆變器15，并且電池12的電流(Ib)變得大于燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc)。在第二模式中，電池12的輸出被供應給驅動電動機逆變器15和空氣泵逆變器14。同時，在第二模式中，燃料電池堆11的輸出被供應給驅動電動機逆變器15，并且電池12的電流(Ib)變得等于燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc)與流動通過空氣泵逆變器14的電流(IAP)的總和。在第三模式中，電池12和燃料電池堆11的輸出被供應給驅動電動機逆變器15和空氣泵逆變器14，并且電池 12的電流(Ib)變得小于燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc)。
因此，電池12的電流(Ib)趨向于下降，例如，如圖9中所示。另外，燃料電池堆11 的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(Ifc指令)趨向于增加。驅動電動機逆變器15的初級側的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池12的電壓(VB)趨向于增加，而燃料電池堆 11的電壓(VFC)趨向于減小。
進一步地，當切換占空比趨向于從第三(FC+電池)模式下降到最小值時，電源裝置10的操作模式依次改變到第一 FC模式和第二 FC模式，例如，如圖14A-15B中所示。在第一 FC模式中，僅燃料電池堆11的輸出被供應給驅動電動機逆變器15和空氣泵逆變器14。 在第二 FC模式中，僅燃料電池堆11的輸出被供應給驅動電動機逆變器15、空氣泵逆變器 14以及電池12，從而給電池12充電。
因此，電池12的電流(Ib)趨向于從零減小到負值，例如，如圖9中所示。同時，燃料電池堆11的電流(輸出電流IfC)和目標電流(IfC指令)趨向于增加。另外，驅動電動機逆變器15的初級側中的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池12的電壓(VB)趨向于增加。另一方面，燃料電池堆11的電壓(VFC)趨向于減小。
例如，當驅動電動機22被再生時，控制裝置25執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆11 的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流(零或正值)。該控制裝置25通過執(zhí)行再生電壓的反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器13的切換占空比。
例如，如圖16A和16B中所示，電源裝置10的其中燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于零的操作模式是其中電池12通過驅動電動機逆變器15的再生電力被充電的再生模式。
同時，電源裝置10的其中燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于正值的操作模式例如是其中驅動電動機逆變器15的再生電力和燃料電池堆11的輸出被供應給空氣泵逆變器14和電池12并且電池12被充電的(再生+FC電池充電)模式，如圖17A 和17B中所示。
控制裝置25輸出關于被供應給燃料電池堆11的反應氣體的壓力和流量的指令值作為用于使燃料電池堆11生成電力的指令，且該指令值的輸出例如基于燃料電池車輛被驅動的條件、包括在被供應給燃料電池堆11的陽極的反應氣體中的氫的濃度、包括在從燃料電池堆11的陽極排出的排放氣體中的氫的濃度、燃料電池堆11正生成電力的條件、多個燃料電池中的每一個的端子之間的電壓、燃料電池堆11的電壓VFC、燃料電池堆11的輸出電流Ifc、以及燃料電池堆11的內部溫度。這樣，控制裝置25控制燃料電池堆11生成電力的條件。
控制裝置25根據(jù)燃料電池堆11生成電力時的條件切換接觸器Ila的導通和截止狀態(tài)。另外，控制裝置25控制燃料電池堆11、第二線路L2以及第三線路L3之間的連接。
例如，控制裝置25還根據(jù)電池12的剩余容量SOC切換接觸器12a和限流電路12b的接通和斷開狀態(tài)。因此，控制裝置25控制電池12和第一線路Ll以及第二線路L2之間的連接。
如上所述，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的電源裝置10，可以僅通過相對于其中燃料電池堆11和電池12串聯(lián)連接的電池電路IOa提供單個第一 DC-DC轉換器13來切換多個操作模式。例如，與為燃料電池堆11和電池12中的每一個單獨配備DC-DC轉換器的情況相比較，可以降低構造所需的成本并減小尺寸。
進一步地，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)20，通過提供單個第一 DC-DC轉換器13，可以降低用于構造電源裝置10所需的成本，并且可以減小電源裝置10的尺寸。因為燃料電池堆11和電池12串聯(lián)連接，與燃料電池堆11和電池12并聯(lián)連接的情況相比較，可以增加驅動電動機逆變器15操作電壓，并且可以減小電流。這樣， 可以減小驅動電動機22和驅動電動機逆變器15的尺寸。同時，可以增強操作效率。因此， 可以降低用于構造燃料電池車輛的電源系統(tǒng)20所需的成本，并且可以減小尺寸。
另外，電力可以直接從電池12被供應給空氣泵逆變器14。也可以適當?shù)夭僮魅剂想姵囟?1。
此外，即使第一 DC-DC轉換器13狀態(tài)異常(例如，當斷路故障發(fā)生時)，也可以通過從電池電路IOa將電力供應給驅動電動機逆變器15來驅動燃料電池車輛。
根據(jù)以上實施例，裝配在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，與第二 DC-DC轉換器23分離的空氣調節(jié)器24、和連接到第二 DC-DC轉換器的23的負載(處理裝置、電磁閥以及12伏型負載))的至少一部分直接或通過第二 DC-DC轉換器23連接到第一線路Ll和第二線路L2。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，如圖18中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第二線路L2和第三線路L3。另外，如圖19中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第一線路Ll和第三線路L3。
根據(jù)以上結構，空氣泵逆變器14連接到第一線路Ll和第二線路L2，且空氣泵逆變器14是空氣泵21的驅動電路。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。將反應氣體供應給燃料電池堆11的泵(例如，空氣泵21)和供應制冷劑(未示出)的泵中的至少一個泵的驅動電路可以連接到第一線路Ll和第二線路L2。
另外，將反應氣體供應給燃料電池堆11的泵(例如，空氣泵21)和供應制冷劑(未示出)的泵中的至少一個泵的驅動電路可以連接到第二線路L2和第三線路L3。以上泵中的至少一個泵的驅動電路可以連接到第一線路Ll和第三線路L3。
根據(jù)以上實施例，電池12連接到第一線路Ll和第二線路L2，而燃料電池堆11連接到第二線路L2和第三線路L3。然而，本發(fā)明不受限于以上結構。燃料電池堆11可以連接到第一線路Ll和第二線路L2。電池12可以連接到第二線路L2和第三線路L3。
根據(jù)以上實施例，控制裝置25通過執(zhí)行反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器13的切換占空比，使得燃料電池堆11和電池12的實際電力分配等于目標電力分配，例如，使得燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，可以執(zhí)行反饋控制，使得代替燃料電池堆11的電流(輸出電流Ifc)，使電池12的電流(Ib)等于目標值。進一步地，可以執(zhí)行反饋控制，使得代替電流，使燃料電池堆11的電壓(VFC)或電池12的電壓(VB)的檢測值等于目標值。還可以執(zhí)行切換占空比的反饋控制，使得燃料電池堆11和電池12的輸出比等于目標值。
此外，例如，當驅動電動機22再生時，可以執(zhí)行反饋控制，使得代替燃料電池堆11 的電流(輸出電流Ifc)，使燃料電池堆11的輸出等于目標值。
根據(jù)以上實施例，第一 DC-DC轉換器13交替地在其中高壓側臂的晶體管AH、BH和 CH中的每一個都被截止且低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通的狀態(tài)與其中高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通且低壓側臂的晶體管AL、BL和CL的每一個都被截止的狀態(tài)之間進行切換。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，在當驅動電動機22被驅動時從初級側到次級側的升壓操作期間，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個可以交替地被切換為導通和截止，而高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止。作為另一個例子，在當驅動電動機22被再生時從次級側到初級側的再生操作期間， 高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個可以被交替地切換成導通和截止，而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。
以下，參照圖20-30提供對根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的電源裝置和用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的說明。
根據(jù)本實施例的電源裝置如圖20中所示例如包括燃料電池堆(FC) 111、電池112、 第一 DC-DC轉換器113以及空氣泵逆變器114。例如，電源裝置110連接到驅動電動機逆變器 115。
例如，電源裝置110設置在用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)120中。例如，如圖21和圖22中所示，用于燃料電池車輛的這種電源系統(tǒng)120包括電源裝置110、空氣泵(AP) 121、 驅動電動機122、第二 DC-DC轉換器123、空氣調節(jié)器124、控制裝置125、接地故障傳感器 126、輸出電流傳感器127、相電流傳感器128以及角度傳感器129。
燃料電池堆111通過層疊多個燃料電池而形成，所述燃料電池包括固體聚合物電解質膜，所述固體聚合物電解質包括陽離子交換膜和類似物，該固體聚合物電解質膜由包括陽極催化劑和氣體擴散層的燃料電極(陽極)和包括陰極催化劑和氣體擴散層的氧電極(陰極)保持，固體聚合物電解質膜和陽極以及陰極從而形成電解電極結構，該電解電極結構進一步地被一對間隔器保持。燃料電池的層疊主體從形成層的方向的兩側夾在一對端板之間。
空氣從空氣泵121被供應給燃料電池堆111的陰極，且空氣是包括氧氣的氧化劑氣體(反應氣體)。例如，包括氫的燃料氣體(反應氣體)從高壓氫罐(未示出)被供應給陽極。
氫在陽極處利用陽極催化劑通過催化反應被電離并通過適度濕潤的固體聚合物電解質膜移動到陰極。在氫移動的同時生成電子，并且通過外電路提取電子，并將該電子用作直流電流的電能。此時，氫離子、電子以及氧在陰極處反應，從而形成水。
這里，例如，空氣泵121從車輛外將空氣引入并壓縮該空氣。空氣泵121將該空氣作為反應氣體供應給燃料電池堆111的陰極?？諝獗媚孀兤?14根據(jù)由控制裝置125輸出的控制指令控制驅動該空氣泵121的電動機(未示出)的轉數(shù)?？諝獗媚孀兤?14包括基于脈寬調制(PWM)的PWM逆變器。
作為電池112的替代物，電源裝置10可以包括例如作為蓄電裝置的電容器，該電容器包括雙電層電容器或電解電容器。
第一DC-DC轉換器113例如是限流器型DC-DC轉換器。如圖22中所示，第一 DC-DC轉換器113包括具有三相的橋接電路131、具有三相的扼流線圈132以及平滑電容器133。 上述橋接電路131包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
在圖20和圖21中以簡化形式示出了第一 DC-DC轉換器113。因此，在三相中，在圖20和圖21中僅示出了開關元件和扼流線圈132的一相。
橋接電路131與形成隨后所述的驅動電動機逆變器115的三相橋接電路151相同。在該橋接電路131中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側第一晶體管AH和低壓側第一晶體管AL、高壓側第二晶體管BH和低壓側第二晶體管BL、以及高壓側第三晶體管CH 和低壓側第三晶體管CL被橋接。晶體管AH、BH以及CH中的每一個都通過連接到次級側正端子P102的集電極形成高壓側臂。晶體管AL、BL和CL中的每一個都通過連接到次級側負端子附02的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的集電極。二極管DAH、DAL、 DBH、DBL、DCHJP DCL中的每一個都連接在晶體管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得由發(fā)射極到集電極的方向是向前方向。
該橋接電路131由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且所述信號從控制裝置125輸出并被輸入到晶體管中的每一個的柵極。能夠交替切換高壓側臂的晶體管AH、 BH和CH中的每一個都被導通而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止的狀態(tài)和高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL 中的每一個都被導通的狀態(tài)。
平滑電容器133連接到次級側正端子P102和次級側負端子附02。
對于三相扼流線圈132，扼流線圈132中的每一個的端部都連接在橋接電路131的相中的每一相的集電極與發(fā)射極之間。換句話說，扼流線圈132中的每一個的端部都分別連接在晶體管AH和AL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、晶體管BH和BL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、以及晶體管CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間。扼流線圈 32中的每一個的另一側共同連接到初級側正端子P101。
例如，如圖23中所示，三相扼流線圈132通過以共模的方式繞單個矩形芯體141 纏繞而形成。扼流線圈132被設定成使得在供應電力的同時由扼流線圈132中的每一個生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流線圈132中的一相是分散的并繞一對相對側部141a纏繞，所述一對相對側部是形成矩形芯體141的兩對相對側部中的一對。三相扼流線圈132中的另外兩相是集中的并繞形成矩形芯體141的兩對相對側部中的另一對相對側部141b纏繞。
例如，如圖M中所示，三相扼流線圈132中的每一個都是集中的并繞形成矩形芯體141的四個側部中的三個側部纏繞。進一步地，三相扼流線圈132中的每一個都具有不同的纏繞結構。
關于三個線路L101、L102和L103，其中每一個都具有相互不同的電勢(例如，LlOl 的電勢> L102的電勢> L103的電勢)，第一 DC-DC轉換器113的初級側連接到第二線路 L102和第三線路L103。DC-DC轉換器113的次級側連接到第一線路LlOl和第三線路L103。 換句話說，第一線路LlOl連接到次級側正端子P102，第二線路L102連接到初級側正端子 P101，而第三線路L103連接到初級側負端子moi和次級側負端子附02。
對于這種第一 DC-DC轉換器113，當從初級側到次級側執(zhí)行升壓操作時，在例如驅動電動機122被驅動時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通。由于從初級側流動的電流，扼流線圈 132受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈132的電流的中斷而導致磁通量變化的同時，能夠在扼流線圈32的兩端生成感應電壓。由聚集在扼流線圈132 中的磁能生成的感應電壓被添加給初級側中的輸入電壓。這樣，能夠將比初級側中的輸入電壓高的升高電壓施加到次級側。能夠通過平滑電容器133使在此轉換操作期間生成的電壓的波動平滑。另外，升高電壓從次級側被輸出。
另一方面，例如，在當驅動電動機122被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。此時，低壓側的晶體管AL、BL 和CL中的每一個都被導通。扼流線圈132由于從次級側輸入的電流而受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈132的電流的阻斷而造成的磁通量的變化的同時，在扼流線圈132的兩端之間生成感應電壓。由聚集在扼流線圈132中的磁能生成的感應電壓變成下降電壓，所述下降電壓通過根據(jù)高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的導通/截止比率而使次級側的輸入電壓逐步下降而生成。這樣，能夠將下降電壓施加到初級側。
第一 DC-DC轉換器113由被脈寬調制的信號(PWM信號)驅動，所述信號從控制裝置125輸出并輸入到晶體管中的每一個的柵極。第一 DC-DC轉換器113根據(jù)切換占空比來切換高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的導通/截止狀態(tài)，所述切換占空比例如被定義為在PWM信號的一個周期期間高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個導通的比率。
另外，當切換導通/截止狀態(tài)時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個被禁止同時導通。提供適當?shù)耐r間，在該停滯時間期間，以上晶體管中的每一個能夠同時被截止。
燃料電池堆111通過設置在正電極側和負電極側的接觸器11 Ia和電容器11 Ib連接到第二線路L102和第三線路L103。電池112通過設置在正電極側和負電極側的接觸器 11 以及通過設置在正電極側的限流電路112b連接到第一線路LlOl和第二線路L102。因此，燃料電池堆111和電池112在第一線路LlOl與第三線路L103之間串聯(lián)連接。燃料電池堆111和電池112因此包括在電池電路IlOa中。
當電力從第一線路LlOl和第三線路L103輸出到負載(例如，驅動電動機122)時， 第一線路LlOl和第三線路L103連接到驅動電動機逆變器115。
作為空氣泵121的驅動電路的空氣泵逆變器114連接到第二線路L102和第三線路 L103。
包括在三相驅動電動機122的驅動電路中的驅動電動機逆變器115是具有脈寬調制(PWM)的PWM逆變器。此驅動電動機逆變器115包括三相橋接電路151，所述三相橋接電路包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
橋接電路151與形成第一 DC-DC轉換器113的三相橋接電路131相同。在橋接電路151中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側U相晶體管UH和低壓側U相晶體管UL、 高壓側V相晶體管VH和低壓側V相晶體管VL、以及高壓側W相晶體管WH和低壓側W相晶體管WL例如被橋接。晶體管UH、VH和WH中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器113 的次級側正端子P102的集電極形成高壓側臂。晶體管UL、VL和WL中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器113的次級側負端子附02的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管UH、VH和WH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管UL、VL和WL的中的每一個的集電極。二極管DUH、DUL、DVH、DVL、DffH和DWL中的每一個都連接在晶體管 UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得從發(fā)射極到集電極的方向為向前方向。
此驅動電動機逆變器115由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動。該信號從控制裝置125輸出并輸入到橋接電路151的晶體管中的每一個的柵極。例如，當驅動電動機 122被驅動時，通過切換對于各相中的每一相形成配對的晶體管中的每一個的導通(傳導) 和截止(斷開)狀態(tài)，驅動電動機逆變器115將從電源裝置110輸出的直流電轉換成三相交流電。通過依次將電流轉換到三相定子繞組，驅動電動機逆變器115將U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw供應給每一相的定子繞組，其中所述U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw全都是交流電流。同時，當驅動電動機22被再生時，例如，驅動電動機逆變器將從驅動電動機122輸出的三相交流電轉換成直流電，并將該直流電供應給第一 DC-DC 轉換器113。然后，驅動電動機逆變器115給電池充電，并且將電力供給連接到第一 DC-DC 轉換器113的負載。
驅動電動機122例如是使用永磁體作為磁場的永磁體型三相交流同步電動機。通過驅動電動機逆變器115供應的三相交流電驅動和控制驅動電動機122。同時，當驅動力從驅動輪側傳送到驅動電動機122側同時車輛減速時，驅動電動機122用作發(fā)電機。這樣，驅動電動機122產生所謂的再生制動力。進一步地，驅動電動機122回收車輛的動能作為電能。
第二 DC-DC轉換器123例如是限流器型DC-DC轉換器。裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，處理裝置、電磁閥以及12伏型負載)的至少一部分作為負載連接到第二 DC-DC轉換器123。
第二 DC-DC轉換器123連接到第一線路LlOl和第二線路L102。該第二 DC-DC轉換器123根據(jù)從控制裝置125輸出的控制指令通過限流運動降低施加在第一線路LlOl與第二線路L102之間的電壓，并將該電壓供應給連接到第二 DC-DC轉換器123的負載。
空氣調節(jié)器IM包括在裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械的至少一部分中。 該空氣調節(jié)器IM例如包括裝載在燃料電池車輛上的加熱器、用于壓縮機的電動機以及驅動電路(例如，逆變器)。
空氣調節(jié)器IM連接到第一線路LlOl和第二線路L102。電力從第一線路LlOl和第二線路L102被供應到空氣調節(jié)器124。
控制裝置125執(zhí)行占空比控制，從而控制第一 DC-DC轉換器113的切換占空比。同時，控制裝置125控制驅動電動機逆變器115的電力轉換操作。
控制裝置125接收例如由接地故障傳感器126、輸出電流傳感器127、相電流傳感器128以及角度傳感器1 輸出的檢測信號的輸入，其中所述接地故障傳感器1 連接到第一線路LlOl和第三線路L103并檢測接地故障的發(fā)生，所述輸出電流傳感器127檢測燃料電池堆111的輸出電流IFC，所述相電流傳感器1 檢測驅動電動機逆變器115與驅動電動機122之間的三相電流中的每一個，所述角度傳感器1 檢測驅動電動機的轉子的旋轉角度(換句話說，轉子的磁極從預定標準旋轉位置的旋轉角度，和驅動電動機122的旋轉軸線的旋轉位置)。
控制裝置125例如包括電力消耗計算單元161、目標電流分配單元162、目標電流設定單元163、占空比控制單元164以及驅動電動機控制單元165。
電力消耗計算單元161計算負載(例如，裝載在電源裝置110外的驅動電動機 122、空氣調節(jié)器以及車輛輔助裝置，以及裝載在電源裝置110內的空氣泵逆變器114)的總電力消耗，其中電力從電源裝置110被供應給所述負載。
當驅動電動機122被驅動時，例如，目標電力分配設定單元162例如根據(jù)燃料電池堆111的狀態(tài)(例如，燃料電池堆111的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池112的剩余容量SOC來設定形成電源裝置110的電池電路IlOa的燃料電池堆111和電池112的電力分配。換句話說，目標電力分配設定單元162設定當由電力消耗計算單元161計算的總電力消耗被認為是通過由燃料電池堆111輸出的電力加上由電池112輸出的電力獲得的值時的分配。
例如，當驅動電動機122被驅動時，電力分配變成與第一 DC-DC轉換器113的切換占空比相對應的值(換句話說，在PWM信號的一個周期內高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通的比例)。如下所示，可以使用燃料電池堆111的電壓(“VFC”)和電池 112的電壓(“VB”)來表示切換占空比(“占空比”)。
占空比=VFC/ (VFC+VB) 由此公式，燃料電池堆111的電壓(“VFC”)和電池112的電壓(“VB”)的比率可以使用切換占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC = (1-占空比)/占空比 例如，如圖25和圖26中所示，燃料電池堆111的電壓(“VFC”)和電池112的電壓(“VB”)與燃料電池堆111的電流(輸出電流Ifc)和電力以及電池112的電流(Ib)和電力中的每一個具有預定的對應關系。由此對應的關系，能夠使用切換占空比(“占空比”) 來表示燃料電池堆111的操作點(例如，電壓或電流或電力)和電池112的操作點(例如， 電壓或電流或電力)的比率。
例如，當驅動電動機122被再生時，目標電力分配設定單元62根據(jù)燃料電池堆111 的狀態(tài)(例如，燃料電池堆111的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池112的剩余容量 SOC以及驅動電動機122的再生電力等來設定燃料電池堆111和驅動電動機逆變器115的電力供應側的電力分配，以及設定電池112和負載(例如，空氣調節(jié)器IM和車輛輔助裝置以及空氣泵逆變器114)的電力接收側的電力分配。
因為使用切換占空比(“占空比”)來表示燃料電池堆111的操作點(例如，電壓或電流或電力)與電池112的操作點(例如，電壓或電流或電力)的比率，因此目標電流設定單元163通過參照預定映射獲得與例如當驅動電動機122被驅動時燃料電池堆111的輸出電流Ifc相對應的目標電流，所述預定映射表示燃料電池堆111的操作點、電池112的操作點、第一 DC-DC轉換器113的切換占空比以及負載的總電力消耗之間的對應關系。
例如，如圖27中所示，該預定映射在二維坐標中顯示相對于第一DC-DC轉換器113 的切換占空比的多個值中的每一個(D(I)，……，D(k)，……)設定的燃料電池堆111的操作點與電池112的操作點的對應關系，在所述二維坐標中燃料電池堆111的操作點和電池 112的操作點是直角坐標。另外，該預定映射顯示相對于負載的總電力消耗的多個值中的每一個(P(I)，……，P(k)，……)設定的燃料電池堆111的操作點與電池112的操作點之間的對應關系。
考慮為第一DC-DC轉換器13的切換占空比的多個值中的每一個設定的對應關系， 電池112的操作點被設定成具有隨著燃料電池堆111的操作點的增加而根據(jù)切換占空比以一定比率增加的趨勢。
同時，考慮到相對于為負載的總消耗電力的多個值中的每一個設定的燃料電池堆 111的操作點與電池112的操作點之間的對應關系，操作點的組合被設定成使得與燃料電池堆111的操作點相對應的電力和與電池112的操作點相對應的電力的總和等于負載的總消耗電力。
當在其中燃料電池堆111的操作點和電池112的操作點為直角坐標的二維坐標上燃料電池堆111和電池112的操作點根據(jù)由目標電力分配單元162設定的電力分配被設定成是基于由消耗電力計算單元161計算的負載的總電力消耗的對應關系P(k)與基于第一 DC-DC轉換器113的切換占空比的對應關系D(k)之間的交點時，目標電流設定單元163輸出與該操作點相對應的燃料電池堆111的電流(輸出電流Ifc)作為目標電流。
另外，例如，當驅動電動機122被再生時，目標電流設定單元163根據(jù)由目標電力分配設定單元162設定的電力分配輸出零或正值作為燃料電池堆111的電流(輸出電流 Ifc)的目標電流。
占空比控制單元164控制第一 DC-DC轉換器113的切換占空比，使得燃料電池堆 111和電池112的實際電力分配等于由目標電力分配設定單元162設定的電力分配(目標電力分配)。例如，占空比控制單元164控制第一 DC-DC轉換器113的切換占空比，使得由輸出電流傳感器127輸出的燃料電池堆111的輸出電流IFC的檢測值等于由目標電流設定單元163輸出的燃料電池堆111的電流(輸出電流Ifc)的目標值。
該占空比控制單元164包括例如電流偏差計算單元171、反饋處理單元172、和PWM 信號生成單元173。
電流偏差計算單元171計算和輸出由電流傳感器127輸出的燃料電池堆111的輸出電流IFC的檢測值與由目標電流設定單元163輸出的燃料電池堆111的電流(輸出電流 Ifc)的目標值之間的電流偏差。
反饋處理單元172通過由例如PID(比例積分微分)運算控制和放大由電流偏差計算單元171輸出的電流偏差來計算電壓指令值。
為了從燃料電池堆111輸出與從反饋處理單元172輸出的電壓指令值相對應的輸出電流Ifc，PWM信號生成單元173生成和輸出導通和截止第一 DC-DC轉換器113的高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個以及低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的門信號(即，PWM信號)。
例如，當驅動電動機122被驅動時，驅動電動機控制單元165在旋轉直角坐標形式的dq-坐標系上執(zhí)行電流的反饋控制(矢量控制)。該驅動電動機控制單元165根據(jù)基于駕駛員的加速操作和驅動電動機122的轉數(shù)的扭矩指令計算目標d-軸電流和目標q_軸電流。然后，驅動電動機控制單元165根據(jù)目標d-軸電流和目標q_軸電流計算三相輸出電壓Vu、Vv和Vw中的每一個。進一步地，驅動電動機控制單元165根據(jù)輸出電壓Vu、Vv和Vw 的每一相將作為門信號的PWM信號輸入給驅動電動機逆變器115的橋接電路151。同時，驅動電動機控制單元165執(zhí)行控制，使得通過將實際由F-驅動電動機逆變器15供應給驅動電動機122的電流Iu、Iv和Iw的每一相的檢測值轉換到dq-坐標系而得到的d_軸電流與 q-軸電流之間的偏差和目標d-軸電流與目標q_軸電流之間的偏差等于零。
另外，例如，當驅動電動機122被再生時，驅動電動機控制單元165根據(jù)基于由角度傳感器1 輸出的驅動電動機122的轉子的旋轉角度θ m的輸出波形被同步的脈沖導通和截止驅動電動機逆變器115的橋接電路151的晶體管中的每一個。從驅動電動機控制單元165輸出的三相交流電被轉換成直流電。此時，驅動電動機控制單元165根據(jù)導通和截止橋接電路151的晶體管中的每一個的門信號的占空比執(zhí)行再生電壓的反饋控制。驅動電動機控制單元165將預定電壓值輸出給驅動電動機逆變器115的初級側，換句話說，在第一 DC-DC轉換器的113次級側正端子P102與次級側負端子附02之間。
換句話說，例如，當驅動電動機122被驅動，控制裝置125執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆111的電流(輸出電流IfC)的檢測值等于目標電流。因此，控制裝置125控制第一 DC-DC轉換器113的切換占空比。例如，如圖28中所示，該控制裝置125連續(xù)控制電源裝置 110的操作模式。
例如，當?shù)谝?DC-DC轉換器113的升壓比近似等于2至3時，電源裝置110的最大化切換占空比的操作模式是EV模式，在該EV模式中，僅電池112的輸出被供應給驅動電動機逆變器115和空氣泵逆變器114。
當切換占空比趨向于從EV模式下降時，電源裝置110的操作模式依次從第一(FC+ 電池)模式改變到第二(FC+電池)模式到第三(FC+電池)模式。在第一模式中，電池112 的輸出被供應給驅動電動機逆變器115和空氣泵逆變器114。同時，在第一模式中，燃料電池堆111的輸出被供應給驅動電動機逆變器115，并且電池112的電流(Ib)變得大于燃料電池堆111的電流(輸出電流Ifc)。在第二模式中，電池112的輸出被供應給驅動電動機逆變器115和空氣泵逆變器114。同時，在第二模式中，燃料電池堆111的輸出被供應給驅動電動機逆變器115，并且電池112的電流(Ib)變得等于燃料電池堆111的電流(輸出電流Ifc)與流動通過空氣泵逆變器114的電流(IAP)的總和。在第三模式中，電池112和燃料電池堆111的輸出被供應給驅動電動機逆變器115和空氣泵逆變器114，并且電池112的電流(Ib)變得小于燃料電池堆111的電流(輸出電流Ifc)。
因此，電池112的電流(Ib)趨向于下降，例如，如圖觀中所示。另外，燃料電池堆 111的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(IfC指令)趨向于增加。驅動電動機逆變器115 的初級側的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。同時，電池112的電壓(VB)趨向于增加，而燃料電池堆111的電壓(VFC)趨向于減小。
進一步地，當切換占空比趨向于從第三(FC+電池)模式下降到最小值時，電源裝置110的操作模式依次改變到第一 FC模式和第二 FC模式。在第一 FC模式中，僅燃料電池堆111的輸出被供應給驅動電動機逆變器115和空氣泵逆變器114。在第二 FC模式中，僅燃料電池堆111的輸出被供應給驅動電動機逆變器115、空氣泵逆變器114以及電池112， 從而給電池112充電。
因此，電池112的電流(Ib)趨向于從零減小到負值，例如，如圖28中所示。同時， 燃料電池堆111的電流(輸出電流IfC)和目標電流(IfC指令)趨向于增加。另外，驅動電動機逆變器115的初級側中的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池112的電壓(VB) 趨向于增加。另一方面，燃料電池堆111的電壓(VFC)趨向于減小。
例如，當驅動電動機122被再生時，控制裝置125執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆 111的的電流(輸出電流IfC)的檢測值等于目標電流(零或正值)。該控制裝置125通過執(zhí)行再生電壓的反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器113的切換占空比。
例如，電源裝置110的其中燃料電池堆111的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于零的操作模式是其中電池112通過驅動電動機逆變器115的再生電力被充電的再生模式。
同時，電源裝置110的其中燃料電池堆111的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于正值的操作模式例如是其中驅動電動機逆變器115的再生電力和燃料電池堆111的輸出被供應給空氣泵逆變器114和電池112并且電池112被充電的(再生+FC電池充電)模式。
控制裝置125輸出關于被供應給燃料電池堆111的反應氣體的壓力和流量的指令值作為用于使燃料電池堆111生成電力的指令，且該指令值的輸出例如基于燃料電池車輛被驅動的條件、包括在被供應給燃料電池堆111的陽極的反應氣體中的氫的濃度、包括在從燃料電池堆111的陽極排出的排放氣體中的氫的濃度、燃料電池堆11生成電力時的條件、多個燃料電池中的每一個的端子之間的電壓、燃料電池堆111的電壓VFC、燃料電池堆 111的輸出電流Ifc、以及燃料電池堆111的內部溫度。這樣，控制裝置125控制燃料電池堆11生成電力的條件。
控制裝置125根據(jù)燃料電池堆11生成電力時的條件切換接觸器Illa的接通和斷開狀態(tài)。另外，控制裝置125控制燃料電池堆111、第二線路L102以及第三線路L103之間的連接。
例如，控制裝置125還根據(jù)電池112的剩余容量SOC切換接觸器11 和限流電路 112b的接通和斷開狀態(tài)。因此，控制裝置125控制電池112和第一線路LlOl以及第二線路 L102之間的連接。
如上所述，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的電源裝置110，可以僅通過相對于其中燃料電池堆111和電池112串聯(lián)連接的電池電路IlOa提供單個第一 DC-DC轉換器113來切換多個操作模式。例如，與其中為燃料電池堆111和電池112中的每一個單獨配備DC-DC 轉換器的情況相比較，可以降低構造所需的成本并減小尺寸。
進一步地，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)120，通過提供單個第一 DC-DC轉換器113，可以降低用于構造電源裝置110所需的成本，并且可以減小電源裝置110的尺寸。因為燃料電池堆111和電池112串聯(lián)連接，與燃料電池堆111和電池112并聯(lián)連接的情況相比較，可以增加驅動電動機逆變器115的操作電壓，并且可以減小電流。這樣，可以減小驅動電動機122和驅動電動機逆變器115的尺寸。同時，可以增強操作效率。因此，可以降低用于構造燃料電池車輛的電源系統(tǒng)120所需的成本，并且可以減小尺寸。
進一步地，即使第一 DC-DC轉換器113狀態(tài)是異常的(例如，當斷路故障發(fā)生時)，也可以從電池電路IlOa將電力供應給驅動電動機逆變器115。特別是，與其中從電池112 輸出的情況相比較，通過從燃料電池堆111輸出，可以使燃料電池車輛運行相對長的時間期間。
根據(jù)以上實施例，裝配在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，與第二DC-DC轉換器123分離的空氣調節(jié)器124、和連接到第二 DC-DC轉換器的123的負載(處理裝置、電磁閥以及12伏型負載))的至少一部分直接或通過第二 DC-DC轉換器123連接到第一線路 LlOl和第二線路L102。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，如圖四中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第二線路L102和第三線路L103。另外，如圖30中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第一線路LlOl和第三線路L103。
根據(jù)以上結構，作為空氣泵121的驅動電路的空氣泵逆變器114連接到第二線路 L102和第三線路L103。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。將反應氣體供應給燃料電池堆 111的泵(例如，空氣泵121)和供應制冷劑的泵(未示出)中的至少一個泵的驅動電路可以連接到第二線路L102和第三線路L103。
根據(jù)以上實施例，第一 DC-DC轉換器113交替地在高壓側臂的晶體管AH、BH和CH 中的每一個都被截止且低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通的狀態(tài)與其中高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通且中低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止的狀態(tài)之間進行切換。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，在當驅動電動機122被驅動時從初級側到次級側的升壓操作期間，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都可以交替地被切換成導通和截止，而高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止。作為另一個例子，在當驅動電動機122被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都可以被交替地切換成導通和截止，而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。
以下參照圖31-41提供對根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的電源裝置和用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的說明。
根據(jù)本實施例的電源裝置如圖31中所示例如包括燃料電池堆(FC) 211、電池212、 第一 DC-DC轉換器213以及空氣泵逆變器214。例如，電源裝置210連接到驅動電動機逆變器 215。
例如，電源裝置210設置在用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)220中。例如，如圖32和圖33中所示，用于燃料電池車輛的這種電源系統(tǒng)220包括電源裝置210、空氣泵(AP) 221、 驅動電動機222、第二 DC-DC轉換器223、空氣調節(jié)器224、控制裝置225、接地故障傳感器 226、輸出電流傳感器227、相電流傳感器228以及角度傳感器229。
燃料電池堆211通過層疊多個燃料電池而形成，所述燃料電池包括固體聚合物電解質膜，所述固體聚合物電解質包括陽離子交換膜和類似物，該固體聚合物電解質膜由包括陽極催化劑和氣體擴散層的燃料電極(陽極)和包括陰極催化劑和氣體擴散層的氧電極(陰極)保持，固體聚合物電解質膜和陽極以及陰極從而形成電解電極結構，該電解電極結構進一步地被一對間隔器保持。燃料電池的層疊主體從形成層的方向的兩側夾在一對端板之間。
空氣從空氣泵221被供應給燃料電池堆111的陰極，且空氣是包括氧氣的氧化劑氣體(反應氣體)。例如，包括氫的燃料氣體(反應氣體)從高壓氫罐(未示出)被供應給
31陽極。
氫在陽極處利用陽極催化劑通過催化反應被電離并通過適度濕潤的固體聚合物電解質膜移動到陰極。在氫移動的同時生成電子，并且通過外電路提取電子，并將該電子用作直流電流的電能。此時，氫離子、電子以及氧在陰極處反應，從而形成水。
這里，例如，空氣泵221從車輛外將空氣引入并壓縮該空氣。空氣泵221將該空氣作為反應氣體供應給燃料電池堆111的陰極。空氣泵逆變器214根據(jù)由控制裝置225輸出的控制指令控制驅動該空氣泵221的電動機(未示出)的轉數(shù)?？諝獗媚孀兤?14包括例如基于脈寬調制(PWM)的PWM逆變器。
作為電池212的替代物，電源裝置210可以包括例如作為蓄電裝置的電容器，該電容器包括雙電層電容器或電解電容器。
第一 DC-DC轉換器213例如是限流器型DC-DC轉換器。如圖33中所示，該第一 DC-DC轉換器213包括具有三相的橋接電路231、具有三相的扼流線圈232以及平滑電容器 233。上述橋接電路231包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
在圖31和圖32中以簡化形式示出了第一 DC-DC轉換器213。因此，在三相中，在圖31和圖32中僅示出了開關元件和扼流線圈232的一相。
橋接電路231與形成隨后所述的驅動電動機逆變器215的三相橋接電路251相同。在該橋接電路231中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側第一晶體管AH和低壓側第一晶體管AL、高壓側第二晶體管BH和低壓側第二晶體管BL、以及高壓側第三晶體管CH 和低壓側第三晶體管CL被橋接。晶體管AH、BH以及CH中的每一個都通過連接到次級側正端子P202的集電極形成高壓側臂。晶體管AL、BL和CL中的每一個都通過連接到次級側負端子N202的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的集電極。二極管DAH、DAL、 DBH、DBL、DCHJP DCL中的每一個都連接在晶體管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得由發(fā)射極到集電極的方向是向前方向。
該橋接電路231由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且所述信號從控制裝置225輸出并被輸入到晶體管中的每一個的柵極。能夠交替切換高壓側臂的晶體管AH、 BH和CH中的每一個都被導通而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止的狀態(tài)和高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL 中的每一個都被導通的狀態(tài)。
平滑電容器233連接到次級側正端子P202和次級側負端子N202。
對于三相扼流線圈232，扼流線圈232中的每一個的端部都連接在橋接電路231的相中的每一相的集電極與發(fā)射極之間。換句話說，扼流線圈232中的每一個的端部都分別連接在晶體管AH和AL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、晶體管BH和BL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、以及晶體管CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間。扼流線圈 232中的每一個的另一側共同連接到初級側正端子P201。
例如，如圖34中所示，三相扼流線圈232通過以共模的方式繞單個矩形芯體Ml 纏繞而形成。扼流線圈232被設定成使得在供應電力的同時由扼流線圈232中的每一個生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流線圈232中的一相是分散的并繞一對相對側部Mla纏繞，所述一對相對側部是形成矩形芯體241的兩對相對側部中的一對。三相扼流線圈232中的另外兩相是集中的并繞形成矩形芯體Ml的兩對相對側部中的另一對相對側部Mlb纏繞。
例如，如圖35中所示，三相扼流線圈232中的每一個都是集中的并繞形成矩形芯體Ml的四個側部中的三個側部纏繞。進一步地，三相扼流線圈232中的每一個可以具有不同的纏繞結構。
關于三個線路L201、L202和L203，其中每一個都具有相互不同的電勢(例如，L201 的電勢> L202的電勢> L203的電勢)，第一 DC-DC轉換器213的初級側連接到第二線路 L202和第三線路L203。DC-DC轉換器213的次級側連接到第一線路L201和第三線路L203。 換句話說，第一線路L201連接到次級側正端子P202，第二線路L202連接到初級側正端子 P201，而第三線路L203連接到初級側負端子N201和次級側負端子N202。
對于這種第一 DC-DC轉換器213，當從初級側到次級側執(zhí)行升壓操作時，在例如驅動電動機222被驅動時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通。由于從初級側流動的電流，扼流線圈 232受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈232的電流的中斷而導致磁通量變化的同時，能夠在扼流線圈232的兩端生成感應電壓。由聚集在扼流線圈 232中的磁能生成的感應電壓被添加給初級側中的輸入電壓。這樣，能夠將比初級側中的輸入電壓高的升高電壓施加到次級側。能夠通過平滑電容器233使在此轉換操作期間生成的電壓的波動平滑。另外，升高電壓從次級側被輸出。
另一方面，例如，在當驅動電動機222被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。此時，低壓側的晶體管AL、BL 和CL中的每一個都被導通。扼流線圈232由于從次級側輸入的電流而受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈232的電流的阻斷而造成的磁通量的變化的同時，在扼流線圈232的兩端之間生成感應電壓。由聚集在扼流線圈232中的磁能生成的感應電壓變成下降電壓，所述下降電壓通過根據(jù)高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的導通/截止比率而使次級側的輸入電壓逐步下降而生成。這樣，能夠將下降電壓施加到初級側。
第一 DC-DC轉換器213由被脈寬調制的信號(PWM信號)驅動，所述信號從控制裝置225輸出并輸入到晶體管中的每一個的柵極。第一 DC-DC轉換器213根據(jù)切換占空比來切換高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的導通/截止狀態(tài)，所述切換占空比例如被定義為在PWM信號的一個周期期間高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個導通的比率。
另外，當切換導通/截止狀態(tài)時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個被禁止同時導通。提供適當?shù)耐r間，在該停滯時間期間，以上晶體管中的每一個能夠同時被截止。
燃料電池堆211通過設置在正電極側和負電極側的接觸器211a和電容器211b連接到第二線路L202和第三線路L203。電池212通過設置在正電極側和負電極側的接觸器 21 以及通過設置在正電極側的限流電路212b連接到第一線路L201和第二線路L202。因此，燃料電池堆211和電池212在第一線路L201與第三線路L203之間串聯(lián)連接。燃料電池堆111和電池212因此包括在電池電路210a中。
當電力從第一線路L201和第三線路L203輸出到負載(例如，驅動電動機222)時， 第一線路L201和第三線路L203連接到驅動電動機逆變器215。
空氣泵逆變器214連接到第一線路L201和第三線路L203。此空氣泵逆變器14是空氣泵221的驅動電路。
包括三相驅動電動機222的驅動電路的驅動電動機逆變器215是具有脈寬調制 (PWM)的PWM逆變器。此驅動電動機逆變器215包括三相橋接電路251，所述三相橋接電路包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
橋接電路251與形成第一 DC-DC轉換器213的三相橋接電路231相同。在橋接電路251中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側U相晶體管UH和低壓側U相晶體管UL、 高壓側V相晶體管VH和低壓側V相晶體管VL、以及高壓側W相晶體管WH和低壓側W相晶體管WL例如被橋接。晶體管UH、VH和WH中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器213 的次級側正端子P202的集電極形成高壓側臂。晶體管UL、VL和WL中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器213的次級側負端子N202的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管UH、VH和WH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管UL、VL和WL的中的每一個的集電極。二極管DUH、DUL、DVH、DVL、DffH和DWL中的每一個都連接在晶體管 UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得從發(fā)射極到集電極的方向為向前方向。
此驅動電動機逆變器215由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且該信號從控制裝置225輸出并輸入到橋接電路251的晶體管中的每一個的柵極。例如，當驅動電動機222被驅動時，通過切換對于各相中的每一相形成配對的晶體管中的每一個的導通 (傳導)和截止(斷開)狀態(tài)，驅動電動機逆變器215將從電源裝置210輸出的直流電轉換成三相交流電。通過依次將電流轉換到三相定子繞組，驅動電動機逆變器215將U相電流 Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw被供應給每一相的定子繞組，其中所述U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw全都是交流電流。同時，當驅動電動機222被再生時，例如，驅動電動機逆變器將從驅動電動機222輸出的三相交流電被轉換成直流電，并將直流電供應給第一 DC-DC轉換器213。然后，驅動電動機逆變器215為電池充電，并且將電力供給連接到第一 DC-DC轉換器213的負載。
驅動電動機222例如是使用永磁體作為磁場的永磁體型三相交流同步電動機。通過驅動電動機逆變器215供應的三相交流電驅動和控制驅動電動機222。同時，當驅動力從驅動輪側傳送到驅動電動機222側同時車輛減速時，驅動電動機222用作發(fā)電機。這樣，驅動電動機222產生所謂的再生制動力。進一步地，驅動電動機222回收車輛的動能作為電能。
第二 DC-DC轉換器223例如是限流器型DC-DC轉換器。裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，處理裝置、電磁閥以及12伏型負載)的至少一部分作為負載連接到第二 DC-DC轉換器223。
第二 DC-DC轉換器223連接到第一線路L201和第二線路L202。該第二 DC-DC轉換器223根據(jù)從控制裝置225輸出的控制指令通過限流運動降低施加在第一線路L201與第二線路L202之間的電壓，并將該電壓供應給連接到第二 DC-DC轉換器223的負載。
空氣調節(jié)器2M包括在裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械的至少一部分中。 該空氣調節(jié)器2M例如包括裝載在燃料電池車輛上的加熱器、用于壓縮機的電動機以及驅動電路(例如，逆變器)。
空氣調節(jié)器2M連接到第一線路L201和第二線路L202。電力從第一線路L201和第二線路L202被供應到空氣調節(jié)器224。
控制裝置225執(zhí)行占空比控制，從而控制第一 DC-DC轉換器213的切換占空比。同時，控制裝置225控制驅動電動機逆變器215的電力轉換操作。
控制裝置225接收例如由接地故障傳感器226、輸出電流傳感器227、相電流傳感器228以及角度傳感器2 輸出的檢測信號的輸入，其中所述接地故障傳感器2 連接到第一線路L201和第三線路L203并檢測接地故障的發(fā)生，所述輸出電流傳感器227檢測燃料電池堆211的輸出電流IFC，所述相電流傳感器2 檢測驅動電動機逆變器215與驅動電動機222之間的三相電流中的每一個，所述角度傳感器2 檢測驅動電動機的轉子的旋轉角度(換句話說，轉子的磁極從預定標準旋轉位置的旋轉角度，和驅動電動機222的旋轉軸線的旋轉位置)。
控制裝置225例如包括電力消耗計算單元沈1、目標電流分配單元沈2、目標電流設定單元沈3、占空比控制單元沈4以及驅動電動機控制單元沈5。
電力消耗計算單元261計算負載(例如，裝載在電源裝置10外的驅動電動機22、 空氣調節(jié)器224以及車輛輔助裝置，以及裝載在電源裝置10內的空氣泵逆變器214)的總電力消耗，其中電力從電源裝置210被供應給所述負載。
當驅動電動機222被驅動時，例如，目標電力分配設定單元262例如根據(jù)燃料電池堆211的狀態(tài)(例如，燃料電池堆211的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池212的剩余容量SOC來設定形成電源裝置210的電池電路210a的燃料電池堆211和電池212的電力分配。換句話說，目標電力分配設定單元262設定當由電力消耗計算單元261計算的總電力消耗是通過由燃料電池堆211輸出的電力加上由電池212輸出的電力獲得的值時的分配。
例如，當驅動電動機222被驅動時，電力分配變成與第一 DC-DC轉換器213的切換占空比相對應的值(換句話說，在PWM信號的一個周期內高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通的比例)。如下所示，可以使用燃料電池堆211的電壓(“VFC”)和電池 212的電壓(“VB”)來表示切換占空比(“占空比”)。
占空比=VFC/ (VFC+VB) 由此公式，燃料電池堆211的電壓(“VFC”)和電池212的電壓(“VB”)的比率可以使用切換占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC = (1_占空比)/占空比 例如，如圖36和圖37中所示，燃料電池堆211的電壓(“VFC”)和電池212的電壓(“VB”)與燃料電池堆211的電流(輸出電流Ifc)和電力以及電池212的電流(Ib)和電力中的每一個具有預定的對應關系。由此相應的關系，能夠使用切換占空比(“占空比”)來表示燃料電池堆211的操作點(例如，電壓或電流或電力)和電池212的操作點(例如， 電壓或電流或電力)的比率。
例如，當驅動電動機222被再生時，目標電力分配設定單元262根據(jù)燃料電池堆 211的狀態(tài)(例如，燃料電池堆211的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池212的剩余容量SOC以及驅動電動機222的再生電力等來設定燃料電池堆211和驅動電動機逆變器215 的電力供應側的電力分配，以及設定電池212和負載(例如，空氣調節(jié)器M和車輛輔助裝置以及空氣泵逆變器214)的電力接收側的電力分配。
因為使用切換占空比(“占空比”)來表示燃料電池堆211的操作點(例如，電壓或電流或電力)與電池212的操作點(例如，電壓或電流或電力)的比率，因此目標電流設定單元263通過參照預定映射獲得與例如當驅動電動機222被驅動時燃料電池堆211的輸出電流Ifc相對應的目標電流，所述預定映射表示燃料電池堆211的操作點、電池212的操作點、第一 DC-DC轉換器213的切換占空比以及負載的總電力消耗之間的對應關系。
例如，如圖38中所示，該預定映射在二維坐標中顯示相對于第一DC-DC轉換器213 的切換占空比的多個值中的每一個(D(I)，……，D(k)，……)設定的燃料電池堆211的操作點與電池212的操作點的對應關系，在所述二維坐標中燃料電池堆211的操作點和電池 212的操作點是直角坐標。另外，該預定映射顯示相對于負載的總電力消耗的多個值中的每一個(P(I)，……，P(k)，……)設定的燃料電池堆211的操作點與電池212的操作點之間的對應關系。
考慮為第一 DC-DC轉換器213的切換占空比的多個值中的每一個設定的對應關系，電池212的操作點被設定成具有隨著燃料電池堆211的操作點的增加而根據(jù)切換占空比以一定比率增加的趨勢。
同時，考慮到相對于為負載的總消耗電力的多個值中的每一個設定的燃料電池堆 211的操作點與電池212的操作點之間的對應關系，操作點的組合被設定成使得與燃料電池堆211的操作點相對應的電力和與電池212的操作點相對應的電力的總和等于負載的總消耗電力。
當在其中燃料電池堆211的操作點和電池212的操作點為直角坐標的二維坐標上燃料電池堆211和電池212的的操作點根據(jù)由目標電力分配單元262設定的電力分配被設定成是基于由消耗電力計算單元261計算的負載的總電力消耗的對應關系P(k)與基于第一 DC-DC轉換器213的切換占空比的對應關系D(k)之間的交點時，目標電流設定單元沈3 輸出與該操作點相對應的燃料電池堆211的電流(輸出電流Ifc)作為目標電流。
另外，例如，當驅動電動機222被再生時，目標電流設定單元263根據(jù)由目標電力分配設定單元262設定的電力分配輸出零或正值作為燃料電池堆211的電流(輸出電流 Ifc)的目標電流。
占空比控制單元264控制第一 DC-DC轉換器213的切換占空比，使得燃料電池堆 211和電池212的實際電力分配等于由目標電力分配設定單元262設定的電力分配(目標電力分配)。例如，占空比控制單元沈4控制第一 DC-DC轉換器213的切換占空比，使得由輸出電流傳感器227輸出的燃料電池堆211的輸出電流IFC的檢測值等于由目標電流設定單元263輸出的燃料電池堆211的目標電流(輸出電流Ifc)。
該占空比控制單元264包括例如電流偏差計算單元271、反饋處理單元272和PWM信號生成單元273。
電流偏差計算單元271計算和輸出由電流傳感器227輸出的燃料電池堆211的輸出電流IFC的檢測值與由目標電流設定單元沈3輸出的燃料電池堆211的目標電流(輸出電流Ifc)之間的電流偏差。
反饋處理單元272通過由例如PID(比例積分微分)運算控制和放大由電流偏差計算單元271輸出的電流偏差來計算電壓指令值。
為了從燃料電池堆211輸出與從反饋處理單元272輸出的電壓指令值相對應的輸出電流Ifc，PWM信號生成單元273生成和輸出導通和截止第一 DC-DC轉換器213的高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個以及低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的門信號(即，PWM信號)。
例如，當驅動電動機222被驅動，驅動電動機控制單元265在旋轉直角坐標形式的 dq-坐標系上執(zhí)行電流的反饋控制(矢量控制)。該驅動電動機控制單元265根據(jù)基于駕駛員的加速操作和驅動電動機222的轉數(shù)的扭矩指令計算目標d-軸電流和目標q_軸電流。 然后，驅動電動機控制單元265根據(jù)目標d-軸電流和目標q-軸電流計算三相輸出電壓Vu、 Vv和Vw中的每一個。進一步地，驅動電動機控制單元265根據(jù)輸出電壓Vu、Vv和Vw的每一相將作為門信號的PWM信號輸入給驅動電動機逆變器215的橋接電路251。同時，驅動電動機控制單元265執(zhí)行控制，使得通過將實際由F-驅動電動機逆變器215供應給驅動電動機12的電流Iu、Iv和Iw的每一相的檢測值轉換到dq-坐標系得到的d_軸電流與q_軸電流之間的偏差和目標d-軸電流與目標q_軸電流之間的偏差等于零。
另外，例如，當驅動電動機222被再生時，驅動電動機控制單元265根據(jù)基于由角度傳感器四輸出的驅動電動機22的轉子的旋轉角度θ m的輸出波形被同步的脈沖導通和截止驅動電動機逆變器215的橋接電路251的晶體管中的每一個。從驅動電動機控制單元265輸出的三相交流電被轉換成直流電。此時，驅動電動機控制單元265根據(jù)導通和截止橋接電路251的晶體管中的每一個的門信號的占空比執(zhí)行再生電壓的反饋控制。驅動電動機控制單元265將預定電壓值輸出給驅動電動機逆變器215的初級側，換句話說，在第一 DC-DC轉換器的213次級側正端子P202與次級側負端子N202之間。
換句話說，例如，當驅動電動機222被驅動，控制裝置225執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆211的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流。因此，控制裝置225控制第一 DC-DC轉換器213的切換占空比。例如，如圖39中所示，該控制裝置225連續(xù)控制電源裝置 210的操作模式。
例如，當?shù)谝?DC-DC轉換器213的升壓比近似等于2至3時，電源裝置210的最大化切換占空比的操作模式是EV模式，在該EV模式中，僅電池212的輸出被供應給驅動電動機逆變器215和空氣泵逆變器214，例如，如圖40A圖40B所示。
當切換占空比趨向于從EV模式下降時，電源裝置210的操作模式依次從第一(FC+ 電池)模式改變到第二(FC+電池)模式到第三(FC+電池)模式。在第一模式中，電池212 的輸出被供應給驅動電動機逆變器215和空氣泵逆變器214。同時，在第一模式中，燃料電池堆211的輸出被供應給驅動電動機逆變器215，并且電池212的電流(Ib)變得大于燃料電池堆211的電流(輸出電流Ifc)。在第二模式中，電池212的輸出被供應給驅動電動機逆變器215和空氣泵逆變器214。同時，在第二模式中，燃料電池堆211的輸出被供應給驅動電動機逆變器215，并且電池212的電流(Ib)變得等于燃料電池堆211的電流(輸出電流Ifc)與流動通過空氣泵逆變器214的電流(IAP)的總和。在第三模式中，電池212和燃料電池堆211的輸出被供應給驅動電動機逆變器215和空氣泵逆變器214，并且電池212的電流(Ib)變得小于燃料電池堆211的電流(輸出電流Ifc)。
因此，電池212的電流(Ib)趨向于下降，例如，如圖39中所示。另外，燃料電池堆 211的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(Ifc指令)趨向于增加。驅動電動機逆變器215 的初級側的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池212的電壓(VB)趨向于增加，而燃料電池堆211的電壓(VFC)趨向于減小。
進一步地，當切換占空比趨向于從第三(FC+電池)模式下降到最小值時，電源裝置210的操作模式依次改變到第一 FC模式和第二 FC模式。在第一 FC模式中，僅燃料電池堆211的輸出被供應給驅動電動機逆變器215和空氣泵逆變器214。在第二 FC模式中，僅燃料電池堆211的輸出被供應給驅動電動機逆變器215、空氣泵逆變器214以及電池212， 從而給電池212充電。
因此，電池212的電流(Ib)趨向于從零減小到負值，例如，如圖39中所示。同時， 燃料電池堆211的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(Ifc指令)趨向于增加。另外，驅動電動機逆變器215的初級側中的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池212的電壓(VB) 趨向于增加。另一方面，燃料電池堆211的電壓(VFC)趨向于減小。
例如，當驅動電動機222被再生時，控制裝置225執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆 211的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流(零或正值)。該控制裝置225通過執(zhí)行再生電壓的反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器213的切換占空比。
例如，電源裝置210的其中燃料電池堆211的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于零的操作模式是其中電池212通過驅動電動機逆變器215的再生電力被充電的再生模式。
同時，電源裝置210的其中燃料電池堆211的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于正值的操作模式例如是其中驅動電動機逆變器215的再生電力和燃料電池堆211的輸出被供應給空氣泵逆變器214和電池212并且電池212被充電的(再生+FC電池充電)模式。
控制裝置225輸出關于被供應給燃料電池堆211的反應氣體的壓力和流量的指令值，作為用于使燃料電池堆211生成電力的指令，且該指令值的輸出例如基于燃料電池車輛被驅動的條件、包括在被供應給燃料電池堆211的陽極的反應氣體中的氫的濃度、包括在從燃料電池堆211的陽極排出的排放氣體中的氫的濃度、燃料電池堆211生成電力時的條件、多個燃料電池中的每一個的端子之間的電壓、燃料電池堆211的電壓VFC、燃料電池堆211的輸出電流Ifc、以及燃料電池堆211的內部溫度。這樣，控制裝置225控制燃料電池堆211生成電力的條件。
控制裝置225根據(jù)燃料電池堆211生成電力時的條件切換接觸器211a的接通和斷開狀態(tài)。另外，控制裝置225控制燃料電池堆211、第二線路L202以及第三線路L203之間的連接。
控制裝置225還根據(jù)電池212的剩余容量SOC切換接觸器21 和限流電路212b 的接通和斷開狀態(tài)。因此，控制裝置225控制電池212和第一線路L201以及第二線路L202 之間的連接。
如上所述，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的電源裝置210，可以僅通過相對于其中燃料電池堆211和電池212串聯(lián)連接的電池電路210a提供單個第一 DC-DC轉換器213來切換多個操作模式。例如，與其中為燃料電池堆211和電池212中的每一個單獨配備DC-DC 轉換器的情況相比較，可以降低構造所需的成本并減小尺寸。
進一步地，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)220，通過提供單個第一 DC-DC轉換器213，可以降低用于構造電源裝置210所需的成本，并且可以減小電源裝置210的尺寸。因為燃料電池堆211和電池212串聯(lián)連接，與燃料電池堆211和電池212并聯(lián)連接的情況相比較，可以增加驅動電動機逆變器215的操作電壓，并且可以減小電流。這樣，可以減小驅動電動機222和驅動電動機逆變器215的尺寸。同時，可以增強操作效率。因此，可以降低用于構造燃料電池車輛的電源系統(tǒng)220所需的成本，并且可以減小尺寸。
進一步地，可以增大空氣泵逆變器214的操作電壓，并且可以減小電流。另外，可以減小空氣泵(AP) 221的電動機和空氣泵逆變器214的尺寸。同時，可以增強操作效率。這樣，可以減小用于構造燃料電池裝置的電源系統(tǒng)220所需的成本，并且可以使尺寸形成得更小。
進一步地，即使第一 DC-DC轉換器213狀態(tài)是異常的(例如，當斷路故障發(fā)生時)， 也可以通過從電池電路210a將電力供應給驅動電動機逆變器215來驅動燃料電池車輛。
根據(jù)以上實施例，裝配在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，與第二DC-DC轉換器223分離的空氣調節(jié)器224、和連接到第二 DC-DC轉換器223的負載(處理裝置、電磁閥以及12伏型負載))的至少一部分直接或通過第二 DC-DC轉換器223連接到第一線路 L201和第二線路L202。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，如圖40中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第二線路L202和第三線路L203。另外，如圖41中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第一線路L201和第三線路L203。
根據(jù)以上結構，空氣泵逆變器214連接到第一線路L201和第三線路L203?？諝獗媚孀兤?14是空氣泵221的驅動電路。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。將反應氣體供應給燃料電池堆211的泵(例如，空氣泵221)和供應制冷劑的泵(未示出)中的至少一個泵的驅動電路可以連接到第一線路L201和第三線路L203。
根據(jù)以上實施例，電池212連接到第一線路L201和第二線路L202，而燃料電池堆 211連接到第二線路L202和第三線路L203。然而，本發(fā)明不受限于以上結構。燃料電池堆 211可以連接到第一線路L201和第二線路L202。電池212可以連接到第二線路L202和第三線路L203。
根據(jù)以上實施例，第一 DC-DC轉換器213交替地在高壓側臂的晶體管AH、BH和CH 中的每一個都被截止且低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通的狀態(tài)與其中高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通且中低壓側臂的晶體管AL、BL和CL的每一個都被截止的狀態(tài)之間進行切換。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，在當驅動電動機222被驅動時從初級側到次級側的升壓操作期間，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都可以交替地被切換成導通和截止，而高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止。作為另一個例子，在當驅動電動機222被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都可以被交替地切換成導通和截止，而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。
39 以下參照圖42-62提供對根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的電源裝置和用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的說明。
根據(jù)本實施例的電源裝置如圖42中所示例如包括燃料電池堆(FC)311、電池312、 第一 DC-DC轉換器313以及空氣泵逆變器314。例如，電源裝置310連接到驅動電動機逆變器 315。
例如，電源裝置310設置在用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)320中。例如，如圖43和圖44中所示，用于燃料電池車輛的這種電源系統(tǒng)320包括電源裝置310、空氣泵(AP)321、 驅動電動機322、第二 DC-DC轉換器323、空氣調節(jié)器324、控制裝置325、接地故障傳感器 326、輸出電流傳感器327、相電流傳感器328以及角度傳感器329。
燃料電池堆311通過層疊多個燃料電池而形成，所述燃料電池包括固體聚合物電解質膜，所述固體聚合物電解質包括陽離子交換膜和類似物，該固體聚合物電解質膜由包括陽極催化劑和氣體擴散層的燃料電極(陽極)和包括陰極催化劑和氣體擴散層的氧電極(陰極)保持，固體聚合物電解質膜和陽極以及陰極從而形成電解電極結構，該電解電極結構進一步地被一對間隔器保持。燃料電池的層疊主體從形成層的方向的兩側夾在一對端板之間。
空氣從空氣泵321被供應給燃料電池堆311的陰極，且空氣是包括氧氣的氧化劑氣體(反應氣體)。例如，包括氫的燃料氣體(反應氣體)從高壓氫罐(未示出)被供應給陽極。
氫在陽極處利用陽極催化劑通過催化反應被電離并通過適度濕潤的固體聚合物電解質膜移動到陰極。在氫移動的同時生成電子，并且通過外電路提取電子，并將該電子用作直流電流的電能。此時，氫離子、電子以及氧在陰極處反應，從而形成水。
這里，例如，空氣泵321從車輛外將空氣引入并壓縮該空氣?？諝獗?21將該空氣作為反應氣體供應給燃料電池堆311的陰極。空氣泵逆變器314根據(jù)由控制裝置325輸出的控制指令控制驅動該空氣泵321的電動機(未示出)的轉數(shù)?？諝獗媚孀兤?14包括基于脈寬調制(PWM)的PWM逆變器。
作為電池312的替代物，電源裝置310可以包括例如作為蓄電裝置的電容器，該電容器包括雙電層電容器或電解電容器。
第一 DC-DC轉換器313例如是限流器型DC-DC轉換器。如圖44中所示，第一 DC-DC 轉換器313包括具有三相的橋接電路331、具有三相的扼流線圈332以及平滑電容器333。 上述橋接電路331包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
在圖42和圖43中以簡化形式示出了第一 DC-DC轉換器313。因此，在三相中，在圖42和圖43中僅示出了開關元件和扼流線圈332的一相。
橋接電路331與形成隨后所述的驅動電動機逆變器315的三相橋接電路351相同。在該橋接電路331中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側第一晶體管AH和低壓側第一晶體管AL、高壓側第二晶體管BH和低壓側第二晶體管BL、以及高壓側第三晶體管CH 和低壓側第三晶體管CL被橋接。晶體管AH、BH以及CH中的每一個都通過連接到次級側正端子P302的集電極形成高壓側臂。晶體管AL、BL和CL中的每一個都通過連接到次級側負端子N302的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的集電極。二極管DAH、DAL、DBH、DBL、DCHJP DCL中的每一個都連接在晶體管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得由發(fā)射極到集電極的方向是向前方向。
該橋接電路331由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且所述信號從控制裝置325輸出并被輸入到晶體管中的每一個的柵極。能夠交替切換高壓側臂的晶體管AH、 BH和CH中的每一個都被導通而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止的狀態(tài)和高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL 中的每一個都被導通的狀態(tài)。
平滑電容器333連接到次級側正端子P302和次級側負端子N302。
對于三相扼流線圈332，扼流線圈332中的每一個的端部都連接在橋接電路331的相中的每一相的集電極與發(fā)射極之間。換句話說，扼流線圈332中的每一個的端部都分別連接在晶體管AH和AL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、晶體管BH和BL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、以及晶體管CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間。扼流線圈 332中的每一個的另一側共同連接到初級側正端子P301。
例如，如圖45中所示，三相扼流線圈332通過以共模的方式繞單個矩形芯體341 纏繞而形成。扼流線圈332被設定成使得在供應電力的同時由扼流線圈332中的每一個生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流線圈332中的一相是分散的并繞一對相對側部341a纏繞，所述一對相對側部是形成矩形芯體341的兩對相對側部中的一對。三相扼流線圈332中的另外兩相是集中的并繞形成矩形芯體；341的兩對相對側部中的另一對相對側部341b纏繞。
例如，如圖46中所示，三相扼流線圈332中的每一個都是集中的并繞形成矩形芯體341的四個側部中的三個側部纏繞。進一步地，三相扼流線圈332中的每一個都具有不同的纏繞結構。
關于三個線路L301、L302和L303，其中每一個都具有相互不同的電勢(例如，L301 的電勢> L302的電勢> L303的電勢)，第一 DC-DC轉換器313的初級側連接到第二線路 L302和第三線路L303。DC-DC轉換器313的次級側連接到第一線路L301和第三線路L303。 換句話說，第一線路L301連接到次級側正端子P302，第二線路L302連接到初級側正端子 P301，而第三線路L303連接到初級側負端子N301和次級側負端子N302。
對于這種第一 DC-DC轉換器313，當從初級側到次級側執(zhí)行升壓操作時，在例如驅動電動機322被驅動時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通。由于從初級側流動的電流，扼流線圈 332受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈332的電流的中斷而導致磁通量變化的同時，能夠在扼流線圈332的兩端生成感應電壓。由聚集在扼流線圈 332中的磁能生成的感應電壓被添加給初級側中的輸入電壓。這樣，能夠將比初級側中的輸入電壓高的升高電壓施加到次級側。能夠通過平滑電容器333使在此轉換操作期間生成的電壓的波動平滑。另外，升高電壓從次級側被輸出。
另一方面，例如，在當驅動電動機322被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。此時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通。扼流線圈332由于從次級側輸入的電流而受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈332的電流的阻斷而造成的磁通量的變化的同時，在扼流線圈332的兩端之間生成感應電壓。由聚集在扼流線圈332中的磁能生成的感應電壓變成下降電壓，所述下降電壓通過根據(jù)高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的導通/截止比率而使次級側的輸入電壓逐步下降而生成。這樣，能夠將下降電壓施加到初級側。
第一 DC-DC轉換器313由被脈寬調制的信號(PWM信號)驅動，所述信號從控制裝置325輸出并輸入到晶體管中的每一個的柵極。第一 DC-DC轉換器313根據(jù)切換占空比來切換高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的導通/截止狀態(tài)，所述切換占空比例如被定義為在PWM信號的一個周期期間高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個導通的比率。
另外，當切換導通/截止狀態(tài)時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個被禁止同時導通。提供適當?shù)耐r間，在該停滯時間期間，以上晶體管中的每一個能夠同時被截止。
燃料電池堆311通過設置在正電極側和負電極側的接觸器311a和電容器311b連接到第二線路L302和第三線路L303。電池312通過設置在正電極側和負電極側的接觸器 31 以及通過設置在正電極側的限流電路312b連接到第一線路L301和第二線路L302。因此，燃料電池堆311和電池312在第一線路L301與第三線路L303之間串聯(lián)連接。燃料電池堆311和電池312因此包括在電池電路310a中。
當電力從第一線路L301和第三線路L303輸出到負載(例如，驅動電動機322)時， 第一線路L301和第三線路L303連接到驅動電動機逆變器315。
空氣泵逆變器314連接到第一線路L301和第二線路L302。此空氣泵逆變器314 是空氣泵321的驅動電路。
包括在三相驅動電動機322的驅動電路中的驅動電動機逆變器315是具有脈寬調制(PWM)的PWM逆變器。此驅動電動機逆變器315包括三相橋接電路351，所述三相橋接電路包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
橋接電路351與形成第一 DC-DC轉換器313的三相橋接電路331相同。在橋接電路351中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側U相晶體管UH和低壓側U相晶體管UL、 高壓側V相晶體管VH和低壓側V相晶體管VL、以及高壓側W相晶體管WH和低壓側W相晶體管WL例如被橋接。晶體管UH、VH和WH中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器313 的次級側正端子P302的集電極形成高壓側臂。晶體管UL、VL和WL中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器313的次級側負端子N302的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管UH、VH和WH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管UL、VL和WL的中的每一個的集電極。二極管DUH、DUL、DVH、DVL、DffH和DWL中的每一個都連接在晶體管 UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得從發(fā)射極到集電極的方向為向前方向。
此驅動電動機逆變器315由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且該信號從控制裝置325輸出并輸入到橋接電路351的晶體管中的每一個的柵極。例如，當驅動電動機322被驅動時，通過切換對于各相中的每一相形成配對的晶體管中的每一個的導通(傳導)和截止(斷開)狀態(tài)，將從電源裝置310輸出的直流電轉換成三相交流電。通過依次將電流轉換到三相定子繞組，U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw被供應給每一相的定子繞組，其中所述U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw全都是交流電流。同時，當驅動電動機322被再生時，例如，從驅動電動機322輸出的三相交流電被轉換成直流電，并被供應給第一 DC-DC轉換器313。然后，電池被充電，并且電力被供給連接到第一 DC-DC轉換器313的負載。
驅動電動機322例如是使用永磁體作為磁場的永磁體型三相交流同步電動機。通過驅動電動機逆變器315供應的三相交流電驅動和控制驅動電動機322。同時，當驅動力從驅動輪側傳送到驅動電動機322側同時車輛減速時，驅動電動機322用作發(fā)電機。這樣，驅動電動機322產生所謂的再生制動力。進一步地，驅動電動機322回收車輛的動能作為電能。
第二 DC-DC轉換器323例如是限流器型DC-DC轉換器。裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，處理裝置、電磁閥以及12伏型負載)的至少一部分作為負載連接到第二 DC-DC轉換器323。
第二 DC-DC轉換器323連接到第一線路L301和第二線路L302。該第二 DC-DC轉換器323根據(jù)從控制裝置25輸出的控制指令通過限流運動降低施加在第一線路L301與第二線路L302之間的電壓，并將該電壓供應給連接到第二 DC-DC轉換器323的負載。
空氣調節(jié)器3M包括在裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械的至少一部分中。 該空氣調節(jié)器3M例如包括裝載在燃料電池車輛上的加熱器、用于壓縮機的電動機以及驅動電路(例如，逆變器)。
空氣調節(jié)器3M連接到第一線路L301和第二線路L302。電力從第一線路L301和第二線路L302被供應到空氣調節(jié)器324。
控制裝置325執(zhí)行占空比控制，從而控制第一 DC-DC轉換器313的切換占空比。同時，控制裝置325控制驅動電動機逆變器315的電力轉換操作。
控制裝置325接收例如由接地故障傳感器326、輸出電流傳感器327、相電流傳感器328以及角度傳感器3 輸出的檢測信號的輸入，其中所述接地故障傳感器3 連接到第一線路L301和第三線路L303并檢測接地故障的發(fā)生，所述輸出電流傳感器327檢測燃料電池堆311的輸出電流IFC，所述相電流傳感器3 檢測驅動電動機逆變器315與驅動電動機322之間的三相電流中的每一個，所述角度傳感器3 檢測驅動電動機的轉子的旋轉角度(換句話說，轉子的磁極從預定標準旋轉位置的旋轉角度，和驅動電動機322的旋轉軸線的旋轉位置)。
控制裝置325例如包括電力消耗計算單元361、目標電流分配單元362、目標電流設定單元363、占空比控制單元364以及驅動電動機控制單元365。
電力消耗計算單元361計算負載(例如，裝載在電源裝置310外的驅動電動機 322、空氣調節(jié)器324以及車輛輔助裝置，以及裝載在電源裝置310內的空氣泵逆變器314) 的總電力消耗，其中電力從電源裝置310被供應給所述負載。
當驅動電動機322被驅動時，例如，目標電力分配設定單元362例如根據(jù)燃料電池堆311的狀態(tài)(例如，燃料電池堆311的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池312的剩余容量SOC來設定形成電源裝置310的電池電路310a的燃料電池堆311和電池312的電力分配。換句話說，目標電力分配設定單元362設定當由電力消耗計算單元361計算的總電力消耗是通過由燃料電池堆311輸出的電力加上由電池312輸出的電力獲得的值時的分配。
例如，當驅動電動機322被驅動時，電力分配變成與第一 DC-DC轉換器313的切換占空比相對應的值(換句話說，在PWM信號的一個周期內高壓側臂的晶體管AH、BH和CH 中的每一個被導通的比例)。如下所示，可以使用燃料電池堆311的電壓(“VFC”)和電池 312的電壓(“VB”)來表示切換占空比(“占空比”)。
占空比=VFC/ (VFC+VB) 由此公式，燃料電池堆311的電壓(“VFC”)和電池312的電壓(“VB”)的比率可以使用切換占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC = (1_占空比)/占空比 例如，如圖47和圖48中所示，燃料電池堆311的電壓(“VFC”)和電池312的電壓(“VB”)與燃料電池堆311的電流(輸出電流Ifc)和電力以及電池312的電流(Ib)和電力中的每一個具有預定的對應關系。由此相應的關系，能夠使用切換占空比(“占空比”) 來表示燃料電池堆311的操作點(例如，電壓或電流或電力)和電池312的操作點(例如， 電壓或電流或電力)的比率。
例如，當驅動電動機322被再生時，目標電力分配設定單元362根據(jù)燃料電池堆 311的狀態(tài)(例如，燃料電池堆311的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池12的剩余容量SOC以及驅動電動機322的再生電力等來設定燃料電池堆311和驅動電動機逆變器315 的電力供應側的電力分配，以及設定電池312和負載(例如，空氣調節(jié)器3M和車輛輔助裝置以及空氣泵逆變器314)的電力接收側的電力分配。
因為使用切換占空比(“占空比”)來表示燃料電池堆311的操作點(例如，電壓或電流或電力)與電池312的操作點(例如，電壓或電流或電力)的比率，因此目標電流設定單元363通過參照預定映射獲得與例如當驅動電動機322被驅動時燃料電池堆311的輸出電流Ifc相對應的目標電流，所述預定映射表示燃料電池堆311的操作點、電池312的操作點、第一 DC-DC轉換器313的切換占空比以及負載的總電力消耗之間的對應關系。
例如，如圖49中所示，該預定映射在二維坐標中顯示相對于第一DC-DC轉換器313 的切換占空比的多個值中的每一個(D(I)，……，D(k)，……)設定的燃料電池堆311的操作點與電池312的操作點的對應關系，在所述二維坐標中燃料電池堆311的操作點和電池 312的操作點是直角坐標。另外，該預定映射顯示相對于負載的總電力消耗的多個值中的每一個(P(I)，……，P(k)，……)設定的燃料電池堆311的操作點與電池312的操作點之間的對應關系。
考慮為第一 DC-DC轉換器313的切換占空比的多個值中的每一個設定的對應關系，電池312的操作點被設定成具有隨著燃料電池堆311的操作點的增加而根據(jù)切換占空比以一定比率增加的趨勢。
同時，考慮到相對于為負載的總消耗電力的多個值中的每一個設定的燃料電池堆 311的操作點與電池312的操作點之間的對應關系，操作點的組合被設定成使得與燃料電池堆311的操作點相對應的電力和與電池312的操作點相對應的電力的總和等于負載的總消耗電力。
當在其中燃料電池堆311的操作點和電池312的操作點為直角坐標的二維坐標上燃料電池堆311和電池312的的操作點根據(jù)由目標電力分配單元362設定的電力分配被設定成是基于由消耗電力計算單元361計算的負載的總電力消耗的對應關系P(k)與基于第一 DC-DC轉換器313的切換占空比的對應關系D(k)之間的交點時，目標電流設定單元363 輸出與該操作點相對應的燃料電池堆311的電流(輸出電流Ifc)作為目標電流。
另外，例如，當驅動電動機322被再生時，目標電流設定單元363根據(jù)由目標電力分配設定單元362設定的電力分配輸出零或正值作為燃料電池堆311的電流(輸出電流 Ifc)的目標電流。
占空比控制單元364控制第一 DC-DC轉換器313的切換占空比，使得燃料電池堆 311和電池312的實際電力分配等于由目標電力分配設定單元362設定的電力分配(目標電力分配)。例如，占空比控制單元364控制第一 DC-DC轉換器313的切換占空比，使得由輸出電流傳感器327輸出的燃料電池堆311的輸出電流IFC的檢測值等于由目標電流設定單元363輸出的燃料電池堆311的目標電流(輸出電流Ifc)。
該占空比控制單元364包括例如電流偏差計算單元371、反饋處理單元372、和PWM 信號生成單元373。
電流偏差計算單元371計算和輸出由電流傳感器327輸出的燃料電池堆311的輸出電流IFC的檢測值與由目標電流設定單元363輸出的燃料電池堆311的目標電流(輸出電流Ifc)之間的電流偏差。
反饋處理單元372通過由例如PID(比例積分微分)運算控制和放大由電流偏差計算單元371輸出的電流偏差來計算電壓指令值。
為了從燃料電池堆311輸出與從反饋處理單元372輸出的電壓指令值相對應的輸出電流Ifc，PWM信號生成單元373生成和輸出導通和截止第一 DC-DC轉換器313的高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個以及低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的門信號(即，PWM信號)。
例如，當驅動電動機322被驅動時，驅動電動機控制單元365在旋轉直角坐標形式的dq-坐標系上執(zhí)行電流的反饋控制(矢量控制)。該驅動電動機控制單元365根據(jù)基于駕駛員的加速操作和驅動電動機322的轉數(shù)的扭矩指令計算目標d-軸電流和目標q-軸電流。然后，驅動電動機控制單元365根據(jù)目標d-軸電流和目標q-軸電流計算三相輸出電壓Vu、Vv和Vw中的每一個。進一步地，驅動電動機控制單元365根據(jù)輸出電壓Vu、Vv和Vw 的每一相將作為門信號的PWM信號輸入給驅動電動機逆變器315的橋接電路351。同時， 驅動電動機控制單元365執(zhí)行控制，使得通過將實際由F-驅動電動機逆變器315供應給驅動電動機312的電流Iu、Iv和Iw的每一相的檢測值轉換到dq-坐標系得到的d_軸電流與 q-軸電流之間的偏差和目標d-軸電流與目標q_軸電流之間的偏差等于零。
另外，例如，當驅動電動機322被再生時，驅動電動機控制單元365根據(jù)基于由角度傳感器3 輸出的驅動電動機322的轉子的旋轉角度θ m的輸出波形被同步的脈沖導通和截止驅動電動機逆變器315的橋接電路351的晶體管中的每一個。從驅動電動機控制單元365輸出的三相交流電被轉換成直流電。此時，驅動電動機控制單元365根據(jù)導通和截止橋接電路351的晶體管中的每一個的門信號的占空比執(zhí)行再生電壓的反饋控制。驅動電動機控制單元365將預定電壓值輸出給驅動電動機逆變器315的初級側，換句話說，在第一 DC-DC轉換器的313次級側正端子P302與次級側負端子N302之間。
換句話說，例如，當驅動電動機322被驅動時，控制裝置325執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆311的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流。因此，控制裝置325控制第一 DC-DC轉換器313的切換占空比。例如，如圖50中所示，該控制裝置325連續(xù)控制電源裝置310的操作模式。
例如，當?shù)谝?DC-DC轉換器313的升壓比近似等于2至3時，電源裝置310的最大化切換占空比的操作模式是EV模式，在該EV模式中，僅電池312的輸出被供應給驅動電動機逆變器315和空氣泵逆變器314，例如，如圖51A圖51B所示。
當切換占空比趨向于從EV模式下降時，電源裝置310的操作模式依次從第一(FC+ 電池)模式改變到第二(FC+電池)模式到第三(FC+電池)模式，例如，如圖52A-54B中所示。在第一模式中，電池312的輸出被供應給驅動電動機逆變器315和空氣泵逆變器314。 同時，在第一模式中，燃料電池堆311的輸出被供應給驅動電動機逆變器315，并且電池312 的電流(Ib)變得大于燃料電池堆311的電流(輸出電流Ifc)。在第二模式中，電池312的輸出被供應給驅動電動機逆變器315和空氣泵逆變器314。同時，在第二模式中，燃料電池堆311的輸出被供應給驅動電動機逆變器315，并且電池312的電流(Ib)變得等于燃料電池堆311的電流(輸出電流Ifc)與流動通過空氣泵逆變器314的電流(IAP)的總和。在第三模式中，電池312和燃料電池堆311的輸出被供應給驅動電動機逆變器315和空氣泵逆變器14，并且電池312的電流(Ib)變得小于燃料電池堆311的電流(輸出電流Ifc)。
因此，電池312的電流(Ib)趨向于下降，例如，如圖50中所示。另外，燃料電池堆 311的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(Ifc指令)趨向于增加。驅動電動機逆變器315 的初級側的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池312的電壓(VB)趨向于增加，而燃料電池堆311的電壓(VFC)趨向于減小。
進一步地，當切換占空比趨向于從第三(FC+電池)模式下降到最小值時，電源裝置310的操作模式依次改變到第一 FC模式和第二 FC模式，例如，如圖55A-56B中所示。在第一 FC模式中，僅燃料電池堆311的輸出被供應給驅動電動機逆變器315和空氣泵逆變器 314。在第二 FC模式中，僅燃料電池堆311的輸出被供應給驅動電動機逆變器315、空氣泵逆變器314以及電池312，從而給電池312充電。
因此，電池312的電流(Ib)趨向于從零減小到負值，例如，如圖50中所示。同時， 燃料電池堆311的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(Ifc指令)趨向于增加。另外，驅動電動機逆變器315的初級側中的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池312的電壓(VB) 趨向于增加。另一方面，燃料電池堆311的電壓(VFC)趨向于減小。
例如，當驅動電動機322被再生時，控制裝置325執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆 311的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流(零或正值)。該控制裝置325通過執(zhí)行再生電壓的反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器313的切換占空比。
例如，如圖57A和57B中所示，電源裝置310的其中燃料電池堆311的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于零的操作模式是其中電池312通過驅動電動機逆變器315的再生電力被充電的再生模式。
同時，電源裝置310的其中燃料電池堆311的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于正值的操作模式例如是其中驅動電動機逆變器315的再生電力和燃料電池堆311的輸出被供應給空氣泵逆變器314和電池312并且電池312被充電的(再生+FC電池充電)模式， 如圖58A和58B中所示。
控制裝置325輸出關于被供應給燃料電池堆311的反應氣體的壓力和流量的指令值作為用于使燃料電池堆311生成電力的指令，且該指令值的輸出例如基于燃料電池車輛被驅動的條件、包括在被供應給燃料電池堆311的陽極的反應氣體中的氫的濃度、包括在從燃料電池堆311的陽極排出的排放氣體中的氫的濃度、燃料電池堆311生成電力時的條件、多個燃料電池中的每一個的端子之間的電壓、燃料電池堆311的電壓VFC、燃料電池堆 311的輸出電流Ifc、以及燃料電池堆311的內部溫度。這樣，控制裝置325控制燃料電池堆311生成電力的條件。
控制裝置325根據(jù)燃料電池堆311生成電力時的條件切換接觸器311a的接通和斷開狀態(tài)。另外，控制裝置325控制燃料電池堆311、第二線路L302以及第三線路L303之間的連接。
例如，控制裝置325還根據(jù)電池312的剩余容量SOC切換接觸器31 和限流電路 312b的接通和斷開狀態(tài)。因此，控制裝置325控制電池312和第一線路L301以及第二線路 L302之間的連接。
如上所述，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的電源裝置310，三相扼流線圈332以共模的方式纏繞，并且在相同的方向上供應電流。因此，磁通量被放大。進一步地，例如，與其中多個扼流線圈322簡單地并聯(lián)連接的情況相比較，可以限制電感的下降。同時，可以減小電流脈動、切換損失和噪音。進一步地，第一 DC-DC轉換器313可以形成得更小并且更輕。
此外，可以僅通過相對于其中燃料電池堆311和電池312串聯(lián)連接的電池電路 310a提供單個第一 DC-DC轉換器313來切換多個操作模式。例如，與其中為燃料電池堆311 和電池312中的每一個單獨配備DC-DC轉換器的情況相比較，可以降低構造所需的成本并減小尺寸。
進一步地，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)320，通過提供單個第一 DC-DC轉換器313，可以降低用于構造電源裝置310所需的成本，并且可以減小電源裝置310的尺寸。因為燃料電池堆311和電池312串聯(lián)連接，與燃料電池堆311和電池312并聯(lián)連接的情況相比較，可以增加驅動電動機逆變器315的操作電壓，并且可以減小電流。這樣，可以減小驅動電動機322和驅動電動機逆變器315的尺寸。同時，可以增強操作效率。因此，可以降低用于構造燃料電池車輛的電源系統(tǒng)320所需的成本，并且可以減小尺寸。
另外，電力可以直接從電池312被供應給空氣泵逆變器314。也可以適當?shù)夭僮魅剂想姵囟?11。
進一步地，即使第一 DC-DC轉換器313狀態(tài)是異常的(例如，當斷路故障發(fā)生時)， 也可以通過從電池電路310a將電力供應給驅動電動機逆變器315來驅動燃料電池車輛。
根據(jù)以上實施例，裝配在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，與第二 DC-DC轉換器323分離的空氣調節(jié)器324、和連接到第二 DC-DC轉換器的323的負載(處理裝置、電磁閥以及12伏型負載))的至少一部分直接或通過第二 DC-DC轉換器323連接到第一線路L301和第二線路L302。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，如圖59中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第二線路L302和第三線路L303。另外，如圖60中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第一線路L301和第三線路L303。
根據(jù)以上結構，空氣泵逆變器314連接到第一線路L301和第二線路L302，且空氣泵逆變器314是空氣泵321的驅動電路。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。將反應氣體供應給燃料電池堆311的泵(例如，空氣泵321)和供應制冷劑的泵(未示出)中的至少一個的驅動電路可以連接到第一線路L301和第二線路L302。
另外，將反應氣體供應給燃料電池堆311的泵(例如，空氣泵321)和供應制冷劑的泵(未示出)中的至少一個的驅動電路可以連接到第二線路L302和第三線路L303。以上泵中的至少一個泵的驅動電路可以連接到第一線路L301和第三線路L303。
根據(jù)以上實施例，電池312連接到第一線路L301和第二線路L302，而燃料電池堆 311連接到第二線路L302和第三線路L303。然而，本發(fā)明不受限于以上結構。燃料電池堆 311可以連接到第一線路L301和第二線路L302。電池312可以連接到第二線路L302和第三線路L303。
根據(jù)以上實施例，控制裝置325通過執(zhí)行反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器313 的切換占空比，使得燃料電池堆311和電池312的實際電力分配等于目標電力分配，例如， 使得燃料電池堆311的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，可以執(zhí)行反饋控制，使得代替燃料電池堆311的電流(輸出電流Ifc)， 電池312的電流(Ib)等于目標值。進一步地，可以執(zhí)行反饋控制，使得代替電流，燃料電池堆311的電壓(VFC)或電池312的電壓(VB)的檢測值等于目標值。還可以執(zhí)行切換占空比的反饋控制，使得燃料電池堆311和電池312的輸出比等于目標值。
此外，例如，當驅動電動機322再生時，可以執(zhí)行反饋控制，使得代替燃料電池堆 311的電流(輸出電流Ifc)，燃料電池堆311的輸出等于目標值。
根據(jù)以上實施例，第一 DC-DC轉換器313交替地在高壓側臂的晶體管AH、BH和CH 中的每一個都被截止且低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通的狀態(tài)與其中高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通且中低壓側臂的晶體管AL、BL和CL的每一個都被截止的狀態(tài)之間進行切換。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，在當驅動電動機322被驅動時從初級側到次級側的升壓操作期間，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都可以交替地被切換成導通和截止，而高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止。作為另一個例子，在當驅動電動機322被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都可以被交替地切換成導通和截止，而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。
以下參照圖61-80提供對根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的電源裝置和用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的說明。
根據(jù)本實施例的電源裝置如圖61-63中所示例如包括燃料電池堆(FC) 411、電池 412、第一 DC-DC轉換器413、空氣泵逆變器414以及控制裝置425。另外，例如，電源裝置 410連接到驅動電動機逆變器415。
例如，電源裝置410設置在用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)420中。例如，如圖62和圖63中所示，用于燃料電池車輛的這種電源系統(tǒng)420包括電源裝置410、空氣泵(AP)421、驅動電動機422、第二 DC-DC轉換器423、空氣調節(jié)器424、接地故障傳感器426、輸出電流傳感器427、相電流傳感器428以及角度傳感器429。
燃料電池堆411通過層疊多個燃料電池而形成，所述燃料電池包括固體聚合物電解質膜，所述固體聚合物電解質包括陽離子交換膜和類似物，該固體聚合物電解質膜由包括陽極催化劑和氣體擴散層的燃料電極(陽極)和包括陰極催化劑和氣體擴散層的氧電極(陰極)保持，固體聚合物電解質膜和陽極以及陰極從而形成電解電極結構，該電解電極結構進一步地被一對間隔器保持。燃料電池的層疊主體從形成層的方向的兩側夾在一對端板之間。
空氣從空氣泵421被供應給燃料電池堆411的陰極，且空氣是包括氧氣的氧化劑氣體(反應氣體)。例如，包括氫的燃料氣體(反應氣體)從高壓氫罐(未示出)被供應給陽極。
氫在陽極處利用陽極催化劑通過催化反應被電離并通過適度濕潤的固體聚合物電解質膜移動到陰極。在氫移動的同時生成電子，并且通過外電路提取電子，并將該電子用作直流電流的電能。此時，氫離子、電子以及氧在陰極處反應，從而形成水。
這里，例如，空氣泵421從車輛外將空氣引入并壓縮該空氣。空氣泵421將該空氣作為反應氣體供應給燃料電池堆411的陰極。空氣泵逆變器414根據(jù)由控制裝置425輸出的控制指令控制驅動該空氣泵421的電動機(未示出)的轉數(shù)?？諝獗媚孀兤?14包括基于脈寬調制(PWM)的PWM逆變器。
作為電池412的替代物，電源裝置410可以包括例如作為蓄電裝置的電容器，該電容器包括雙電層電容器或電解電容器。
第一 DC-DC轉換器413例如是限流器型DC-DC轉換器。如圖63中所示，第一 DC-DC 轉換器413包括具有三相的橋接電路431、具有三相的扼流線圈432以及平滑電容器433。 上述橋接電路431包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
在圖61和圖62中以簡化形式示出了第一 DC-DC轉換器413。因此，在三相中，在圖61和圖62中僅示出了開關元件和扼流線圈432的一相。
橋接電路431與形成隨后所述的驅動電動機逆變器415的三相橋接電路451相同。在該橋接電路431中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側第一晶體管AH和低壓側第一晶體管AL、高壓側第二晶體管BH和低壓側第二晶體管BL、以及高壓側第三晶體管CH 和低壓側第三晶體管CL被橋接。晶體管AH、BH以及CH中的每一個都通過連接到次級側正端子P402的集電極形成高壓側臂。晶體管AL、BL和CL中的每一個都通過連接到次級側負端子N402的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的集電極。二極管DAH、DAL、 DBH、DBL、DCHJP DCL中的每一個都連接在晶體管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得由發(fā)射極到集電極的方向是向前方向。
該橋接電路431由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且所述信號從控制裝置425輸出并被輸入到晶體管中的每一個的柵極。能夠交替切換高壓側臂的晶體管AH、 BH和CH中的每一個都被導通而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止的狀態(tài)和高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL 中的每一個都被導通的狀態(tài)。
平滑電容器433連接到次級側正端子P402和次級側負端子N402。
對于三相扼流線圈432，扼流線圈432中的每一個的端部都連接在橋接電路431的相中的每一相的集電極與發(fā)射極之間。換句話說，扼流線圈432中的每一個的端部都分別連接在晶體管AH和AL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、晶體管BH和BL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、以及晶體管CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間。扼流線圈 432中的每一個的另一側共同連接到初級側正端子P401。
例如，如圖64中所示，三相扼流線圈432通過以共模的方式繞單個矩形芯體441 纏繞而形成。扼流線圈432被設定成使得在供應電力的同時由扼流線圈432中的每一個生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流線圈432中的一相是分散的并繞一對相對側部441a纏繞，所述一對相對側部是形成矩形芯體441的兩對相對側部中的一對。三相扼流線圈432中的另外兩相是集中的并繞形成矩形芯體441的兩對相對側部中的另一對相對側部441b纏繞。
例如，如圖65中所示，三相扼流線圈432中的每一個都是集中的并繞形成矩形芯體441的四個側部中的三個側部纏繞。進一步地，三相扼流線圈432中的每一個都具有不同的纏繞結構。
關于三個線路L401、L402和L403，其中每一個都具有相互不同的電勢(例如，L401 的電勢> L402的電勢> L403的電勢)，第一 DC-DC轉換器413的初級側連接到第二線路 L402和第三線路L403。DC-DC轉換器413的次級側連接到第一線路L401和第三線路L403。 換句話說，第一線路L401連接到次級側正端子P402，第二線路L402連接到初級側正端子 P401，而第三線路L403連接到初級側負端子N401和次級側負端子N402。
對于這種第一 DC-DC轉換器413，當從初級側到次級側執(zhí)行升壓操作時，在例如驅動電動機422被驅動時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通。由于從初級側流動的電流，扼流線圈 432受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈432的電流的中斷而導致磁通量變化的同時，能夠在扼流線圈432的兩端生成感應電壓。由聚集在扼流線圈 432中的磁能生成的感應電壓被添加給初級側中的輸入電壓。這樣，能夠將比初級側中的輸入電壓高的升高電壓施加到次級側。能夠通過平滑電容器433使在此轉換操作期間生成的電壓的波動平滑。另外，升高電壓從次級側被輸出。
另一方面，例如，在當驅動電動機422被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。此時，低壓側的晶體管AL、BL 和CL中的每一個都被導通。扼流線圈432由于從次級側輸入的電流而受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈432的電流的阻斷而造成的磁通量的變化的同時，在扼流線圈432的兩端之間生成感應電壓。由聚集在扼流線圈432中的磁能生成的感應電壓變成下降電壓，所述下降電壓通過根據(jù)高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的導通/截止比率而使次級側的輸入電壓逐步下降而生成。這樣，能夠將下降電壓施加到初級側。
第一 DC-DC轉換器413由被脈寬調制的信號(PWM信號)驅動，所述信號從控制裝置425輸出并輸入到晶體管中的每一個的柵極。第一 DC-DC轉換器413根據(jù)切換占空比來切換高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的導通/截止狀態(tài)，所述切換占空比例如被定義為在PWM信號的一個周期期間高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個導通的比率。
另外，當切換導通/截止狀態(tài)時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個被禁止同時導通。提供適當?shù)耐r間，在該停滯時間期間，以上晶體管中的每一個能夠同時被截止。
燃料電池堆411通過設置在正電極側和負電極側的接觸器41 Ia和電容器41 Ib連接到第二線路L402和第三線路L403。電池412通過設置在正電極側和負電極側的接觸器 41 以及通過設置在正電極側的限流電路412b連接到第一線路L401和第二線路L402。因此，燃料電池堆411和電池412在第一線路L401與第三線路L403之間串聯(lián)連接。燃料電池堆411和電池412因此包括電池電路410a。
當電力從第一線路L401和第三線路L403輸出到負載(例如，驅動電動機422)時， 第一線路L401和第三線路L403連接到驅動電動機逆變器415。
空氣泵逆變器414連接到第一線路L401和第二線路L402。此空氣泵逆變器414 是空氣泵421的驅動電路。
包括三相驅動電動機422的驅動電路的驅動電動機逆變器415是具有脈寬調制 (PWM)的PWM逆變器。此驅動電動機逆變器415包括三相橋接電路451，所述三相橋接電路包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
橋接電路451與形成第一 DC-DC轉換器413的三相橋接電路431相同。在橋接電路451中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側U相晶體管UH和低壓側U相晶體管UL、 高壓側V相晶體管VH和低壓側V相晶體管VL、以及高壓側W相晶體管WH和低壓側W相晶體管WL例如被橋接。晶體管UH、VH和WH中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器413 的次級側正端子P402的集電極形成高壓側臂。晶體管UL、VL和WL中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器413的次級側負端子N402的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管UH、VH和WH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管UL、VL和WL的中的每一個的集電極。二極管DUH、DUL、DVH、DVL、DffH和DWL中的每一個都連接在晶體管 UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得從發(fā)射極到集電極的方向為向前方向。
此驅動電動機逆變器415由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且該信號從控制裝置425輸出并輸入到橋接電路451的晶體管中的每一個的柵極。例如，當驅動電動機422被驅動時，通過切換對于各相中的每一相形成配對的晶體管中的每一個的導通 (傳導)和截止(斷開)狀態(tài)，從電源裝置410輸出的直流電被轉換成三相交流電。通過依次將電流轉換到三相定子繞組，U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw被供應給每一相的定子繞組，其中所述U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw全都是交流電流。同時， 當驅動電動機422被再生時，例如，驅動電動機逆變器415將從驅動電動機422輸出的三相交流電轉換成直流電，并將直流電供應給第一 DC-DC轉換器413。然后，驅動電動機逆變器415為電池412充電，并且電力被供給連接到第一 DC-DC轉換器413的負載。
驅動電動機422例如是使用永磁體作為磁場的永磁體型三相交流同步電動機。通過驅動電動機逆變器415供應的三相交流電驅動和控制驅動電動機422。同時，當驅動力從驅動輪側傳送到驅動電動機422側同時車輛減速時，驅動電動機422用作發(fā)電機。這樣，驅動電動機422產生所謂的再生制動力。進一步地，驅動電動機422回收車輛的動能作為電能。
第二 DC-DC轉換器423例如是限流器型DC-DC轉換器。裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，處理裝置、電磁閥以及12伏型負載)的至少一部分作為負載連接到第二 DC-DC轉換器423。
第二 DC-DC轉換器423連接到第一線路L401和第二線路L402。該第二 DC-DC轉換器423根據(jù)從控制裝置425輸出的控制指令通過限流運動降低施加在第一線路L401與第二線路L402之間的電壓，并將該電壓供應給連接到第二 DC-DC轉換器423的負載。
空氣調節(jié)器似4包括在裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械的至少一部分中。 該空氣調節(jié)器4M例如包括裝載在燃料電池車輛上的加熱器、用于壓縮機的電動機以及驅動電路(例如，逆變器)。
空氣調節(jié)器似4連接到第一線路L401和第二線路L402。電力從第一線路L401和第二線路L402被供應到空氣調節(jié)器424。
控制裝置425執(zhí)行占空比控制，從而控制第一 DC-DC轉換器413的切換占空比。同時，控制裝置425控制驅動電動機逆變器415的電力轉換操作。
控制裝置425接收例如由接地故障傳感器426、輸出電流傳感器427、相電流傳感器428以及角度傳感器4 輸出的檢測信號的輸入，其中所述接地故障傳感器4 連接到第一線路L401和第三線路L403并檢測接地故障的發(fā)生，所述輸出電流傳感器427檢測燃料電池堆411的輸出電流IFC，所述相電流傳感器4 檢測驅動電動機逆變器415與驅動電動機422之間的三相電流中的每一個，所述角度傳感器4 檢測驅動電動機422的轉子的旋轉角度(換句話說，轉子的磁極從預定標準旋轉位置的旋轉角度，和驅動電動機422的旋轉軸線的旋轉位置)。
控制裝置425例如包括電力消耗計算單元461、目標電流分配單元462、目標電流設定單元463、占空比控制單元464以及驅動電動機控制單元465。
電力消耗計算單元461計算負載(例如，裝載在電源裝置410外的驅動電動機 422、空氣調節(jié)器以及車輛輔助裝置，以及裝載在電源裝置410內的空氣泵逆變器414)的總電力消耗，其中電力從電源裝置410被供應給所述負載。
當驅動電動機422被驅動時，例如，目標電力分配設定單元462例如根據(jù)燃料電池堆411的狀態(tài)(例如，燃料電池堆411的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池412的剩余容量SOC來設定形成電源裝置410的電池電路410a的燃料電池堆411和電池412的電力分配。換句話說，目標電力分配設定單元462設定當由電力消耗計算單元461計算的總電力消耗是通過由燃料電池堆411輸出的電力加上由電池412輸出的電力獲得的值時的分配。
例如，當驅動電動機422被驅動時，電力分配變成與第一 DC-DC轉換器413的切換占空比相對應的值(換句話說，在PWM信號的一個周期內高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通的比例)。如下所示，可以使用燃料電池堆411的電壓(“VFC”)和電池 412的電壓(“VB”)來表示切換占空比(“占空比”)。
占空比=VFC/ (VFC+VB) 由此公式，燃料電池堆411的電壓(“VFC”)和電池412的電壓(“VB”)的比率可以使用切換占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC = (1_占空比)/占空比 例如，如圖66和圖67中所示，燃料電池堆411的電壓(“VFC”)和電池412的電壓(“VB”)與燃料電池堆411的電流(輸出電流Ifc)和電力以及電池412的電流(Ib)和電力中的每一個具有預定的對應關系。由此相應的關系，能夠使用切換占空比(“占空比”) 來表示燃料電池堆411的操作點(例如，電壓或電流或電力)和電池412的操作點(例如， 電壓或電流或電力)的比率。
例如，當驅動電動機422被再生時，目標電力分配設定單元462根據(jù)燃料電池堆 411的狀態(tài)(例如，燃料電池堆411的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池412的剩余容量SOC以及驅動電動機422的再生電力等來設定燃料電池堆411和驅動電動機逆變器415 的電力供應側的電力分配，以及設定電池412和負載(例如，空氣調節(jié)器4M和車輛輔助裝置以及空氣泵逆變器414)的電力接收側的電力分配。
因為使用切換占空比(“占空比”)來表示燃料電池堆411的操作點(例如，電壓或電流或電力)與電池412的操作點(例如，電壓或電流或電力)的比率，因此目標電流設定單元463通過參照預定映射獲得與例如當驅動電動機422被驅動時燃料電池堆411的輸出電流Ifc相對應的目標電流，所述預定映射表示燃料電池堆411的操作點、電池412的操作點、第一 DC-DC轉換器413的切換占空比以及負載的總電力消耗之間的對應關系。
例如，如圖68中所示，該預定映射在二維坐標中顯示相對于第一DC-DC轉換器413 的切換占空比的多個值中的每一個(D(I)，……，D(k)，……)設定的燃料電池堆411的操作點與電池412的操作點的對應關系，在所述二維坐標中燃料電池堆411的操作點和電池 412的操作點是直角坐標。另外，該預定映射顯示相對于負載的總電力消耗的多個值中的每一個(P(l)，……，P(k)，……)設定的燃料電池堆411的操作點與電池412的操作點之間的對應關系。
考慮為第一 DC-DC轉換器413的切換占空比的多個值中的每一個設定的對應關系，電池412的操作點被設定成具有隨著燃料電池堆411的操作點的增加而根據(jù)切換占空比以一定比率增加的趨勢。
同時，考慮到相對于為負載的總消耗電力的多個值中的每一個設定的燃料電池堆 411的操作點與電池412的操作點之間的對應關系，操作點的組合被設定成使得與燃料電池堆411的操作點相對應的電力和與電池412的操作點相對應的電力的總和等于負載的總消耗電力。
當在其中燃料電池堆411的操作點和電池412的操作點為直角坐標的二維坐標上燃料電池堆411和電池412的的操作點根據(jù)由目標電力分配單元462設定的電力分配被設定成是基于由消耗電力計算單元461計算的負載的總電力消耗的對應關系P(k)與基于第一 DC-DC轉換器413的切換占空比的對應關系D(k)之間的交點時，目標電流設定單元463 輸出與該操作點相對應的燃料電池堆411的電流(輸出電流Ifc)作為目標電流。
53 另外，例如，當驅動電動機422被再生時，目標電流設定單元463根據(jù)由目標電力分配設定單元462設定的電力分配輸出零或正值作為燃料電池堆411的電流(輸出電流 Ifc)的目標電流。
占空比控制單元464控制第一 DC-DC轉換器413的切換占空比，使得燃料電池堆 411和電池412的實際電力分配等于由目標電力分配設定單元462設定的電力分配(目標電力分配)。例如，占空比控制單元464控制第一 DC-DC轉換器413的切換占空比，使得由輸出電流傳感器427輸出的燃料電池堆411的輸出電流IFC的檢測值等于由目標電流設定單元463輸出的燃料電池堆411的目標電流(輸出電流Ifc)。
該占空比控制單元464包括例如電流偏差計算單元471、反饋處理單元472、和PWM 信號生成單元473。
電流偏差計算單元471計算和輸出由電流傳感器427輸出的燃料電池堆411的輸出電流IFC的檢測值與由目標電流設定單元463輸出的燃料電池堆411的目標電流(輸出電流Ifc)之間的電流偏差。
反饋處理單元472通過由例如PID(比例積分微分)運算控制和放大由電流偏差計算單元471輸出的電流偏差來計算電壓指令值。
為了從燃料電池堆411輸出與從反饋處理單元472輸出的電壓指令值相對應的輸出電流Ifc，PWM信號生成單元473生成和輸出導通和截止第一 DC-DC轉換器413的高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個以及低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的門信號(即，PWM信號)。
例如，當驅動電動機422被驅動，驅動電動機控制單元465在旋轉直角坐標形式的 dq-坐標系上執(zhí)行電流的反饋控制(矢量控制)。該驅動電動機控制單元465根據(jù)基于駕駛員的加速操作和驅動電動機422的轉數(shù)的扭矩指令計算目標d-軸電流和目標q_軸電流。 然后，驅動電動機控制單元465根據(jù)目標d-軸電流和目標q-軸電流計算三相輸出電壓Vu、 Vv和Vw中的每一個。進一步地，驅動電動機控制單元465根據(jù)輸出電壓Vu、Vv和Vw的每一相將作為門信號的PWM信號輸入給驅動電動機逆變器415的橋接電路451。同時，驅動電動機控制單元465執(zhí)行控制，使得通過將實際由F-驅動電動機逆變器415供應給驅動電動機412的電流Iu、Iv和Iw的每一相的檢測值轉換到dq-坐標系得到的d_軸電流與q_軸電流之間的偏差和目標d-軸電流與目標q_軸電流之間的偏差等于零。
另外，例如，當驅動電動機422被再生時，驅動電動機控制單元465根據(jù)基于由角度傳感器4 輸出的驅動電動機422的轉子的旋轉角度θ 輸出波形被同步的脈沖導通和截止驅動電動機逆變器415的橋接電路451的晶體管中的每一個。從驅動電動機控制單元465輸出的三相交流電被轉換成直流電。此時，驅動電動機控制單元465根據(jù)導通和截止橋接電路451的晶體管中的每一個的門信號的占空比執(zhí)行再生電壓的反饋控制。驅動電動機控制單元465將預定電壓值輸出給驅動電動機逆變器415的初級側，換句話說，在第一 DC-DC轉換器的413次級側正端子Ρ402與次級側負端子Ν402之間。
換句話說，例如，當驅動電動機422被驅動時，控制裝置425執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆411的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流。因此，控制裝置425控制第一 DC-DC轉換器413的切換占空比。例如，如圖69中所示，該控制裝置425連續(xù)控制電源裝置410的操作模式。
例如，當?shù)谝?DC-DC轉換器413的升壓比近似等于2至3時，電源裝置410的最大化切換占空比的操作模式是EV模式，在該EV模式中，僅電池412的輸出被供應給驅動電動機逆變器415和空氣泵逆變器414，例如，如圖70A圖70B所示。
當切換占空比趨向于從EV模式下降時，電源裝置410的操作模式依次從第一(FC+ 電池)模式改變到第二(FC+電池)模式到第三(FC+電池)模式，例如，如圖71A-7;3B中所示。在第一模式中，電池412的輸出被供應給驅動電動機逆變器415和空氣泵逆變器414。 同時，在第一模式中，燃料電池堆411的輸出被供應給驅動電動機逆變器415，并且電池412 的電流(Ib)變得大于燃料電池堆411的電流(輸出電流Ifc)。在第二模式中，電池412的輸出被供應給驅動電動機逆變器415和空氣泵逆變器414。同時，在第二模式中，燃料電池堆411的輸出被供應給驅動電動機逆變器415，并且電池412的電流(Ib)變得等于燃料電池堆411的電流(輸出電流Ifc)與流動通過空氣泵逆變器414的電流(IAP)的總和。在第三模式中，電池412和燃料電池堆411的輸出被供應給驅動電動機逆變器415和空氣泵逆變器414，并且電池412的電流(Ib)變得小于燃料電池堆411的電流(輸出電流Ifc)。
因此，電池412的電流(Ib)趨向于下降，例如，如圖69中所示。另外，燃料電池堆 411的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(Ifc指令)趨向于增加。驅動電動機逆變器415 的初級側的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池412的電壓(VB)趨向于增加，而燃料電池堆411的電壓(VFC)趨向于減小。
進一步地，當切換占空比趨向于從第三(FC+電池)模式下降到最小值時，電源裝置410的操作模式依次改變到第一 FC模式和第二 FC模式，例如，如圖74A-75B中所示。在第一 FC模式中，僅燃料電池堆411的輸出被供應給驅動電動機逆變器415和空氣泵逆變器 414。在第二 FC模式中，僅燃料電池堆411的輸出被供應給驅動電動機逆變器415、空氣泵逆變器414以及電池412，從而給電池412充電。
因此，電池412的電流(Ib)趨向于從零減小到負值，例如，如圖69中所示。同時， 燃料電池堆411的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(Ifc指令)趨向于增加。另外，驅動電動機逆變器415的初級側中的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池412的電壓(VB) 趨向于增加。另一方面，燃料電池堆411的電壓(VFC)趨向于減小。
例如，當驅動電動機422被再生時，控制裝置425執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆 411的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流(零或正值)。該控制裝置425通過執(zhí)行再生電壓的反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器413的切換占空比。
例如，如圖76A和76B中所示，電源裝置410的其中燃料電池堆411的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于零的操作模式是其中電池412通過驅動電動機逆變器415的再生電力被充電的再生模式。
同時，電源裝置410的其中燃料電池堆411的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于正值的操作模式例如是其中驅動電動機逆變器415的再生電力和燃料電池堆411的輸出被供應給空氣泵逆變器414和電池412并且電池412被充電的(再生+FC電池充電)模式， 如圖77A和77B中所示。
控制裝置425輸出關于被供應給燃料電池堆411的反應氣體的壓力和流量的指令值作為用于使燃料電池堆411生成電力的指令，且該指令值的輸出例如基于燃料電池車輛被驅動的條件、包括在被供應給燃料電池堆411的陽極的反應氣體中的氫的濃度、包括在從燃料電池堆411的陽極排出的排放氣體中的氫的濃度、燃料電池堆411生成電力時的條件、多個燃料電池中的每一個的端子之間的電壓、燃料電池堆411的電壓VFC、燃料電池堆 411的輸出電流Ifc、以及燃料電池堆411的內部溫度。這樣，控制裝置425控制燃料電池堆411生成電力的條件。
控制裝置425根據(jù)燃料電池堆411生成電力時的條件切換接觸器411a的接通和斷開狀態(tài)。另外，控制裝置425控制燃料電池堆411、第二線路L402以及第三線路L403之間的連接。
例如，控制裝置425還根據(jù)電池412的剩余容量SOC切換接觸器41 和限流電路 412b的接通和斷開狀態(tài)。因此，控制裝置425控制電池412和第一線路L401以及第二線路 L402之間的連接。
電源裝置410和燃料電池車輛的電源系統(tǒng)420被如上所述構造而成。接下來，參照圖78提供對電源裝置410和燃料電池車輛的電源系統(tǒng)420的操作的說明。特別是，提供關于通過執(zhí)行反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器413的切換占空比，使得燃料電池堆411 的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流的操作的說明。
首先，例如，在圖78中所示的步驟中S401，計算負載(電源裝置410將電力供應給所述負載)的總消耗。負載的例子包括驅動電動機422、空氣調節(jié)器424以及車輛輔助機械。
接下來，在步驟中S402中，例如，根據(jù)燃料電池堆411的狀態(tài)(例如，燃料電池堆 411的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池412的剩余容量SOC來設定形成電源裝置410 的電池電路410a的燃料電池堆411和電池412的電力分配。換句話說，當負載的總電力消耗是通過由燃料電池堆411輸出的電力加上由電池412輸出的電力獲得的值時，在S402中設定分配。
該電力分配變成與第一 DC-DC轉換器413的切換占空比相對應的值。
接下來，在步驟S403中，例如，在驅動電動機422被驅動時，通過參照預定映射獲得與燃料電池堆411的輸出電流Ifc相對應的目標電流，所述預定映射表示燃料電池堆411 的操作點、電池412的操作點、第一 DC-DC轉換器413的切換占空比以及負載的總電力消耗之間的對應關系。
接下來，在步驟中S404中，獲得由輸出電流傳感器427輸出的燃料電池堆411的輸出電流IFC的檢測值。
接下來，在步驟中S405中，例如，通過PID(比例積分微分)運算控制和放大目標電流與從輸出電流傳感器427輸出的燃料電池堆411的輸出電流IFC的檢測值之間的電流偏差，計算電壓指令值。
接下來，在步驟中S406中，輸出門信號(S卩，PWM信號)，所述門信號導通和截止第一 DC-DC轉換器413的高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個以及低壓側臂的晶體管 AL、BL和CL中的每一個，以便從燃料電池堆411輸出與電壓指令值相對應的輸出電流Ifc。
接下來，在步驟中S407中，根據(jù)PWM信號導通和截止第一 DC-DC轉換器413的高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個，并且接著返回。
如上所述，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的電源裝置410，通過相對于其中燃料電
56池堆411和電池412串聯(lián)連接的電池電路410a提供單個第一 DC-DC轉換器413，并且通過控制第一 DC-DC轉換器413的切換占空比使得燃料電池堆411和電池412相對于負載的總電力消耗的實際電力分配等于目標電力分配，可以自由切換與燃料電池堆411和電池412 的電力相對應的多個操作模式。例如，與其中為燃料電池堆411和電池412中的每一個單獨配備DC-DC轉換器的情況相比較，可以降低構造所需的成本并減小尺寸。
進一步地，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)420，通過提供單個第一 DC-DC轉換器413，可以降低用于構造電源裝置410所需的成本，并且可以減小電源裝置410的尺寸。因為燃料電池堆411和電池412串聯(lián)連接，與燃料電池堆411和電池412并聯(lián)連接的情況相比較，可以增加驅動電動機逆變器415的操作電壓，并且可以減小電流。這樣，可以減小驅動電動機422和驅動電動機逆變器415的尺寸。同時，可以增強操作效率。因此，可以降低用于構造燃料電池車輛的電源系統(tǒng)420所需的成本，并且可以減小尺寸。
進一步地，即使第一 DC-DC轉換器413狀態(tài)是異常的(例如，當斷路故障發(fā)生時)， 也可以通過從電池電路410a將電力供應給驅動電動機逆變器415來驅動燃料電池車輛。
根據(jù)以上實施例，裝配在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，與第二 DC-DC轉換器423分離的空氣調節(jié)器424、和連接到第二 DC-DC轉換器的423的負載(處理裝置、電磁閥以及12伏型負載))的至少一部分直接或通過第二 DC-DC轉換器423連接到第一線路 L401和第二線路L402。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，如圖79中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第二線路L402和第三線路L403。另外，如圖80中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第一線路L401和第三線路L403。
根據(jù)以上結構，空氣泵逆變器414連接到第一線路L401和第二線路L402，且空氣泵逆變器414是空氣泵421的驅動電路。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。將反應氣體供應給燃料電池堆411的泵(例如，空氣泵421)和供應制冷劑的泵(未示出)中的至少一個泵的驅動電路可以連接到第一線路L401和第二線路L402。
另外，將反應氣體供應給燃料電池堆411的泵(例如，空氣泵421)和供應制冷劑的泵(未示出)中的至少一個泵的驅動電路可以連接到第二線路L402和第三線路L403。 以上泵中的至少一個泵的驅動電路可以連接到第一線路L401和第三線路L403。
根據(jù)以上實施例，電池412連接到第一線路L401和第二線路L402，而燃料電池堆 411連接到第二線路L402和第三線路L403。然而，本發(fā)明不受限于以上結構。燃料電池堆 411可以連接到第一線路L401和第二線路L402。電池412可以連接到第二線路L402和第三線路L403。
根據(jù)以上實施例，控制裝置425通過執(zhí)行反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器413 的切換占空比，使得燃料電池堆411和電池412的實際電力分配等于目標電力分配，例如， 使得燃料電池堆411的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，可以執(zhí)行反饋控制，使得代替燃料電池堆411的電流(輸出電流Ifc)， 電池412的電流(Ib)等于目標值。進一步地，可以執(zhí)行反饋控制，使得代替電流，燃料電池堆411的電壓(VFC)或電池412的電壓(VB)的檢測值等于目標值。還可以執(zhí)行切換占空比的反饋控制，使得燃料電池堆411和電池412的輸出比等于目標值。
根據(jù)以上實施例，第一 DC-DC轉換器413交替地在高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止且低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通的狀態(tài)與其中高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通且中低壓側臂的晶體管AL、BL和CL的每一個都被截止的狀態(tài)之間進行切換。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，在當驅動電動機422被驅動時從初級側到次級側的升壓操作期間，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都可以交替地被切換成導通和截止，而高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止。作為另一個例子，在當驅動電動機422被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都可以被交替地切換成導通和截止，而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。
以下參照圖81-100提供對根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的電源裝置和用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的說明。
根據(jù)本實施例的電源裝置510如圖81-83中所示例如包括燃料電池堆(FC)511、電池512、第一 DC-DC轉換器513、空氣泵逆變器514以及控制裝置525。另外，例如，電源裝置 510連接到驅動電動機逆變器515。
例如，電源裝置510設置在用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)520中。例如，如圖82和圖83中所示，用于燃料電池車輛的這種電源系統(tǒng)520包括電源裝置510、空氣泵(AP)521、 驅動電動機522、第二 DC-DC轉換器523、空氣調節(jié)器524、接地故障傳感器526、輸出電流傳感器527、相電流傳感器528以及角度傳感器529。
燃料電池堆511通過層疊多個燃料電池而形成，所述燃料電池包括固體聚合物電解質膜，所述固體聚合物電解質包括陽離子交換膜和類似物，該固體聚合物電解質膜由包括陽極催化劑和氣體擴散層的燃料電極(陽極)和包括陰極催化劑和氣體擴散層的氧電極(陰極)保持，固體聚合物電解質膜和陽極以及陰極從而形成電解電極結構，該電解電極結構進一步地被一對間隔器保持。燃料電池的層疊主體從形成層的方向的兩側夾在一對端板之間。
空氣從空氣泵521被供應給燃料電池堆511的陰極，且空氣是包括氧氣的氧化劑氣體(反應氣體)。例如，包括氫的燃料氣體(反應氣體)從高壓氫罐(未示出)被供應給陽極。
氫在陽極處利用陽極催化劑通過催化反應被電離并通過適度濕潤的固體聚合物電解質膜移動到陰極。在氫移動的同時生成電子，并且通過外電路提取電子，并將該電子用作直流電流的電能。此時，氫離子、電子以及氧在陰極處反應，從而形成水。
這里，例如，空氣泵521從車輛外將空氣引入并壓縮該空氣?？諝獗?21將該空氣作為反應氣體供應給燃料電池堆511的陰極?？諝獗媚孀兤?14根據(jù)由控制裝置525輸出的控制指令控制驅動該空氣泵521的電動機(未示出)的轉數(shù)。空氣泵逆變器514包括基于脈寬調制(PWM)的PWM逆變器。
作為電池512的替代物，電源裝置510可以包括例如作為蓄電裝置的電容器，該電容器包括雙電層電容器或電解電容器。
第一 DC-DC轉換器513例如是限流器型DC-DC轉換器。如圖83中所示，第一 DC-DC 轉換器513包括具有三相的橋接電路531、具有三相的扼流線圈532以及平滑電容器533。 上述橋接電路531包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
在圖81和圖82中以簡化形式示出了第一 DC-DC轉換器513。因此，在三相中，在圖81和圖82中僅示出了開關元件和扼流線圈532的一相。
橋接電路531與形成隨后所述的驅動電動機逆變器515的三相橋接電路551相同。在該橋接電路531中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側第一晶體管AH和低壓側第一晶體管AL、高壓側第二晶體管BH和低壓側第二晶體管BL、以及高壓側第三晶體管CH 和低壓側第三晶體管CL被橋接。晶體管AH、BH以及CH中的每一個都通過連接到次級側正端子P502的集電極形成高壓側臂。晶體管AL、BL和CL中的每一個都通過連接到次級側負端子N502的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的集電極。二極管DAH、DAL、 DBH、DBL、DCHJP DCL中的每一個都連接在晶體管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得由發(fā)射極到集電極的方向是向前方向。
該橋接電路531由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且所述信號從控制裝置525輸出并被輸入到晶體管中的每一個的柵極。能夠交替切換高壓側臂的晶體管AH、 BH和CH中的每一個都被導通而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止的狀態(tài)和高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL 中的每一個都被導通的另一狀態(tài)。
平滑電容器533連接到次級側正端子P502和次級側負端子N502。
對于三相扼流線圈532，扼流線圈532中的每一個的端部都連接在橋接電路531的相中的每一相的集電極與發(fā)射極之間。換句話說，扼流線圈532中的每一個的端部都分別連接在晶體管AH和AL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、晶體管BH和BL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、以及晶體管CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間。扼流線圈 532中的每一個的另一側共同連接到初級側正端子P501。
例如，如圖84中所示，三相扼流線圈532通過以共模的方式繞單個矩形芯體541 纏繞而形成。扼流線圈532被設定成使得在供應電力的同時由扼流線圈532中的每一個生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流線圈532中的一相是分散的并繞一對相對側部Mla纏繞，所述一對相對側部是形成矩形芯體541的兩對相對側部中的一對。三相扼流線圈532中的另外兩相是集中的并繞形成矩形芯體的兩對相對側部中的另一對相對側部^lb纏繞。
例如，如圖85中所示，三相扼流線圈532中的每一個都是集中的并繞形成矩形芯體Ml的四個側部中的三個側部纏繞。進一步地，三相扼流線圈532中的每一個都具有不同的纏繞結構。
關于三個線路L501、L502和L503，其中每一個都具有相互不同的電勢(例如， L501的電勢> L502的電勢> L503的電勢)，第一 DC-DC轉換器513的初級側連接到第二線路L502和第三線路L503，例如，如圖83所示。DC-DC轉換器513的次級側連接到第一線路L501和第三線路L503。換句話說，第一線路L501連接到次級側正端子P502，第二線路 L502連接到初級側正端子P501，而第三線路L503連接到初級側負端子N501和次級側負端子 N502。
對于第一 DC-DC轉換器513，當從初級側到次級側執(zhí)行升壓操作時，在例如驅動電動機522被驅動時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通。由于從初級側流動的電流，扼流線圈532受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈532的電流的中斷而導致磁通量變化的同時，能夠在扼流線圈532的兩端生成感應電壓。由聚集在扼流線圈 532中的磁能生成的感應電壓被添加給初級側中的輸入電壓。這樣，能夠將比初級側中的輸入電壓高的升高電壓施加到次級側。能夠通過平滑電容器533使在此轉換操作期間生成的電壓的波動平滑。另外，升高電壓從次級側被輸出。
另一方面，例如，在當驅動電動機522被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。此時，低壓側的晶體管AL、BL 和CL中的每一個都被導通。扼流線圈532由于從次級側輸入的電流而受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈532的電流的阻斷而造成的磁通量的變化的同時，在扼流線圈532的兩端之間生成感應電壓。由聚集在扼流線圈532中的磁能生成的感應電壓變成下降電壓，所述下降電壓通過根據(jù)高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的導通/截止比率而使次級側的輸入電壓逐步下降而生成。這樣，能夠將下降電壓施加到初級側。
第一 DC-DC轉換器513由被脈寬調制的信號(PWM信號)驅動，所述信號從控制裝置525輸出并輸入到晶體管中的每一個的柵極。第一 DC-DC轉換器513根據(jù)切換占空比來切換高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的導通/截止狀態(tài)，所述切換占空比例如被定義為在PWM信號的一個周期期間高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個導通的比率。
另外，當切換導通/截止狀態(tài)時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個被禁止同時導通。提供適當?shù)耐r間，在該停滯時間期間，以上晶體管中的每一個能夠同時被截止。
燃料電池堆511通過設置在正電極側和負電極側的接觸器511a和電容器511b連接到第二線路L502和第三線路L503。電池512通過設置在正電極側和負電極側的接觸器 51 以及通過設置在正電極側的限流電路512b連接到第一線路L501和第二線路L502。因此，燃料電池堆511和電池512在第一線路L501與第三線路L503之間串聯(lián)連接。燃料電池堆511和電池512因此包括在電池電路510a中。
當電力從第一線路L501和第三線路L503輸出到負載(例如，驅動電動機522)時， 第一線路L501和第三線路L503連接到驅動電動機逆變器515。
空氣泵逆變器514連接到第一線路L501和第二線路L502。此空氣泵逆變器514 是空氣泵521的驅動電路。
包括三相驅動電動機522的驅動電路的驅動電動機逆變器515例如是具有脈寬調制(PWM)的PWM逆變器。此驅動電動機逆變器515包括三相橋接電路551，所述三相橋接電路包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
橋接電路551與形成第一 DC-DC轉換器513的三相橋接電路531相同。在橋接電路551中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側U相晶體管UH和低壓側U相晶體管UL、高壓側V相晶體管VH和低壓側V相晶體管VL、以及高壓側W相晶體管WH和低壓側W相晶體管WL例如被橋接。晶體管UH、VH和WH中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器513 的次級側正端子P502的集電極形成高壓側臂。晶體管UL、VL和WL中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器513的次級側負端子N502的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管UH、VH和WH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管UL、VL和WL的中的每一個的集電極。二極管DUH、DUL、DVH、DVL、DffH和DWL中的每一個都連接在晶體管 UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得從發(fā)射極到集電極的方向為向前方向。
此驅動電動機逆變器515由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且該信號從控制裝置525輸出并輸入到橋接電路551的晶體管中的每一個的柵極。例如，當驅動電動機522被驅動時，通過切換對于各相中的每一相形成配對的晶體管中的每一個的導通 (傳導)和截止(斷開)狀態(tài)，從電源裝置510輸出的直流電被轉換成三相交流電。通過依次將電流轉換到三相定子繞組，U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw被供應給每一相的定子繞組，其中所述U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw全都是交流電流。同時， 當驅動電動機522被再生時，例如，驅動電動機逆變器515將從驅動電動機522輸出的三相交流電轉換成直流電，并將直流電供應給第一 DC-DC轉換器513。然后，驅動電動機逆變器 515為電池512充電，并且將電力供給連接到第一 DC-DC轉換器513的負載。
驅動電動機522例如是使用永磁體作為磁場的永磁體型三相交流同步電動機。通過驅動電動機逆變器515供應的三相交流電驅動和控制驅動電動機522。同時，當驅動力從驅動輪側傳送到驅動電動機522側同時車輛減速時，驅動電動機522用作發(fā)電機。這樣，驅動電動機522產生所謂的再生制動力。進一步地，驅動電動機522回收車輛的動能作為電能。
第二 DC-DC轉換器523例如是限流器型DC-DC轉換器。裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，處理裝置、電磁閥以及12伏型負載)的至少一部分作為負載連接到第二 DC-DC轉換器523。
第二 DC-DC轉換器523連接到第一線路L501和第二線路L502。該第二 DC-DC轉換器523根據(jù)從控制裝置525輸出的控制指令通過限流運動降低施加在第一線路Ll與第二線路L502之間的電壓，并將該電壓供應給連接到第二 DC-DC轉換器523的負載。
空氣調節(jié)器5M包括在裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械的至少一部分中。 該空氣調節(jié)器5M例如包括裝載在燃料電池車輛上的加熱器、用于壓縮機的電動機以及驅動電路(例如，逆變器)。
空氣調節(jié)器5M連接到第一線路L501和第二線路L502。電力從第一線路L501和第二線路L502被供應到空氣調節(jié)器524。
控制裝置525執(zhí)行占空比控制，從而控制第一 DC-DC轉換器513的切換占空比。同時，控制裝置525控制驅動電動機逆變器515的電力轉換操作。
控制裝置525接收例如由接地故障傳感器526、輸出電流傳感器527、相電流傳感器528以及角度傳感器5 輸出的檢測信號的輸入，其中所述接地故障傳感器5 連接到第一線路L501和第三線路L503并檢測接地故障的發(fā)生，所述輸出電流傳感器527檢測燃料電池堆511的輸出電流IFC，所述相電流傳感器5 檢測驅動電動機逆變器515與驅動電動機522之間的三相電流中的每一個，所述角度傳感器5 檢測驅動電動機522的轉子的旋轉角度(換句話說，轉子的磁極從預定標準旋轉位置的旋轉角度，和驅動電動機522的旋轉軸線的旋轉位置)。
控制裝置525例如包括電力消耗計算單元561、目標電流分配單元562、目標電流設定單元563、占空比控制單元564以及驅動電動機控制單元565。
電力消耗計算單元561計算負載(例如，裝載在電源裝置510外的驅動電動機 522、空氣調節(jié)器以及車輛輔助裝置，以及裝載在電源裝置510內的空氣泵逆變器514)的總電力消耗，其中電力從電源裝置510被供應給所述負載。
當驅動電動機522被驅動時，例如，目標電力分配設定單元562例如根據(jù)燃料電池堆511的狀態(tài)(例如，燃料電池堆511的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池512的剩余容量SOC來設定形成電源裝置510的電池電路510a的燃料電池堆511和電池512的電力分配。換句話說，目標電力分配設定單元562設定當由電力消耗計算單元561計算的總電力消耗是通過由燃料電池堆511輸出的電力加上由電池512輸出的電力獲得的值時的分配。
例如，當驅動電動機522被驅動時，電力分配變成與第一 DC-DC轉換器513的切換占空比(換句話說，在PWM信號的一個周期內高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通的比例)相對應的值。如下所示，可以使用燃料電池堆511的電壓(“VFC”)和電池 512的電壓(“VB”)來表示切換占空比(“占空比”)。
占空比=VFC/ (VFC+VB) 由此公式，燃料電池堆511的電壓(“VFC”)和電池512的電壓(“VB”)的比率可以使用切換占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC = (1_占空比)/占空比 例如，如圖86和圖87中所示，燃料電池堆511的電壓(“VFC”)和電池512的電壓(“VB”)與燃料電池堆511的電流(輸出電流Ifc)和電力以及電池512的電流(Ib)和電力中的每一個具有預定的對應關系。由此相應的關系，能夠使用切換占空比(“占空比”) 來表示燃料電池堆511的操作點(例如，電壓或電流或電力)和電池512的操作點(例如， 電壓或電流或電力)的比率。
例如，當驅動電動機522被再生時，目標電力分配設定單元562根據(jù)燃料電池堆 511的狀態(tài)(例如，燃料電池堆511的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池512的剩余容量SOC以及驅動電動機522的再生電力等來設定燃料電池堆511和驅動電動機逆變器515 的電力供應側的電力分配，以及設定電池512和負載(例如，空氣調節(jié)器5M和車輛輔助裝置以及空氣泵逆變器514)的電力接收側的電力分配。
因為使用切換占空比(“占空比”)來表示燃料電池堆511的操作點(例如，電壓或電流或電力)與電池512的操作點(例如，電壓或電流或電力)的比率，因此目標電流設定單元563通過參照預定映射獲得與例如當驅動電動機522被驅動時燃料電池堆511的輸出電流Ifc相對應的目標電流，所述預定映射表示燃料電池堆511的操作點、電池512的操作點、第一 DC-DC轉換器513的切換占空比以及負載的總電力消耗之間的對應關系。
例如，如圖88中所示，該預定映射在二維坐標中顯示相對于第一DC-DC轉換器513 的切換占空比的多個值中的每一個(D(I)，……，D(k)，……)設定的燃料電池堆511的操作點與電池512的操作點的對應關系，在所述二維坐標中燃料電池堆511的操作點和電池 512的操作點是直角坐標。另外，該預定映射顯示相對于負載的總電力消耗的多個值中的每一個(P(I)，……，P(k)，……)設定的燃料電池堆511的操作點與電池512的操作點之間的對應關系。
考慮為第一 DC-DC轉換器513的切換占空比的多個值中的每一個設定的對應關系，電池512的操作點被設定成具有隨著燃料電池堆511的操作點的增加而根據(jù)切換占空比以一定比率增加的趨勢。
同時，考慮到相對于為負載的總消耗電力的多個值中的每一個設定的燃料電池堆 511的操作點與電池512的操作點之間的對應關系，操作點的組合被設定成使得與燃料電池堆511的操作點相對應的電力和與電池512的操作點相對應的電力的總和等于負載的總消耗電力。
當在其中燃料電池堆511的操作點和電池512的操作點為直角坐標的二維坐標上燃料電池堆511和電池512的的操作點根據(jù)由目標電力分配單元562設定的電力分配被設定成是基于由消耗電力計算單元561計算的負載的總電力消耗的對應關系P(k)與基于第一 DC-DC轉換器513的切換占空比的對應關系D(k)之間的交點時，目標電流設定單元563 輸出與該操作點相對應的燃料電池堆511的電流(輸出電流Ifc)作為目標電流。
另外，當驅動電動機522被再生時，例如，目標電流設定單元563根據(jù)由目標電力分配設定單元562設定的電力分配輸出零或正值作為燃料電池堆511的電流(輸出電流 Ifc)的目標電流。
占空比控制單元564控制第一 DC-DC轉換器513的切換占空比，使得燃料電池堆 511和電池512的實際電力分配等于由目標電力分配設定單元562設定的電力分配(目標電力分配)。例如，占空比控制單元564控制第一 DC-DC轉換器513的切換占空比，使得由輸出電流傳感器527輸出的燃料電池堆511的輸出電流IFC的檢測值等于由目標電流設定單元563輸出的燃料電池堆511的目標電流(輸出電流Ifc)。
該占空比控制單元564包括例如電流偏差計算單元571、反饋處理單元572、和PWM 信號生成單元573。
電流偏差計算單元571計算和輸出由電流傳感器527輸出的燃料電池堆511的輸出電流IFC的檢測值與由目標電流設定單元563輸出的燃料電池堆511的目標電流(輸出電流Ifc)之間的電流偏差。
反饋處理單元572通過由例如PID(比例積分微分)運算控制和放大由電流偏差計算單元571輸出的電流偏差來計算電壓指令值。
為了從燃料電池堆511輸出與從反饋處理單元572輸出的電壓指令值相對應的輸出電流Ifc，PWM信號生成單元573生成和輸出導通和截止第一 DC-DC轉換器513的高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個以及低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的門信號(即，PWM信號)。
例如，當驅動電動機522被驅動時，驅動電動機控制單元565在旋轉直角坐標形式的dq-坐標系上執(zhí)行電流的反饋控制(矢量控制)。該驅動電動機控制單元565根據(jù)基于駕駛員的加速操作和驅動電動機522的轉數(shù)的扭矩指令計算目標d-軸電流和目標q-軸電流。然后，驅動電動機控制單元565根據(jù)目標d-軸電流和目標q-軸電流計算三相輸出電
63壓Vu、Vv和Vw中的每一個。進一步地，驅動電動機控制單元565根據(jù)輸出電壓Vu、Vv和 Vw的每一相將作為門信號的PWM信號輸入給驅動電動機逆變器15的橋接電路551。同時， 驅動電動機控制單元565執(zhí)行控制，使得通過將實際由F-驅動電動機逆變器515供應給驅動電動機512的電流Iu、Iv和Iw的每一相的檢測值轉換到dq-坐標系得到的d_軸電流與 q-軸電流之間的偏差和目標d-軸電流與目標q_軸電流之間的偏差等于零。
另外，例如，當驅動電動機522被再生時，驅動電動機控制單元565根據(jù)基于由角度傳感器5 輸出的驅動電動機522的轉子的旋轉角度θ m的輸出波形被同步的脈沖導通和截止驅動電動機逆變器515的橋接電路551的晶體管中的每一個。從驅動電動機控制單元565輸出的三相交流電被轉換成直流電。此時，驅動電動機控制單元565根據(jù)導通和截止橋接電路的晶體管中的每一個的門信號的占空比執(zhí)行再生電壓的反饋控制。驅動電動機控制單元565將預定電壓值輸出給驅動電動機逆變器515的初級側，換句話說，在第一 DC-DC轉換器的513次級側正端子P502與次級側負端子N502之間。
換句話說，例如，當驅動電動機522被驅動時，控制裝置525執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆511的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流。因此，控制裝置525控制第一 DC-DC轉換器513的切換占空比。例如，如圖89中所示，該控制裝置525連續(xù)控制電源裝置510的操作模式。
例如，當?shù)谝?DC-DC轉換器513的升壓比近似等于2至3時，電源裝置510的最大化切換占空比的操作模式是EV模式，在該EV模式中，僅電池512的輸出被供應給驅動電動機逆變器515和空氣泵逆變器514，例如，如圖90A圖90B所示。
當切換占空比趨向于從EV模式下降時，電源裝置510的操作模式依次從第一(FC+ 電池)模式改變到第二(FC+電池)模式到第三(FC+電池)模式，例如，如圖91A-9;3B中所示。在第一模式中，電池512的輸出被供應給驅動電動機逆變器515和空氣泵逆變器514。 同時，在第一模式中，燃料電池堆511的輸出被供應給驅動電動機逆變器15，并且電池12的電流(Ib)變得大于燃料電池堆511的電流(輸出電流Ifc)。在第二模式中，電池512的輸出被供應給驅動電動機逆變器515和空氣泵逆變器14。同時，在第二模式中，燃料電池堆 511的輸出被供應給驅動電動機逆變器515，并且電池512的電流(Ib)變得等于燃料電池堆511的電流(輸出電流Ifc)與流動通過空氣泵逆變器514的電流(IAP)的總和。在第三模式中，電池512和燃料電池堆511的輸出被供應給驅動電動機逆變器515和空氣泵逆變器514，并且電池512的電流(Ib)變得小于燃料電池堆511的電流(輸出電流Ifc)。
因此，電池512的電流(Ib)趨向于下降，例如，如圖89中所示。另外，燃料電池堆 511的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(Ifc指令)趨向于增加。驅動電動機逆變器515 的初級側的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池512的電壓(VB)趨向于增加，而燃料電池堆511的電壓(VFC)趨向于減小。
進一步地，當切換占空比趨向于從第三(FC+電池)模式下降到最小值時，電源裝置510的操作模式依次改變到第一 FC模式和第二 FC模式，例如，如圖94A-95B中所示。在第一 FC模式中，僅燃料電池堆511的輸出被供應給驅動電動機逆變器515和空氣泵逆變器 514。在第二 FC模式中，僅燃料電池堆511的輸出被供應給驅動電動機逆變器515、空氣泵逆變器514以及電池512，從而給電池512充電。
因此，電池512的電流(Ib)趨向于從零減小到負值，例如，如圖89中所示。同時，燃料電池堆511的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(Ifc指令)趨向于增加。另外，驅動電動機逆變器515的初級側的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池512的電壓(VB)趨向于增加。另一方面，燃料電池堆511的電壓(VFC)趨向于減小。
例如，當驅動電動機522被再生時，控制裝置525執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆 511的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流(零或正值)。該控制裝置525通過執(zhí)行再生電壓的反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器513的切換占空比。
例如，如圖96A和96B中所示，電源裝置510的其中燃料電池堆511的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于零的操作模式是其中電池512通過驅動電動機逆變器515的再生電力被充電的再生模式。
同時，電源裝置510的其中燃料電池堆511的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于正值的操作模式例如是其中驅動電動機逆變器515的再生電力和燃料電池堆511的輸出被供應給空氣泵逆變器514和電池512并且電池512被充電的(再生+FC電池充電)模式， 如圖97A和97B中所示。
控制裝置525輸出關于被供應給燃料電池堆511的反應氣體的壓力和流量的指令值，作為用于使燃料電池堆511生成電力的指令，且該指令值的輸出例如基于燃料電池車輛被驅動的條件、包括在被供應給燃料電池堆511的陽極的反應氣體中的氫的濃度、包括在從燃料電池堆511的陽極排出的排放氣體中的氫的濃度、燃料電池堆511生成電力時的條件、多個燃料電池中的每一個的端子之間的電壓、燃料電池堆511的電壓VFC、燃料電池堆511的輸出電流Ifc、以及燃料電池堆511的內部溫度。這樣，控制裝置525控制燃料電池堆511生成電力的條件。
控制裝置525根據(jù)燃料電池堆511生成電力時的條件切換接觸器511a的接通和斷開狀態(tài)。另外，控制裝置525控制燃料電池堆511、第二線路L502以及第三線路L503之間的連接。
例如，控制裝置525還根據(jù)電池512的剩余容量SOC切換接觸器51 和限流電路 512b的接通和斷開狀態(tài)。因此，控制裝置525控制電池512和第一線路L501以及第二線路 L502之間的連接。
燃料電池車輛的電源系統(tǒng)520被如上所述構造而成。接下來，參照圖98提供對燃料電池車輛的電源系統(tǒng)520的操作的說明。特別是，提供關于通過執(zhí)行反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器513的切換占空比，使得燃料電池堆511的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流的操作的說明。
首先，例如，在圖98中所示的步驟中S501，計算負載(電源裝置510將電力供應給所述負載)的總消耗。負載的例子包括驅動電動機522、空氣調節(jié)器524以及車輛輔助機械。
接下來，在步驟中S502中，例如，根據(jù)燃料電池堆511的狀態(tài)(例如，燃料電池堆 511的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池512的剩余容量SOC來設定燃料電池堆511 和電池512的電力供應側的電力分配，以及負載(例如，空氣調節(jié)器524、車輛輔助機械以及空氣泵逆變器514)和電池512的電力接收側的電力分配。
接下來，在步驟S503中，根據(jù)由目標電力分配設定單元562設定的電力分配輸出零或正值作為燃料電池堆511的目標電流(輸出電流Ifc)的目標值。
接下來，在步驟中S504中，獲得由輸出電流傳感器527輸出的燃料電池堆511的輸出電流IFC的檢測值。
接下來，在步驟中S505中，例如，通過由PID(比例積分微分)運算控制和放大目標電流與從輸出電流傳感器527輸出的燃料電池堆511的輸出電流IFC的檢測值之間的電流偏差，計算電壓指令值。
接下來，在步驟中S506中，輸出門信號(S卩，PWM信號)，所述門信號導通和截止第一 DC-DC轉換器513的高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個以及低壓側臂的晶體管 AL、BL和CL中的每一個，以便從燃料電池堆511輸出與電壓指令值相對應的輸出電流Ifc。
接下來，在步驟中S507中，根據(jù)PWM信號導通和截止第一 DC-DC轉換器513的高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個，并且接著返回。
如上所述，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的電源系統(tǒng)520，通過相對于其中燃料電池堆511和電池512串聯(lián)連接的電池電路510a提供單個第一 DC-DC轉換器513，以及通過對第一 DC-DC轉換器513的切換占空比執(zhí)行反饋控制使得由輸出電流傳感器527輸出的燃料電池堆511的輸出電流IFC的檢測值等于目標電流(其中目標電流等于零或正值)，可以有效地使用在驅動電動機522處于再生操作時生成的再生電力。例如，與其中為燃料電池堆511和電池512中的每一個單獨配備DC-DC轉換器的情況相比較，可以降低構造所需的成本，減小尺寸，并且可以有效地控制電力。
根據(jù)以上實施例，裝配在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，與第二 DC-DC轉換器523分離的空氣調節(jié)器524、和連接到第二 DC-DC轉換器的523的負載(處理裝置、電磁閥以及12伏型負載))的至少一部分直接或通過第二 DC-DC轉換器523連接到第一線路 L501和第二線路L502。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，如圖99中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第二線路L502和第三線路L503。另外，如圖100中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第一線路L501和第三線路L503。
根據(jù)以上結構，空氣泵逆變器514連接到第一線路L501和第二線路L502，且空氣泵逆變器514是空氣泵521的驅動電路。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。將反應氣體供應給燃料電池堆511的泵(例如，空氣泵521)和供應制冷劑的泵(未示出)中的至少一個的驅動電路可以連接到第一線路L501和第二線路L502。
另外，將反應氣體供應給燃料電池堆511的泵(例如，空氣泵521)和供應制冷劑的泵(未示出)中的至少一個的驅動電路可以連接到第二線路L502和第三線路L503。以上泵中的至少一個泵的驅動電路可以連接到第一線路L501和第三線路L503。
根據(jù)以上實施例，電池512連接到第一線路L501和第二線路L502，而燃料電池堆 511連接到第二線路L502和第三線路L503。然而，本發(fā)明不受限于以上結構。燃料電池堆 511可以連接到第一線路L501和第二線路L502。電池512可以連接到第二線路L502和第三線路L503。
根據(jù)以上實施例，控制裝置525通過執(zhí)行反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器513 的切換占空比，使得燃料電池堆511的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流。然而， 本發(fā)明不受限于這種結構?？刂蒲b置525例如可以包括檢測燃料電池堆511的輸出電力的傳感器，并且控制裝置525可以執(zhí)行反饋控制，使得由該傳感器輸出的燃料電池堆511的輸出電力等于目標值。在這種情況下，根據(jù)由目標電力分配設定單元562設定的電力分配，將關于燃料電池堆511的輸出電力的目標植設定為零或正值。
根據(jù)以上實施例，第一 DC-DC轉換器513交替地在高壓側臂的晶體管AH、BH和CH 中的每一個都被截止且低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通的狀態(tài)與其中高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通且低壓側臂的晶體管AL、BL和CL的每一個都被截止的狀態(tài)之間進行切換。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，在當驅動電動機522被驅動時從初級側到次級側的升壓操作期間，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都可以交替地被切換成導通和截止，而高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止。作為另一個例子，在當驅動電動機522被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都可以被交替地切換成導通和截止，而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。
以下參照圖101-111提供對根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的電源裝置和用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)的說明。
根據(jù)本實施例的電源裝置如圖101中所示例如包括燃料電池堆(FC)611、電池 612、第一 DC-DC轉換器613以及空氣泵逆變器614。另外，例如，電源裝置610連接到驅動電動機逆變器615。
例如，電源裝置610設置在用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)620中。例如，如圖 102和圖103中所示，用于燃料電池車輛的這種電源系統(tǒng)620包括電源裝置610、空氣泵 (AP) 621、驅動電動機622、第二 DC-DC轉換器623、空氣調節(jié)器624、控制裝置625、接地故障傳感器626、輸出電流傳感器627、相電流傳感器628以及角度傳感器629。
燃料電池堆611通過層疊多個燃料電池而形成，所述燃料電池包括固體聚合物電解質膜，所述固體聚合物電解質包括陽離子交換膜和類似物，該固體聚合物電解質膜由包括陽極催化劑和氣體擴散層的燃料電極(陽極)和包括陰極催化劑和氣體擴散層的氧電極(陰極)保持，固體聚合物電解質膜和陽極以及陰極從而形成電解電極結構，該電解電極結構進一步地被一對間隔器保持。燃料電池的層疊主體從形成層的方向的兩側夾在一對端板之間。
空氣從空氣泵621被供應給燃料電池堆611的陰極，且空氣是包括氧氣的氧化劑氣體(反應氣體)。例如，包括氫的燃料氣體(反應氣體)從高壓氫罐(未示出)被供應給陽極。
氫在陽極處利用陽極催化劑通過催化反應被電離并通過適度濕潤的固體聚合物電解質膜移動到陰極。在氫移動的同時生成電子，并且通過外電路提取電子，并將該電子用作直流電流的電能。此時，氫離子、電子以及氧在陰極處反應，從而形成水。
這里，例如，空氣泵621從車輛外將空氣引入并壓縮該空氣?？諝獗?21將該空氣作為反應氣體供應給燃料電池堆611的陰極?？諝獗媚孀兤?14根據(jù)由控制裝置625輸出的控制指令控制驅動該空氣泵621的電動機(未示出)的轉數(shù)?？諝獗媚孀兤?14包括基于脈寬調制(PWM)的PWM逆變器。
作為電池612的替代物，電源裝置610可以包括例如作為蓄電裝置的電容器，該電容器包括雙電層電容器或電解電容器。
第一 DC-DC轉換器613例如是限流器型DC-DC轉換器。如圖103中所示，第一DC-DC轉換器613包括具有三相的橋接電路631、具有三相的扼流線圈632以及平滑電容器 633。上述橋接電路631包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
在圖101和圖102中以簡化形式示出了第一 DC-DC轉換器613。因此，在三相中， 在圖101和圖102中僅示出了開關元件和扼流線圈632的一相。
橋接電路631與形成隨后所述的驅動電動機逆變器615的三相橋接電路651相同。在該橋接電路631中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側第一晶體管AH和低壓側第一晶體管AL、高壓側第二晶體管BH和低壓側第二晶體管BL、以及高壓側第三晶體管CH 和低壓側第三晶體管CL被橋接。晶體管AH、BH以及CH中的每一個都通過連接到次級側正端子P602的集電極形成高壓側臂。晶體管AL、BL和CL中的每一個都通過連接到次級側負端子N602的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的集電極。二極管DAH、DAL、 DBH、DBL、DCHJP DCL中的每一個都連接在晶體管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得由發(fā)射極到集電極的方向是向前方向。
該橋接電路631由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且所述信號從控制裝置625輸出并被輸入到晶體管中的每一個的柵極。能夠交替切換高壓側臂的晶體管AH、 BH和CH中的每一個都被導通而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止的狀態(tài)和高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL 中的每一個都被導通的另一狀態(tài)。
平滑電容器633連接到次級側正端子P602和次級側負端子N602。
對于三相扼流線圈632，扼流線圈632中的每一個的端部都連接在橋接電路631的相中的每一相的集電極與發(fā)射極之間。換句話說，扼流線圈632中的每一個的端部都分別連接在晶體管AH和AL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、晶體管BH和BL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間、以及晶體管CH和CL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間。扼流線圈 632中的每一個的另一側共同連接到初級側正端子P601。
例如，如圖104中所示，三相扼流線圈632通過以共模的方式繞單個矩形芯體641 纏繞而形成。扼流線圈632被設定成使得在供應電力的同時由扼流線圈632中的每一個生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流線圈632中的一相是分散的并繞一對相對側部641a纏繞，所述一對相對側部是形成矩形芯體641的兩對相對側部中的一對。三相扼流線圈632中的另外兩相是集中的并繞形成矩形芯體641的兩對相對側部中的另一對相對側部641b纏繞。
例如，如圖105中所示，三相扼流線圈632中的每一個都是集中的并繞形成矩形芯體641的四個側部中的三個側部纏繞。進一步地，三相扼流線圈632中的每一個都具有不同的纏繞結構。
關于三個線路L601、L602和L603，其中每一個都具有相互不同的電勢(例如， L601的電勢> L602的電勢> L603的電勢)，第一 DC-DC轉換器613的初級側連接到第二線路L602和第三線路L603，例如，如圖103所示。DC-DC轉換器613的次級側連接到第一線路L601和第三線路L603。換句話說，第一線路L601連接到次級側正端子P602，第二線路L602連接到初級側正端子P601，而第三線路L603連接到初級側負端子N601和次級側負端子N602。
68 對于該第一 DC-DC轉換器613，當從初級側到次級側執(zhí)行升壓操作時，在例如驅動電動機622被驅動時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通。由于從初級側流動的電流，扼流線圈632 受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈632的電流的中斷而導致磁通量變化的同時，能夠在扼流線圈632的兩端生成感應電壓。由聚集在扼流線圈 632中的磁能生成的感應電壓被添加給初級側中的輸入電壓。這樣，能夠將比初級側中的輸入電壓高的升高電壓施加到次級側。能夠通過平滑電容器633使在此轉換操作期間生成的電壓的波動平滑。另外，升高電壓從次級側被輸出。
另一方面，例如，在當驅動電動機622被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個首先被截止。此時，低壓側的晶體管AL、BL 和CL中的每一個都被導通。扼流線圈632由于從次級側輸入的電流而受到直流激發(fā)，并且磁能被聚集。
然后，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通。同時，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。在防止由于流動通過扼流線圈632的電流的阻斷而造成的磁通量的變化的同時，在扼流線圈632的兩端之間生成感應電壓。由聚集在扼流線圈632中的磁能生成的感應電壓變成下降電壓，所述下降電壓通過根據(jù)高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個的導通/截止比率而使次級側的輸入電壓逐步下降而生成。這樣，能夠將下降電壓施加到初級側。
第一 DC-DC轉換器613由被脈寬調制的信號(PWM信號)驅動，所述信號從控制裝置625輸出并輸入到晶體管中的每一個的柵極。第一 DC-DC轉換器613根據(jù)切換占空比來切換高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的導通/截止狀態(tài)，所述切換占空比例如被定義為在PWM信號的一個周期期間高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個導通的比率。
另外，當切換導通/截止狀態(tài)時，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個和低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個被禁止同時導通。提供適當?shù)耐r間，在該停滯時間期間，以上晶體管中的每一個能夠同時被截止。
燃料電池堆611通過設置在正電極側和負電極側的接觸器611a和電容器611b連接到第一線路L601和第二線路L602。電池612通過設置在正電極側和負電極側的接觸器 61 以及通過設置在正電極側的限流電路612b連接到第二線路L602和第三線路L603。因此，燃料電池堆611和電池612在第一線路L601與第三線路L603之間串聯(lián)連接。燃料電池堆611和電池612因此包括在電池電路610a中。
第一線路L601和第三線路L603連接到驅動電動機逆變器615，使得電力從第一線路L601和第三線路L603輸出到負載(例如，驅動電動機622)。
空氣泵逆變器614連接到第二線路L602和第三線路L603。此空氣泵逆變器614 是空氣泵621的驅動電路。
包括在三相驅動電動機622的驅動電路中的驅動電動機逆變器615例如是具有脈寬調制(PWM)的PWM逆變器。此驅動電動機逆變器615包括三相橋接電路651，所述三相橋接電路包括被橋接的多個開關元件(例如，IGBT 絕緣柵雙極型晶體管)。
橋接電路651與形成第一 DC-DC轉換器613的三相橋接電路631相同。在橋接電路651中，對于各相中的每一相形成配對的高壓側U相晶體管UH和低壓側U相晶體管UL、 高壓側V相晶體管VH和低壓側V相晶體管VL、以及高壓側W相晶體管WH和低壓側W相晶體管WL例如被橋接。晶體管UH、VH和WH中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器613 的次級側正端子P602的集電極形成高壓側臂。晶體管UL、VL和WL中的每一個都通過連接到第一 DC-DC轉換器613的次級側負端子N602的發(fā)射極形成低壓側臂。對于每一相，高壓側臂的晶體管UH、VH和WH中的每一個的發(fā)射極連接到低壓側臂的晶體管UL、VL和WL的中的每一個的集電極。二極管DUH、DUL、DVH、DVL、DffH和DWL中的每一個都連接在晶體管 UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一個的集電極與發(fā)射極之間，使得從發(fā)射極到集電極的方向為向前方向。
此驅動電動機逆變器615由被脈寬調制(PWM)的信號(PWM信號)驅動，且該信號從控制裝置625輸出并輸入到橋接電路651的晶體管中的每一個的柵極。例如，當驅動電動機622被驅動時，通過切換對于各相中的每一相形成配對的晶體管中的每一個的導通(傳導)和截止(斷開)狀態(tài)，將從電源裝置610輸出的直流電轉換成三相交流電。由依次將電流轉換到三相定子繞組，U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw被供應給每一相的定子繞組，其中所述U相電流Iu、V相電流Iv以及W相電流Iw全都是交流電流。同時，當驅動電動機622被再生時，例如，驅動電動機逆變器615從驅動電動機622輸出的三相交流電轉換成直流電，并將該直流電供應給第一 DC-DC轉換器613。然后，驅動電動機逆變器615 為電池612充電，并且電力被供給連接到第一 DC-DC轉換器613的負載。
驅動電動機622例如是使用永磁體作為磁場的永磁體型三相交流同步電動機。通過驅動電動機逆變器615供應的三相交流電驅動和控制驅動電動機622。同時，當驅動力從驅動輪側傳送到驅動電動機622側同時車輛減速時，驅動電動機622用作發(fā)電機。這樣，驅動電動機622產生所謂的再生制動力。進一步地，驅動電動機622回收車輛的動能作為電能。
第二 DC-DC轉換器623例如是限流器型DC-DC轉換器。裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，處理裝置、電磁閥以及12伏型負載)的至少一部分作為負載連接到第二 DC-DC轉換器623。
第二 DC-DC轉換器623連接到第二線路L602和第三線路L603。該第二 DC-DC轉換器623根據(jù)從控制裝置625輸出的控制指令通過限流運動降低施加在第二線路L602與第三線路L603之間的電壓，并將該電壓供應給連接到第二 DC-DC轉換器623的負載。
空氣調節(jié)器6M包括在裝備在燃料電池車輛上的車輛輔助機械的至少一部分中。 該空氣調節(jié)器6M例如包括裝載在燃料電池車輛上的加熱器、用于壓縮機的電動機以及驅動電路(例如，逆變器)。
空氣調節(jié)器擬4連接到第二線路L602和第三線路L603。電力從第二線路L602和第三線路L603被供應到空氣調節(jié)器624。
控制裝置625執(zhí)行占空比控制，從而控制第一 DC-DC轉換器613的切換占空比。同時，控制裝置625控制驅動電動機逆變器615的電力轉換操作。
控制裝置625接收例如由接地故障傳感器626、輸出電流傳感器627、相電流傳感
70器628以及角度傳感器6 輸出的檢測信號的輸入，其中所述接地故障傳感器6 連接到第一線路L601和第三線路L603并檢測接地故障的發(fā)生，所述輸出電流傳感器627檢測燃料電池堆611的輸出電流IFC，所述相電流傳感器6 檢測驅動電動機逆變器15與驅動電動機622之間的三相電流中的每一個，所述角度傳感器6 檢測驅動電動機622的轉子的旋轉角度(換句話說，轉子的磁極從預定標準旋轉位置的旋轉角度，和驅動電動機622的旋轉軸線的旋轉位置)。
控制裝置625例如包括電力消耗計算單元661、目標電流分配單元662、目標電流設定單元663、占空比控制單元664以及驅動電動機控制單元665。
電力消耗計算單元661計算負載(例如，裝載在電源裝置610外的驅動電動機 622、空氣調節(jié)器以及車輛輔助裝置，以及裝載在電源裝置610內的空氣泵逆變器614)的總電力消耗，其中電力從電源裝置610被供應給所述負載。
當驅動電動機622被驅動時，例如，目標電力分配設定單元662例如根據(jù)燃料電池堆611的狀態(tài)(例如，燃料電池堆611的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池612的剩余容量SOC來設定形成電源裝置610的電池電路610a的燃料電池堆611和電池612的電力分配。換句話說，目標電力分配設定單元662設定當由電力消耗計算單元61計算的總電力消耗是通過由燃料電池堆611輸出的電力加上由電池612輸出的電力獲得的值時的分配。
例如，當驅動電動機622被驅動時，電力分配變成與第一 DC-DC轉換器613的切換占空比(換句話說，在PWM信號的一個周期內高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通的比例)相對應的值。如下所示，可以使用燃料電池堆611的電壓(“VFC”)和電池 612的電壓(“VB”)來表示切換占空比(“占空比”)。
占空比=VFC/ (VFC+VB) 由此公式，燃料電池堆611的電壓(“VFC”)和電池612的電壓(“VB”)的比率可以使用切換占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC = (1_占空比)/占空比 例如，如圖106和圖107中所示，燃料電池堆611的電壓(“VFC”)和電池612的電壓(“VB”)與燃料電池堆611的電流(輸出電流Ifc)和電力以及電池612的電流(Ib) 和電力中的每一個具有預定的對應關系。由此相應的關系，能夠使用切換占空比(“占空比”)來表示燃料電池堆611的操作點(例如，電壓或電流或電力)和電池612的操作點 (例如，電壓或電流或電力)的比率。
例如，當驅動電動機622被再生時，目標電力分配設定單元662根據(jù)燃料電池堆 611的狀態(tài)(例如，燃料電池堆611的基于發(fā)電指令的狀態(tài)的變化率)和電池612的剩余容量S0C、以及驅動電動機622的再生電力等來設定燃料電池堆611和驅動電動機逆變器615 的電力供應側的電力分配，以及設定電池612和負載(例如，空氣調節(jié)器6M和車輛輔助裝置以及空氣泵逆變器614)的電力接收側的電力分配。
因為使用切換占空比(“占空比”)來表示燃料電池堆611的操作點(例如，電壓或電流或電力)與電池612的操作點(例如，電壓或電流或電力)的比率，因此目標電流設定單元663通過參照預定映射獲得與例如當驅動電動機622被驅動時燃料電池堆611的輸出電流Ifc相對應的目標電流，所述預定映射表示燃料電池堆611的操作點、電池612的操作點、第一 DC-DC轉換器613的切換占空比以及負載的總電力消耗之間的對應關系。
例如，如圖108中所示，該預定映射在二維坐標中顯示相對于第一 DC-DC轉換器 613的切換占空比的多個值中的每一個(D(I)，……，D(k)，……)設定的燃料電池堆611 的操作點與電池612的操作點的對應關系，在所述二維坐標中燃料電池堆611的操作點和電池612的操作點是直角坐標。另外，該預定映射顯示相對于負載的總電力消耗的多個值中的每一個(P(I)，……，P(k)，……)設定的燃料電池堆611的操作點與電池612的操作點之間的對應關系。
考慮為第一 DC-DC轉換器613的切換占空比的多個值中的每一個設定的對應關系，電池612的操作點被設定成具有隨著燃料電池堆611的操作點的增加而根據(jù)切換占空比以一定比率增加的趨勢。
同時，考慮到相對于為負載的總消耗電力的多個值中的每一個設定的燃料電池堆 611的操作點與電池612的操作點之間的對應關系，操作點的組合被設定成使得與燃料電池堆611的操作點相對應的電力和與電池612的操作點相對應的電力的總和等于負載的總消耗電力。
當在其中燃料電池堆611的操作點和電池612的操作點為直角坐標的二維坐標上燃料電池堆611和電池612的的操作點根據(jù)由目標電力分配單元662設定的電力分配被設定成是基于由消耗電力計算單元661計算的負載的總電力消耗的對應關系P(k)與基于第一 DC-DC轉換器613的切換占空比的對應關系D(k)之間的交點時，目標電流設定單元663 輸出與該操作點相對應的燃料電池堆611的電流(輸出電流Ifc)作為目標電流。
另外，例如，當驅動電動機622被再生時，目標電流設定單元663根據(jù)由目標電力分配設定單元662設定的電力分配輸出零或正值作為燃料電池堆611的目標電流(輸出電流 Ifc)。
占空比控制單元664控制第一 DC-DC轉換器613的切換占空比，使得燃料電池堆 611和電池612的實際電力分配等于由目標電力分配設定單元662設定的電力分配(目標電力分配)。例如，占空比控制單元664控制第一 DC-DC轉換器613的切換占空比，使得由輸出電流傳感器627輸出的燃料電池堆611的輸出電流IFC的檢測值等于由目標電流設定單元663輸出的燃料電池堆611的目標電流(輸出電流Ifc)。
該占空比控制單元664包括例如電流偏差計算單元671、反饋處理單元672、和PWM 信號生成單元673。
電流偏差計算單元671計算和輸出由電流傳感器627輸出的燃料電池堆611的輸出電流IFC的檢測值與由目標電流設定單元663輸出的燃料電池堆611的目標電流(輸出電流Ifc)之間的電流偏差。
反饋處理單元672通過由例如PID(比例積分微分)運算控制和放大由電流偏差計算單元671輸出的電流偏差來計算電壓指令值。
為了從燃料電池堆611輸出與從反饋處理單元672輸出的電壓指令值相對應的輸出電流Ifc，PWM信號生成單元673生成和輸出導通和截止第一 DC-DC轉換器613的高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個以及低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個的門信號(即，PWM信號)。
例如，當驅動電動機622被驅動時，驅動電動機控制單元665在旋轉直角坐標形式的dq-坐標系上執(zhí)行電流的反饋控制(矢量控制)。該驅動電動機控制單元665根據(jù)基于駕駛員的加速操作和驅動電動機622的轉數(shù)的扭矩指令計算目標d-軸電流和目標q_軸電流。然后，驅動電動機控制單元665根據(jù)目標d-軸電流和目標q_軸電流計算三相輸出電壓Vu、Vv和Vw中的每一個。進一步地，驅動電動機控制單元665根據(jù)輸出電壓Vu、Vv和Vw 的每一相將作為門信號的PWM信號輸入給驅動電動機逆變器615的橋接電路651。同時， 驅動電動機控制單元665執(zhí)行控制，使得通過將實際由F-驅動電動機逆變器615供應給驅動電動機612的電流Iu、Iv和Iw的每一相的檢測值轉換到dq-坐標系得到的d_軸電流與 q-軸電流之間的偏差和目標d-軸電流與目標q_軸電流之間的偏差等于零。
另外，例如，當驅動電動機622被再生時，驅動電動機控制單元665根據(jù)基于由角度傳感器6 輸出的驅動電動機622的轉子的旋轉角度θ 輸出波形被同步的脈沖導通和截止驅動電動機逆變器615的橋接電路651的晶體管中的每一個。從驅動電動機控制單元665輸出的三相交流電被轉換成直流電。此時，驅動電動機控制單元665根據(jù)導通和截止橋接電路651的晶體管中的每一個的門信號的占空比執(zhí)行再生電壓的反饋控制。驅動電動機控制單元665將預定電壓值輸出給驅動電動機逆變器615的初級側，換句話說，在第一 DC-DC轉換器的613次級側正端子Ρ602與次級側負端子Ν602之間。
換句話說，例如，當驅動電動機622被驅動時，控制裝置625執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆611的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流。因此，控制裝置625控制第一 DC-DC轉換器613的切換占空比。例如，如圖109中所示，該控制裝置625連續(xù)控制電源裝置610的操作模式。
例如，當?shù)谝?DC-DC轉換器613的升壓比近似等于2至3時，電源裝置610的最大化切換占空比的操作模式是EV模式，在該EV模式中，僅電池612的輸出被供應給驅動電動機逆變器615和空氣泵逆變器614。
當切換占空比趨向于從EV模式下降時，電源裝置610的操作模式依次從第一(FC+ 電池)模式改變到第二(FC+電池)模式到第三(FC+電池)模式，例如，如圖91Α-9;3Β中所示。在第一模式中，電池612的輸出被供應給驅動電動機逆變器615和空氣泵逆變器614。 同時，在第一模式中，燃料電池堆611的輸出被供應給驅動電動機逆變器615，并且電池612 的電流(Ib)變得大于燃料電池堆611的電流(輸出電流Ifc)。在第二模式中，電池612的輸出被供應給驅動電動機逆變器615和空氣泵逆變器614。同時，在第二模式中，燃料電池堆611的輸出被供應給驅動電動機逆變器615，并且電池612的電流(Ib)變得等于燃料電池堆611的電流(輸出電流Ifc)與流動通過空氣泵逆變器614的電流(IAP)的總和。在第三模式中，電池612和燃料電池堆611的輸出被供應給驅動電動機逆變器615和空氣泵逆變器614，并且電池612的電流(Ib)變得小于燃料電池堆611的電流(輸出電流Ifc)。
因此，電池612的電流(Ib)趨向于下降，例如，如圖109中所示。另外，燃料電池堆 611的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(Ifc指令)趨向于增加。驅動電動機逆變器615 的初級側的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池612的電壓(VB)趨向于增加，而燃料電池堆611的電壓(VFC)趨向于減小。
進一步地，當切換占空比趨向于從第三(FC+電池)模式下降到最小值時，電源裝置610的操作模式依次改變到第一 FC模式和第二 FC模式。在第一 FC模式中，僅燃料電池堆611的輸出被供應給驅動電動機逆變器615和空氣泵逆變器614。在第二 FC模式中，僅燃料電池堆611的輸出被供應給驅動電動機逆變器615、空氣泵逆變器614以及電池612，從而給電池612充電。
因此，電池612的電流(Ib)趨向于從零減小到負值，例如，如圖109中所示。同時， 燃料電池堆611的電流(輸出電流Ifc)和目標電流(Ifc指令)趨向于增加。另外，驅動電動機逆變器615的初級側中的輸入電壓(VPIN)被保持近似恒定。電池612的電壓(VB) 趨向于增加。另一方面，燃料電池堆611的電壓(VFC)趨向于減小。
例如，當驅動電動機622被再生時，控制裝置625執(zhí)行反饋控制，使得燃料電池堆 611的電流(輸出電流Ifc)的檢測值等于目標電流(零或正值)。該控制裝置625通過執(zhí)行再生電壓的反饋控制來控制第一 DC-DC轉換器613的切換占空比。
例如，電源裝置610的其中燃料電池堆611的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于零的操作模式是其中電池612通過驅動電動機逆變器615的再生電力被充電的再生模式。
同時，電源裝置610的其中燃料電池堆611的電流(輸出電流Ifc)的目標值等于正值的操作模式例如是其中驅動電動機逆變器615的再生電力和燃料電池堆611的輸出被供應給空氣泵逆變器614和電池612并且電池612被充電的(再生+FC電池充電)模式。
控制裝置625輸出關于被供應給燃料電池堆611的反應氣體的壓力和流量的指令值作為用于使燃料電池堆611生成電力的指令，且該指令值的輸出例如基于燃料電池車輛被驅動的條件、包括在被供應給燃料電池堆611的陽極的反應氣體中的氫的濃度、包括在從燃料電池堆611的陽極排出的排放氣體中的氫的濃度、燃料電池堆611生成電力時的條件、多個燃料電池中的每一個的端子之間的電壓、燃料電池堆611的電壓VFC、燃料電池堆 611的輸出電流Ifc、以及燃料電池堆611的內部溫度。這樣，控制裝置625控制燃料電池堆611生成電力的條件。
控制裝置625根據(jù)燃料電池堆611生成電力時的條件切換接觸器611a的導通和截止狀態(tài)。另外，控制裝置625控制燃料電池堆611、第一線路L601以及第二線路L602之間的連接。
例如，控制裝置625還根據(jù)電池612的剩余容量SOC切換接觸器61 和限流電路 612b的接通和斷開狀態(tài)。因此，控制裝置625控制電池612和第二線路L602以及第三線路 L603之間的連接。
如上所述，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的電源裝置610，可以僅通過相對于其中燃料電池堆611和電池612串聯(lián)連接的電池電路610a提供單個第一 DC-DC轉換器613來切換多個操作模式。例如，與其中為燃料電池堆611和電池612中的每一個單獨配備DC-DC 轉換器的情況相比較，可以降低構造所需的成本并減小尺寸。
進一步地，根據(jù)基于本發(fā)明的以上實施例的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)620，通過提供單個第一 DC-DC轉換器613，可以降低用于構造電源裝置610所需的成本，并且可以減小電源裝置610的尺寸。因為燃料電池堆611和電池612串聯(lián)連接，與燃料電池堆611和電池612并聯(lián)連接的情況相比較，可以增加驅動電動機逆變器615操作電壓，并且可以減小電流。這樣，可以減小驅動電動機622和驅動電動機逆變器615的尺寸。同時，可以增強操作效率。因此，可以降低用于構造燃料電池車輛的電源系統(tǒng)620所需的成本，并且可以減小尺寸。
進一步地，即使第一 DC-DC轉換器613的狀態(tài)是異常的(例如，當斷路故障發(fā)生時)，也可以通過從電池電路610a將電力供應給驅動電動機逆變器615來驅動燃料電池車輛。
根據(jù)以上實施例，裝配在燃料電池車輛上的車輛輔助機械(例如，與第二 DC-DC轉換器623分離的空氣調節(jié)器624、和連接到第二 DC-DC轉換器的623的負載(處理裝置、電磁閥以及12伏型負載))的至少一部分直接或通過第二 DC-DC轉換器623連接到第二線路 L602和第三線路L603。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，如圖110中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第一線路L601和第二線路L602。另外，如圖111中所示，車輛輔助機械的至少一部分可以連接到第一線路L601和第三線路L603。
根據(jù)以上結構，空氣泵逆變器614連接到第二線路L602和第三線路L603，且空氣泵逆變器614是空氣泵621的驅動電路。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。將反應氣體供應給燃料電池堆161的泵(例如，空氣泵621)和供應制冷劑的泵(未示出)中的至少一個的驅動電路可以連接到第二線路L602和第三線路L603。
根據(jù)以上實施例，第一 DC-DC轉換器613交替地在高壓側臂的晶體管AH、BH和CH 中的每一個都被截止且低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被導通的狀態(tài)與其中高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被導通且中低壓側臂的晶體管AL、BL和CL的每一個都被截止的狀態(tài)之間進行切換。然而，本發(fā)明不受限于這種結構。例如，在當驅動電動機622被驅動時從初級側到次級側的升壓操作期間，低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都可以交替地被切換成導通和截止，而高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都被截止。作為另一個例子，在當驅動電動機622被再生時從次級側到初級側的再生操作期間，高壓側臂的晶體管AH、BH和CH中的每一個都可以被交替地切換成導通和截止，而低壓側臂的晶體管AL、BL和CL中的每一個都被截止。
工業(yè)適用性 根據(jù)基于本發(fā)明的電源裝置，可以通過為其中燃料電池堆和蓄電裝置串聯(lián)連接的電池電路提供單個第一 DC-DC轉換器來切換多個操作模式。與為燃料電池堆和蓄電裝置中的每一個單獨配備DC-DC轉換器的情況相比，可以降低構造所需的成本，并且尺寸可以形成得更小。
因為根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)包括單個第一 DC-DC轉換器，因此可以降低構造電源裝置所需的成本并減小尺寸。另外，因為燃料電池堆和蓄電裝置串聯(lián)連接，因此與燃料電池堆和蓄電裝置并聯(lián)連接的情況相比，可以增加用于驅動車輛的電動機的驅動電路的操作電壓。同時，可以減小電流。此外，可以減小用于驅動車輛的驅動電路和電動機的尺寸。另外，可以增強操作效率。這樣，可以降低構造用于燃料電池車輛的電源系統(tǒng)所需的成本，并且可以減小尺寸。
即使在關于第一 DC-DC轉換器的緊急狀況(例如當斷路故障發(fā)生時)期間，也可以通過從電池電路將電力供應到用于驅動車輛的電動機的驅動電路來驅動燃料電池車輛。
附圖標記說明 10…電源裝置；IOa…電池電路；11···燃料電池堆；12···電池(蓄電裝置)；13…第一 DC-DC轉換器；14…空氣泵逆變器(驅動電路)；15…驅動電動機逆變器；20…燃料電池車輛的電源系統(tǒng)；21···空氣泵(泵)；22…驅動電動機(用于驅動車輛的電動機)；23…第二 DC-DC轉換器；對…空氣調節(jié)器；25…控制裝置；110…電源裝置；IlOa…電池電路；111... 燃料電池堆；112…電池(蓄電裝置)；113…第一 DC-DC轉換器；114…空氣泵逆變器(驅動電路)；115…驅動電動機逆變器；120…燃料電池車輛的電源系統(tǒng)；121…空氣泵(泵)； 122…驅動電動機(用于驅動車輛的電動機)；123…第二DC-DC轉換器；IM…空氣調節(jié)器； 125…控制裝置；210…電源裝置；210a…電池電路；211…燃料電池堆；212…電池(蓄電裝置)；213…第一 DC-DC轉換器；214…空氣泵逆變器(驅動電路)；215…驅動電動機逆變器；220…燃料電池車輛的電源系統(tǒng)；221…空氣泵(泵)；222…驅動電動機(用于驅動車輛的電動機)；223…第二 DC-DC轉換器；2 …空氣調節(jié)器；225…控制裝置；310…電源裝置；310a…電池電路；311…燃料電池堆；312…電池(蓄電裝置)；313…第一 DC-DC轉換器；314…空氣泵逆變器；315…驅動電動機逆變器；320…燃料電池車輛的電源系統(tǒng)；32L··· 空氣泵；322…驅動電動機(用于驅動車輛的電動機)；323…第二 DC-DC轉換器；3 …空氣調節(jié)器；325…控制裝置；331…橋接電路；332…扼流線圈；341…芯體；410…電源裝置； 410a…電池電路；411…燃料電池堆；412…電池(蓄電裝置)；413…第一 DC-DC轉換器 (DC-DC轉換器)；414…空氣泵逆變器；415…驅動電動機逆變器；420…燃料電池車輛的電源系統(tǒng)；421…空氣泵；422…驅動電動機(用于驅動車輛的電動機)；423…第二 DC-DC轉換器；4M…空氣調節(jié)器；425…控制裝置；461…電力消耗計算單元(電力消耗獲得單元)； 462…目標電力分配設定單元；463…目標電流設定單元；464…占空比控制單元；510…電源裝置；510a…電池電路；511…燃料電池堆；512…電池(蓄電裝置)；513…第一 DC-DC轉換器(DC-DC轉換器)；514…空氣泵逆變器；515…驅動電動機逆變器；520…燃料電池車輛的電源系統(tǒng)；521…空氣泵；522…驅動電動機(用于驅動車輛的電動機)；523…第二 DC-DC 轉換器；5M…空氣調節(jié)器；525…控制裝置；527…輸出電流傳感器(檢測單元)；563...目標電流設定單元(目標設定單元)；610…電源裝置；610a…電池電路；611…燃料電池堆； 612…電池(蓄電裝置)；613…第一DC-DC轉換器；614…空氣泵逆變器(驅動電路)；615... 驅動電動機逆變器；620…燃料電池車輛的電源系統(tǒng)；621…空氣泵(泵)；622…驅動電動機(用于驅動車輛的電動機)；623…第二 DC-DC轉換器；6M…空氣調節(jié)器；625…控制裝置。
權利要求
1.一種電源裝置，包括第一線路、第二線路和第三線路，所述第一線路、所述第二線路和所述第三線路每一個具有相互不同的電勢；電池電路，在所述電池電路中，燃料電池堆和蓄電裝置串聯(lián)連接；和第一 DC-DC轉換器，其中所述電池電路的兩端連接到所述第一線路和所述第三線路； 所述電池電路的所述蓄電裝置和所述燃料電池堆的連接點連接到所述第二線路； 所述第一 DC-DC轉換器的初級側連接到所述第二線路和所述第三線路； 所述第一 DC-DC轉換器的次級側連接到所述第一線路和所述第三線路；以及電力從所述第一線路和所述第三線路輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的電源裝置，其中所述蓄電裝置連接到所述第一線路和所述第二線路；以及所述燃料電池堆連接到所述第二線路和所述第三線路。
3.根據(jù)權利要求1所述的電源裝置，其中驅動將反應氣體供應給所述燃料電池堆的第一泵和將制冷劑供應給所述燃料電池堆的第二泵中的至少一個泵的驅動電路連接到所述第一線路和所述第二線路。
4.一種燃料電池車輛的電源系統(tǒng)，包括 根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的電源裝置；和驅動車輛的電動機，所述電動機從所述電源裝置供給電力。
5.根據(jù)權利要求4所述的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)，還包括車輛輔助機械，其中所述車輛輔助機械的至少一部分連接到所述第一線路和所述第二線路。
6.根據(jù)權利要求4所述的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)，還包括車輛輔助機械，其中所述車輛輔助機械的至少一部分連接到所述第二線路和所述第三線路。
7.根據(jù)權利要求4所述的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)，還包括車輛輔助機械，其中所述車輛輔助機械的至少一部分連接到所述第一線路和所述第三線路。
8.根據(jù)權利要求5-7中任一項所述的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)，其中，所述車輛輔助機械的所述至少一部分通過第二 DC-DC轉換器連接到所述電源裝置。
9.根據(jù)權利要求5-7中任一項所述的燃料電池車輛的電源系統(tǒng)，其中，所述車輛輔助機械的至少一部分包括空氣調節(jié)器。
10.根據(jù)權利要求1所述的電源裝置，其中所述蓄電裝置連接到所述第一線路和所述第二線路； 所述燃料電池堆連接到所述第二線路和所述第三線路；以及驅動將反應氣體供應給所述燃料電池堆的第一泵和將制冷劑供應給所述燃料電池堆的第二泵中的至少一個泵的驅動電路連接到所述第二線路和所述第三線路。
11.根據(jù)權利要求1所述的電源裝置，其中，驅動將反應氣體供應給所述燃料電池堆的第一泵和將制冷劑供應給所述燃料電池堆的第二泵中的至少一個泵的驅動電路連接到所述第一線路和所述第三線路。
12.根據(jù)權利要求1所述的電源裝置，其中所述第一 DC-DC轉換器是包括多個扼流線圈的限流器型轉換器；以及所述多個扼流線圈是共模線圈。
13.根據(jù)權利要求12所述的電源裝置，其中所述第一 DC-DC轉換器包括三相橋接電路和作為所述多個扼流線圈的三相扼流線圈， 在所述三相橋接電路中，開關元件被橋接； 所述共模線圈的芯體是矩形芯體；所述三相扼流線圈的任一相扼流線圈是分散的并繞包括在所述矩形芯體中的兩對相對側部中的一對相對側部纏繞；以及所述三相扼流線圈的除了所述一相扼流線圈之外的兩相扼流線圈分別是集中的并繞包括在所述矩形芯體中的所述兩對相對側部中的另一對相對側部纏繞。
14.根據(jù)權利要求1所述的電源裝置，其中，電力從所述第一線路和所述第三線路被供應給負載，所述電源裝置還包括電力消耗獲得單元，所述電力消耗獲得單元獲得所述負載的電力消耗； 目標電力分配設定單元，所述目標電力分配設定單元根據(jù)所述電力消耗設定所述燃料電池堆和所述蓄電裝置的目標電力分配；和占空比控制單元，所述占空比控制單元控制所述第一 DC-DC轉換器的切換占空比，使得所述燃料電池堆和所述蓄電裝置的實際電力分配等于所述目標電力分配。
15.根據(jù)權利要求14所述的電源裝置，其中，所述電力消耗獲得單元獲得所述電力消耗，所述電力消耗包括所述電源裝置的外部負載的外部負載電力消耗和所述電源裝置的內部負載的內部負載電力消耗。
16.根據(jù)權利要求14所述的電源裝置，還包括目標電流設定單元，所述目標電流設定單元根據(jù)所述目標電力分配設定所述燃料電池堆或所述蓄電裝置的目標電流，其中所述占空比控制單元執(zhí)行所述切換占空比的反饋控制，使得所述燃料電池堆或所述蓄電裝置的實際電流等于所述目標電流。
17.根據(jù)權利要求14所述的電源裝置，還包括目標電壓設定單元，所述目標電壓設定單元根據(jù)所述目標電力分配設定所述燃料電池堆或所述蓄電裝置的目標電壓，其中所述占空比控制單元執(zhí)行所述切換占空比的反饋控制，使得所述燃料電池堆或所述蓄電裝置的實際電壓等于所述目標電壓。
18.根據(jù)權利要求14所述的電源裝置，其中所述目標電力分配設定單元將所述燃料電池堆和所述蓄電裝置的目標輸出比設定為所述目標電力分配；以及所述占空比控制單元執(zhí)行所述切換占空比的反饋控制，使得所述燃料電池堆和所述蓄電裝置的實際輸出比等于所述目標輸出比。
19.根據(jù)權利要求1所述的電源裝置，還包括 驅動車輛的電動機，所述電動機從所述電池電路供給電力；目標設定單元，所述目標設定單元將所述燃料電池堆的目標輸出電流或目標輸出電力設定為零或正值；檢測單元，所述檢測單元檢測所述燃料電池堆的輸出電流或輸出電壓；和占空比控制單元，所述占空比控制單元執(zhí)行所述第一 DC-DC轉換器的切換占空比的反饋控制，使得由所述檢測單元檢測的所述輸出電流等于所述目標輸出電流，或由所述檢測單元檢測的所述輸出電壓等于所述目標輸出電壓；其中在驅動車輛的所述電動機的再生操作期間，所述占空比控制單元持續(xù)所述反饋控制；以及電力從所述第一線路和所述第三線路供應給負載。
20.根據(jù)權利要求19所述的電源裝置，其中，在驅動車輛的所述電動機的再生操作期間，所述目標設定單元將所述目標輸出電流或所述目標輸出電力設定到零。
全文摘要
電源裝置包括第一線路、第二線路和第三線路，且每一個具有相互不同的電勢；電池電路，在所述電池電路中，燃料電池堆和蓄電裝置串聯(lián)連接；和第一DC-DC轉換器，其中電池電路的兩端連接到第一線路和第三線路，電池電路的蓄電裝置和燃料電池堆的連接點連接到第二線路，第一DC-DC轉換器的初級側連接到第二線路和第三線路，第一DC-DC轉換器的次級側連接到第一線路和第三線路，以及電力從第一線路和第三線路被輸出。
文檔編號H02M3/158GK102186696SQ20098014174
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權日2008年10月24日
發(fā)明者曾根利浩 申請人:本田技研工業(yè)株式會社