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【発明の名称】 車両駆動用電源装置
【発明者】 【氏名】加藤 憲二
【住所又は居所】東京都千代田区外神田２丁目１９番１２号 株式会社エクォス・リサーチ内

【氏名】安藤 正夫
【住所又は居所】東京都千代田区外神田２丁目１９番１２号 株式会社エクォス・リサーチ内

【氏名】堀口 宗久
【住所又は居所】東京都千代田区外神田２丁目１９番１２号 株式会社エクォス・リサーチ内

【氏名】杉浦 浩
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動車株式会社内

【氏名】石川 哲浩
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動車株式会社内
【要約】 【課題】車両に要求される所定の条件を満たしながら小型軽量化を実現し得る車両駆動用電源装置を提供する。

【解決手段】車両駆動用電源装置２０によると、燃料電池２１に並列に接続されたキャパシタ２５の静電容量は、４Ｆ（ファラド）以上３０Ｆ（ファラド）以下である。即ち、キャパシタ２５は、燃料電池２１に比べてその静電容量の増加に対する重量の増加率が大きいので、過度に静電容量の大きいキャパシタ２５を用いることは、結局、車両全体の重量の増加を招くことになるので、４Ｆ以上３０Ｆ以下の範囲にキャパシタ２５の静電容量を設定することによって、キャパシタ２５の過度な容量増加による大型化を抑制することができる。したがって、車両に要求される所定の条件を満たしながら小型軽量化を実現し得る効果がある。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 燃料電池と、この燃料電池に並列に接続されたコンデンサとを備える車両駆動用電源装置であって、前記コンデンサの静電容量は、４ファラド以上３０ファラド以下であることを特徴とする車両駆動用電源装置。
【請求項２】 前記コンデンサは、次の条件(イ)および／または条件(ロ)に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１記載の車両駆動用電源装置。
(イ)前記コンデンサの許容耐電圧は、前記燃料電池の開放電圧に対し１．１倍以上３．０倍以下である。
(ロ)前記コンデンサの使用下限電圧は、前記燃料電池の開放電圧に対し０．３倍以上１．０倍以下である。
【請求項３】 燃料電池と、この燃料電池に並列に接続されたコンデンサとを備える車両駆動用電源装置であって、前記コンデンサの静電容量は、前記燃料電池の定格出力値の増加に伴い、増加する所定の関数に基づいて設定されることを特徴とする車両駆動用電源装置。
【請求項４】 前記所定の関数は、前記コンデンサの静電容量をＣ（Ｆ;ファラド）、前記燃料電池の定格出力値をＰ（kW）、第１定数をＫ１、第２定数をＫ２にしたとき、Ｃ＝Ｋ１×Ｐ＋Ｋ２により表され、第１定数Ｋ１は０．０２０以上０．０２６以下、第２定数Ｋ２は４．０以上２５．０以下に設定されることを特徴とする請求項３記載の車両駆動用電源装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池とこの燃料電池に並列に接続されたコンデンサとを備える車両駆動用電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】車両駆動用電源装置として、燃料電池はクリーンなエネルギ源であることから、現在、最も有力視されているが、その一方で燃料電池はそのコストが発生エネルギ量の増加に伴って急増するという問題点を抱えている。そのため、燃料電池に要するコストを削減する方策として、燃料電池により発生させるエネルギ出力、つまり燃料電池の定格出力を極力小さくすることが求められている。
【０００３】具体的には、燃料電池に並列接続された大容量のコンデンサに、燃料電池から出力される電気エネルギあるいは車両の駆動モータから発生する回生エネルギを蓄えることによって、駆動モータ等が一時的に大出力を必要とする場合に、このコンデンサに蓄えられた電気エネルギを当該駆動モータ等に供給し得るシステムが考案されている。
【０００４】一方、電気モータで駆動する車両システムを検討する場合、車両全体の重量、電気モータの出力、車両全体の最大消費動力といった「車両条件」と、車両が停止状態から発進して４００ｍの距離まで到達するのに要する時間（以下「0-400m到達時間」という）、車両が停止状態から発進して時速１００km/hまで加速するのに要する時間（以下「0-100km/h 加速時間」という）で表される「動力特性目標」と、の２つの条件を考慮する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような「車両条件」と「動力特性目標」とは、ともにエネルギ源としての燃料電池に密接に関係していることから、車両駆動用電源装置として燃料電池を搭載する車両においては、「車両条件」および「動力特性目標」を両方ともに満足することに加え、前述した燃料電池の定格出力を極力小さくすること、つまり「燃料電池の適正な出力条件」をも満たすように車両駆動用電源の出力を設定する必要がある。
【０００６】しかも、燃料電池にコンデンサを並列に接続する電源装置においては、併用されるコンデンサの静電容量の増大が、そのままコンデンサの体格大型化ひいては重量増加にも直結するため、必要以上にコンデンサの大容量化を図ることは、車両駆動用電源装置として常に要求される「小型軽量化」に相反する結果を招くこととなる。したがって、車両としての前記２条件を充足しながら「燃料電池の適正な出力条件」を満たし、さらには「小型軽量化」をも満足するように、当該コンデンサの静電容量を適切な値に設定することは、決して容易なことではない。
【０００７】本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、車両に要求される所定の条件を満たしながら小型軽量化を実現し得る車両駆動用電源装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の作用・効果】上記目的を達成するため、請求項１の車両駆動用電源装置では、燃料電池と、この燃料電池に並列に接続されたコンデンサとを備える車両駆動用電源装置であって、前記コンデンサの静電容量は、４ファラド以上３０ファラド以下であることを技術的特徴とする。
【０００９】請求項１の発明では、燃料電池に並列に接続されたコンデンサの静電容量は、４ファラド以上３０ファラド以下である。これにより、４ファラド以上３０ファラド以下の静電容量のコンデンサを用いるので、必要以上に大きな静電容量のコンデンサを用いることによる車両全体の重量増加を防止することができる。即ち、コンデンサは、燃料電池に比べてその静電容量の増加に対する重量の増加率が大きいので、過度に静電容量の大きいコンデンサを用いることは、結局、車両全体の重量の増加を招くことになるので、４ファラド以上３０ファラド以下の範囲にコンデンサの静電容量を設定することによって、当該コンデンサの過度な容量増加による大型化を抑制することができる。したがって、車両に要求される所定の条件を満たしながら小型軽量化を実現し得る効果がある。
【００１０】また、請求項２の車両駆動用電源装置では、請求項１において、前記コンデンサは、次の条件(イ)および／または条件(ロ)に基づいて設定されていることを技術的特徴とする。(イ)前記コンデンサの許容耐電圧は、前記燃料電池の開放電圧に対し１．１倍以上３．０倍以下である。(ロ)前記コンデンサの使用下限電圧は、前記燃料電池の開放電圧に対し０．３倍以上１．０倍以下である。ここで、「使用下限電圧」とは、コンデンサの出力電圧がその電圧値以上であることを条件として、燃料電池とコンデンサとを接続可能にする電圧値のことをいう。
【００１１】請求項２の発明では、燃料電池に並列に接続されたコンデンサは、上記の条件(イ)および／または条件(ロ)に基づいて設定されている。即ち、当該コンデンサは前記の条件(イ)および条件(ロ)に設定され、または、当該コンデンサは前記の条件(イ)もしくは条件(ロ)に設定される。これにより、当該コンデンサが条件（イ）に基づいて設定、即ち「コンデンサの許容耐電圧は燃料電池の開放電圧に対し１．１倍以上３．０倍以下」に設定されるときには、コンデンサから出力される電圧が燃料電池の開放電圧に対し１．１倍以上３．０倍以下の範囲内に抑制される。また当該コンデンサが条件（ロ）に基づいて設定、即ち「コンデンサの使用下限電圧は、燃料電池の開放電圧に対し０．３倍以上１．０倍以下」に設定されるときには、コンデンサから出力される電圧が燃料電池の開放電圧に対し０．３倍以上１．０倍以下の範囲内に抑制される。そのため、静電容量に応じて出力可能な電圧が変動するというコンデンサの特性を利用して電気エネルギを供給することができるので、例えば、コンデンサの許容耐電圧を過剰に高く設定することにより電気エネルギの供給先回路を構成する部品の耐電圧が上昇し、重量の増加や体積の増大を招き、さらにはコスト高に繋がるという問題の発生を防止することができる。またコンデンサの使用下限電圧を過剰に低く設定することにより電気エネルギの供給先回路を構成する部品の耐電流を上昇させるため、重量等の増加に加え、電流損失の増大による電力効率の低下をも招くという問題の発生を防止することができる。したがって、車両に要求される所定の条件を満たしながら小型軽量化を実現し得る効果がある。
【００１２】上記目的を達成するため、請求項３の車両駆動用電源装置では、燃料電池と、この燃料電池に並列に接続されたコンデンサとを備える車両駆動用電源装置であって、前記コンデンサの静電容量は、前記燃料電池の定格出力値の増加に伴い、増加する所定の関数に基づいて設定されることを技術的特徴とする。
【００１３】請求項３の発明では、燃料電池に並列に接続されたコンデンサの静電容量は、燃料電池の定格出力値の増加に伴い、増加する所定の関数に基づいて設定されることから、必要以上に大きな静電容量のコンデンサを用いることによる車両全体の重量増加を防止することができる。即ち、コンデンサは、燃料電池に比べてその静電容量の増加に対する重量の増加率が大きいので、過度に静電容量の大きいコンデンサを用いることは、結局、車両全体の重量の増加を招くことになるので、燃料電池の定格出力値の増加に伴い増加する所定の関数に基づいてコンデンサの静電容量を設定することにより、当該コンデンサの過度な容量増加による大型化を抑制することができる。したがって、車両に要求される所定の条件を満たしながら小型軽量化を実現し得る効果がある。
【００１４】また、請求項４の車両駆動用電源装置では、請求項３において、前記所定の関数は、前記コンデンサの静電容量をＣ（Ｆ;ファラド）、前記燃料電池の定格出力値をＰ（kW）、第１定数をＫ１、第２定数をＫ２にしたとき、Ｃ＝Ｋ１×Ｐ＋Ｋ２により表され、第１定数Ｋ１は０．０２０以上０．０２６以下、第２定数Ｋ２は４．０以上２５．０以下に設定されることを技術的特徴とする。
【００１５】請求項４の発明では、燃料電池に並列に接続されたコンデンサの静電容量は、所定の関数、即ち「Ｃ＝Ｋ１×Ｐ＋Ｋ２」（Ｃ；コンデンサの静電容量（Ｆ）、Ｐ；燃料電池の定格出力値（kW）、Ｋ１；第１定数、Ｋ２；第２定数）に基づいて設定されることから、当該コンデンサの静電容量を適切な値に容易に設定することができる。これにより、当該コンデンサの静電容量を必要以上の値に設定することを防ぎ得るので、コンデンサの大容量化による車両全体の重量増加を防止することができる。したがって、車両に要求される所定の条件を満たしながら小型軽量化を容易に実現し得る効果がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の車両駆動用電源装置の実施形態について図を参照し説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る車両駆動用電源装置２０の電気的構成を表す回路図が示されている。図１に示すように、車両駆動用電源装置２０は、主に、燃料電池２１、キャパシタ（コンデンサ）２５、モータ駆動回路２７（電気エネルギの供給先）、システムコントローラ３１等から構成されており、モータ駆動回路２７に対し、それぞれ並列に接続された燃料電池２１およびキャパシタ２５を備える。そのため、車両駆動用電源装置２０のような構成はハイブリッド回路とも称される。なお、図１中に示す破線は、各機能ブロックあるいは機能部品間で授受される情報信号の流れを示している。
【００１７】燃料電池２１は、水素と酸素を反応させることにより電気エネルギを取り出し得るもので、モータで車輪を駆動する電気自動車のエネルギ源のひとつである。このため、燃料電池２１には、水素および酸素（または空気）が供給されており、それらの供給量は、後述する燃料電池／モータコントローラ（以下「ＦＣ／Ｍコントローラ」という）３３により制御され、出力電力の制御が行われている。なお、燃料電池２１は、一般に、水素貯蔵や改質触媒等の方式によって種々のタイプに分類されるが、水素と酸素とを反応させて発電するものであれば、本発明に係る車両駆動用電源装置を適用することができる。
【００１８】燃料電池２１は、その端子間電圧（以下「ＦＣ電圧」という）Ｖfcを電圧センサ２３によって検出されている。即ち、燃料電池２１の出力端子間には、電圧センサ２３が接続されており、この電圧センサ２３により検出されたＦＣ電圧ＶfcはＦＣ／Ｍコントローラ３３に出力されている。これにより、ＦＣ／Ｍコントローラ３３によって燃料電池２１の出力電圧（ＦＣ電圧Ｖfc）を適宜監視することができるので、これに基づいた燃料電池２１の出力制御を可能にしている。
【００１９】また、燃料電池２１の出力端子には、コンタクタCN-a、CN-bが接続されている。即ち、燃料電池２１の正極端子側にはコンタクタCN-aが、また燃料電池２１の負極端子側にはコンタクタCN-bが、それぞれ接続されている。これらのコンタクタCN-a、CN-bは、リレーのような機械的なスイッチ回路を有するもので、例えばイグニッションスイッチ等のシステムコントローラ３１の外部から入力される制御信号によりスイッチ回路を導通／遮断の各状態に制御することができるように構成されている。
【００２０】これにより、コンタクタCN-a、CN-bのいずれか一方がスイッチ回路を遮断する動作をすることにより、燃料電池２１の入出力を遮断することができることに加えて、燃料電池２１の両端子にコンタクタが接続されているので、一方のコンタクタCN-a（またはコンタクタCN-b）が故障しても他方のコンタクタCN-b（またはコンタクタCN-a）によって、燃料電池２１の入出力を遮断することができる。したがって、燃料電池２１に異常が発生した場合や、本車両駆動用電源装置２０を搭載した車両が衝突などによる大きな衝撃を検出した場合に、燃料電池２１を外部回路から電気的に切り離すことができる。
【００２１】キャパシタ２５は、燃料電池２１やモータ駆動回路２７に並列に接続され、燃料電池２１により発生する電力による電気エネルギやモータ駆動回路２７により発生する回生電力による回生エネルギを蓄える、つまり充電することができるものである。キャパシタ２５には、例えば電気二重層コンデンサが用いられ、後述するように、その静電容量は、燃料電池の定格出力値の増加に伴い増加する所定の関数に基づいて設定されている。本実施形態の場合、例えば４〜３０Ｆ（ファラド）の静電容量に設定されている。
【００２２】このキャパシタ２５の出力端子にも、前述したコンタクタCN-a等と同様のコンタクタCN-c、CN-dが接続されている。即ち、キャパシタ２５の正極端子側にはコンタクタCN-cが、またキャパシタ２５の負極端子側にはコンタクタCN-dが、それぞれ接続されている。これらのコンタクタCN-c、CN-dも、イグニッションスイッチ等のシステムコントローラ３１の外部から入力される制御信号によりスイッチ回路を導通／遮断の各状態に制御することができるように構成されている。
【００２３】これにより、コンタクタCN-c、CN-dのいずれか一方がスイッチ回路を遮断する動作をすることにより、キャパシタ２５の入出力を遮断することができることに加えて、キャパシタ２５の両端子にコンタクタが接続されているので、一方のコンタクタCN-c（またはコンタクタCN-d）が故障しても他方のコンタクタCN-d（またはコンタクタCN-c）によって、キャパシタ２５の入出力を遮断することができる。したがって、キャパシタ２５に異常が発生した場合や、本車両駆動用電源装置２０を搭載した車両が衝突などによる大きな衝撃を検出した場合に、キャパシタ２５を外部回路から電気的に切り離すことができる。
【００２４】モータ駆動回路２７は、燃料電池２１やキャパシタ２５に対して並列に接続される負荷の一部を構成するもので、例えば車両用の交流モータＭを駆動するインバータ回路が挙げられる。なお、このような負荷としては、モータ駆動回路２７に駆動される車両用の交流モータＭのほかに、燃料電池２１に水素や酸素（空気）を供給する図示しないポンプやファン等の電動部品も当該負荷に含まれ得る。
【００２５】システムコントローラ３１は、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等から構成される制御装置で、ＦＣ／Ｍコントローラ３３に接続されているとともに、前述したコンタクタCN-a、CN-b、CN-c、CN-dにも接続されている。これにより、ＦＣ／Ｍコントローラ３３による各種制御、処理等の本車両駆動用電源装置２０全体の制御を行うことができるほか、ＦＣ／Ｍコントローラ３３から入力される情報に基づいて、コンタクタCN-a〜CN-dに対する導通／遮断の制御信号を出力することもできる。
【００２６】ＦＣ／Ｍコントローラ３３も、システムコントローラ３１と同様に、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等からなる制御装置で、システムコントローラ３１や、燃料電池２１、電圧センサ２３、モータ駆動回路２７にそれぞれ接続されている。これにより、システムコントローラ３１に対し所定情報の受け渡しや、電圧センサ２３から入力されるＦＣ電圧Ｖfcの情報に基づいた燃料電池２１に供給される水素等の供給量の制御、あるいはモータ駆動回路２７の制御をすることができる。
【００２７】次に、このような車両駆動用電源装置２０を構成するキャパシタ２５の静電容量の設定方法を、図２および図３に基づいて説明する。図２には、特定の車両条件と動作特性目標を与えた場合において、燃料電池２１の定格出力と所定の動作特性目標（例えば0-400m到達時間）の関係を、キャパシタ２５の静電容量ごと（α；４Ｆ、β；８Ｆ、γ；１２Ｆ）に表した特性が示されている。また図３には、所定の動力特性目標を達成可能な最低限の燃料電池の定格出力と、これに対するキャパシタ２５の静電容量との関係をプロットした特性が示されている。
【００２８】図２に示すように、燃料電池２１の出力値が増加するに従い、モータＭへ供給することのできる供給電力も増加するので、燃料電池２１の出力値が或る一定値を超えるまでは0-400m到達時間を短くすることができる。しかし、燃料電池２１の出力値が或る一定値を超えると、燃料電池２１の電力供給能力が向上しても、モータＭの出力限界値以上は車両の動力特性を向上させること、例えば0-400m到達時間を短縮することはできない。燃料電池２１の出力値を増加させることに伴い燃料電池２１自体の重量も増加し、車両システムの全体重量が重くなったからである。
【００２９】一方、キャパシタ２５の静電容量を増加させると、キャパシタ２５により放出可能な電力も増加させることができるので、燃料電池２１にとっては、より小さい発電能力の燃料電池２１で、前述の0-400m到達時間を短縮することができる。しかし、同じ電力量を供給可能な能力に対する重量増加の割合は、燃料電池２１よりもキャパシタ２５の方が大きいので、キャパシタ２５の静電容量を大きく設定するほど、車両システムの全体重量が重くなり、同じモータＭの最大出力で達成できる0-400m到達時間が長くなる。
【００３０】したがって、例えば、動力特性目標値として0-400m到達時間がT_RQ（秒）と設定されたとき、キャパシタ２５の静電容量を８Ｆ（図２中のβ）とすると、燃料電池２１の定格出力をP_FC（kW）に決定することができ、これが燃料電池２１の最適な定格出力値となる。つまり、特定の車両条件に対して動力特性目標を達成できる最小の燃料電池２１の最大出力と、これに対するキャパシタ２５容量とを、図２に示すような特性図から決定することができる。
【００３１】ここで、車両条件および動力特性目標の一例として、大型車両に対する条件（以下「最大要求値」という）と小型車両に対する条件（以下「最小要求値」という）を次の表１および表２に示す。表１は車両条件を、また表２は動力特性目標を示す。なお、表１において、「モータ出力」の項目は、最大要求値のとき１６０kW、最小要求値のとき２０kWがそれぞれ入力された場合の値で、また「車両質量」の項目は燃料電池２１とキャパシタ２５との質量を除いた値である。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】このような最大・最小要求値およびこれらの中間に当たるいくつかの要求値に対して動作特性目標を達成できる最小限の燃料電池２１の定格出力と、これに対するキャパシタの静電容量との関係をプロットすると、例えば図３に示すような特性図を得ることができる。
【００３５】図３中、Ａで示された直線は表２の最大要求値の欄の動力特性目標（0-400m到達時間と0-100km/h 加速時間）を与えた場合に車両重量を変化させたときの、与えられた動力特性目標を満たす燃料電池定格出力とキャパシタ容量の関係を示している。また図３中Ｃで示された直線は表２の最小要求値の欄の動力特性目標を与えた場合に車両重量を変化させたときの、与えられた動力特性目標を満たす燃料電池定格出力とキャパシタ容量の関係を示している。さらにＢで示された直線は直線Ａと直線Ｃで与えた動力特性目標の中間の値の一例をとった場合の燃料電池定格出力とキャパシタ容量の関係を示している。
【００３６】即ち、図３のＡ、Ｂ、Ｃで示された各線はそれぞれ同等の動力特性目標値に対する燃料電池定格出力とキャパシタ容量の関係を示しており、目標とする動力特性が低く（0-400m到達時間もしくは0-100km/h 加速時間が長く）設定されるほど同図中の線（グラフ）が下方へずれることとなる。また、図３の横軸に関し、燃料電池定格出力がおよそ５０kW以下は軽自動車に適する燃料電池定格出力範囲であり、燃料電池定格出力がおよそ５０kWから１３０kWまでの範囲は普通乗用車に適する燃料電池定格出力範囲であり、およそ１３０kW以上は大型車両に適する燃料電池定格出力範囲である。
【００３７】そして、上記表１に示す車両条件および上記表２に示す動力特性目標を与えたときのキャパシタ２５の静電容量は、図３より、ＣＦ２で示された値（即ち４Ｆ（ファラド））以上、ＣＦ１で示された値（即ち３０Ｆ（ファラド））以下の範囲で決定可能であることがわかる。また、キャパシタ２５の静電容量をＣ（Ｆ；ファラド）、燃料電池２１の定格出力をＰ（kW）としたとき、図３の直線Ａから直線Ｃまでの範囲で例えば直線Ｂで例示されるキャパシタ静電容量Ｃと燃料電池関係定格出力Ｐの関係は、第１定数をＫ１、第２定数をＫ２として次式（１）で表現することができる。
【００３８】
Ｃ ＝ Ｋ１×Ｐ＋Ｋ２ ・・・（１）
なお、各定数は、０．０２０≦Ｋ１≦０．０２６、４．０≦Ｋ２≦２５．０である。
【００３９】また、キャパシタ２５は、静電容量に応じて出力可能な電圧が変動する特性を有するため、その使用可能な電圧の範囲（上限；許容耐電圧、下限；使用下限電圧）を電源の供給先、即ち車両を駆動するモータＭやモータ駆動回路２７あるいは車両周辺機器および燃料電池２１の周辺機器の特性に合せることで、より高効率で安定した車両駆動用電源装置２０を構成することができる。
【００４０】ここで「使用下限電圧」とは、キャパシタ２５の出力電圧がその電圧値以上であることを条件として、燃料電池２１とキャパシタ２５とを接続可能にする電圧値のことをいう。なおキャパシタ２５の開放電圧がこの「使用下限電圧」に達していない場合には、「使用下限電圧」以上になるまで、補助電源である鉛バッテリ等によりキャパシタ２５を充電しその後に燃料電池２１との接続を行う。
【００４１】例えば、キャパシタ２５の静電容量は、使用可能な電圧の範囲、(イ) 許容耐電圧は燃料電池２１の開放電圧に対し１．１倍以上３．０倍以下、(ロ) 使用下限電圧は燃料電池２１の開放電圧に対し０．３倍以上１．０倍以下に設定する。なおこの条件(イ) 、(ロ) は、双方あるいはいずれか一方を採用しても良い。
【００４２】即ち、キャパシタ２５が条件(イ) 「キャパシタ２５の許容耐電圧は燃料電池２１の開放電圧に対し１．１倍以上３．０倍以下」に設定されるときには、キャパシタ２５から出力される電圧が燃料電池２１の開放電圧に対し１．１倍以上３．０倍以下の範囲内に抑制される。またキャパシタ２５が条件(ロ) 「キャパシタ２５の使用下限電圧は、燃料電池２１の開放電圧に対し０．３倍以上１．０倍以下」に設定されるときには、キャパシタ２５から出力される電圧が燃料電池２１の開放電圧に対し０．３倍以上１．０倍以下の範囲内に抑制される。これにより、キャパシタ２５の使用可能な電圧範囲を必要以上に広く設定することにより生じ得る、次の(1) 、(2) に示す各問題を解決することができる。
【００４３】(1) キャパシタ２５の使用可能な電圧、つまりキャパシタ２５の許容耐電圧を必要以上に高く設定すると、モータ駆動回路２７を構成する電子部品の耐電圧の上昇を招くため、モータ駆動回路２７の重量および体積が増大し、かつコスト高に繋がる。
(2) 一方、キャパシタ２５の使用下限電圧を必要以上に低く設定すると、モータ駆動回路２７を構成する電子部品の耐電流の上昇を招くため、これによってもモータ駆動回路２７の重量および体積が増大しコスト高に繋がるばかりか、電流損失の増大による電力効率の低下をも招く。
【００４４】なお、発電自体は、燃料電池２１で行なうため、その出力電圧特性により使用頻度の高い領域を設定することで、より高効率な車両駆動用電源装置２０を構成することができる。したがって、キャパシタ２５の使用電圧は、燃料電池２１の出力電圧に基づいて設定を行なうことがより好ましい。
【００４５】以上説明したように、本実施形態に係る車両駆動用電源装置２０によると、燃料電池２１に並列に接続されたキャパシタ２５の静電容量は、４Ｆ（ファラド）以上３０Ｆ（ファラド）以下である。即ち、キャパシタ２５は、燃料電池２１に比べてその静電容量の増加に対する重量の増加率が大きいので、過度に静電容量の大きいキャパシタ２５を用いることは、結局、車両全体の重量の増加を招くことになるので、４Ｆ以上３０Ｆ以下の範囲にキャパシタ２５の静電容量を設定することによって、キャパシタ２５の過度な容量増加による大型化を抑制することができる。したがって、車両に要求される所定の条件を満たしながら小型軽量化を実現し得る効果がある。
【００４６】また、車両駆動用電源装置２０によると、燃料電池２１に並列に接続されたキャパシタ２５は、上記の条件(イ) および／または条件(ロ) に基づいて設定されている。即ち、キャパシタ２５は条件(イ) および条件(ロ) に基づいて設定され、または、キャパシタ２５は条件(イ) もしくは条件(ロ) に基づいて設定される。これにより、キャパシタ２５が条件(イ) に設定されるときには、キャパシタ２５から出力される電圧が燃料電池２１の開放電圧に対し１．１倍以上３．０倍以下の範囲内に抑制される。またキャパシタ２５が条件(ロ) に設定されるときには、キャパシタ２５から出力される電圧が燃料電池２１の開放電圧に対し０．３倍以上１．０倍以下の範囲内に抑制される。したがって、静電容量に応じて出力可能な電圧が変動するというキャパシタ２５の特性を利用して電気エネルギを供給することができるので、車両に要求される所定の条件を満たしながら小型軽量化を実現し得る効果がある。
【００４７】さらに、車両駆動用電源装置２０によると、燃料電池２１に並列に接続されたキャパシタ２５の静電容量は、燃料電池２１の定格出力値の増加に伴い、増加する所定の関数に基づいて設定されることから、必要以上に大きな静電容量のキャパシタ２５を用いることによる車両全体の重量増加を防止することができる。即ち、キャパシタ２５は、燃料電池２１に比べてその静電容量の増加に対する重量の増加率が大きいので、過度に静電容量の大きいキャパシタ２５を用いることは、結局、車両全体の重量の増加を招くことになるので、燃料電池２１の定格出力値の増加に伴い増加する所定の関数に基づいてキャパシタ２５の静電容量を設定することにより、当該キャパシタ２５の過度な容量増加による大型化を抑制することができる。したがって、車両に要求される所定の条件を満たしながら小型軽量化を実現し得る効果がある。
【００４８】また当該所定の関数が「Ｃ＝Ｋ１×Ｐ＋Ｋ２」（Ｃ；キャパシタ２５の静電容量（Ｆ）、Ｐ；燃料電池２１の定格出力値（kW）、Ｋ１；第１定数、Ｋ２；第２定数）であれば、これに基づいてキャパシタ２５の静電容量を適切な値に容易に設定することができる。これにより、キャパシタ２５は燃料電池２１に比べて、その電気容量の増加に対する重量の増加率が大きいので過度に大きいキャパシタ２５を用いることは結局、車両全体の重量の増加を招くが、車両条件と動力特性目標を満足する中で可能な限り小さな定格出力をもつ燃料電池２１と、この燃料電池２１の出力を補うキャパシタ２５の容量を容易に設定することができる。つまり、特に設定したモータＭの出力で達成すべき動力特性目標を満足できるように車両全体の重量を考慮して可能な限り小さな定格出力をもつ燃料電池２１と、この燃料電池２１出力を補うキャパシタ２５の容量を「Ｃ＝Ｋ１×Ｐ＋Ｋ２」により容易に設定することができる。したがって、キャパシタ２５の静電容量を必要以上の値に設定することを防ぎ得るので、キャパシタ２５の大容量化による車両全体の重量増加を防止し、車両に要求される所定の条件を満たしながら小型軽量化を容易に実現し得る効果がある。
【出願人】 【識別番号】５９１２６１５０９
【氏名又は名称】株式会社エクォス・リサーチ
【住所又は居所】東京都千代田区外神田２丁目１９番１２号
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町１番地
【出願日】 平成１３年１２月２５日（２００１．１２．２５）
【代理人】 【識別番号】１０００９５７９５
【弁理士】
【氏名又は名称】田下 明人 （外１名）
【公開番号】 特開２００３−１９９２１３（Ｐ２００３−１９９２１３Ａ）
【公開日】 平成１５年７月１１日（２００３．７．１１）
【出願番号】 特願２００１−３９２０８０（Ｐ２００１−３９２０８０）