JP2009158204A - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】システムに搭載されたコンバータの電圧制御性を向上させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】コントローラは、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが現時点において設定されている駆動相数の応答性能低下領域に入っているか否かを判定する（ステップＳ３０２）。コントローラは、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが応答性能低下領域に入っていると判断すると、この応答性能低下領域での駆動を回避する相数を決定し（ステップＳ３０３）、決定した相数への切り換え指令（相切り換え指令）をＤＣ／ＤＣコンバータに出力する（ステップＳ３０４）。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池スタックの出力電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを用いて燃料電池の出力電圧を制御する燃料電池システム及び当該システムを備えた移動体に関する。

燃料電池スタックは、燃料ガス及び酸化ガスを膜−電極接合体に供給することにより電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するためのエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電源としての用途が期待されている。

このような燃料電池スタックが搭載された燃料電池システムについて、例えば下記特許文献１には、ＤＣ／ＤＣコンバータを利用して燃料電池の出力を全体出力の６５〜８０％となる範囲に設定することで、システムの運転効率を高める方法が提案されている。

特開２００２−１１８９７９号公報

しかし、燃料電池スタックの出力電圧を、スイッチング素子によるスイッチング動作によって昇降圧制御するＤＣ／ＤＣコンバータには、通過パワーの値によってデットタイム補正値が大きく変動する動作範囲が存在する。デッドタイム補正値が大きく変動する動作範囲（以下、便宜上、応答性能低下領域）では、ＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能が低下することが知られている。このような応答性能低下領域でＤＣ／ＤＣコンバータを駆動した場合には、コンバータの出力電圧の制御性（以下、コンバータの電圧制御性）が悪いためにシステム全体のエネルギー効率が悪化してしまう等の問題が生じていた。

本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、システムに搭載されたコンバータの電圧制御性を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の出力電圧を昇降圧するための多相のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動相数を設定する設定手段と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーを算出する算出手段と、算出された通過パワーが応答性能低下領域にある場合には、現時点において設定されている駆動相数を、応答性能低下領域から外れる駆動相数へ切り換える相数制御手段と、切り換えた相数にて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する駆動制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、算出されたＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが、当該時点において設定されている駆動相数の応答性能低下領域にある場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動相数を、応答性能低下領域から外れる駆動相数へと切り換えを行う。これにより、応答性能低下領域を回避した領域でのＤＣ／ＤＣコンバータの駆動が可能となり、従来に比してＤＣ／ＤＣコンバータの電圧制御性を向上させることが可能となる。

また、本発明に係る別の燃料電池システムは、燃料電池の出力電圧を昇降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーを算出する算出手段と、算出された通過パワーが応答性能低下領域にある場合には、前記応答性能低下領域から外れるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーをシフトするパワー制御手段と、シフト後の通過パワーが得られるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する駆動制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、算出されたＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが、応答性能低下領域にある場合には、応答性能低下領域から外れるようにＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーをシフトする。これにより、応答性能低下領域を回避した領域でのＤＣ／ＤＣコンバータの駆動が可能となり、上記と同様、従来に比してＤＣ／ＤＣコンバータの電圧制御性を向上させることが可能となる。

さらに、本発明に係る別の燃料電池システムは、燃料電池の出力電圧を昇降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーを算出する算出手段と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を制御する制御信号のキャリア周波数を設定する設定手段と、算出された通過パワーが応答性能低下領域にある場合には、現時点において設定されているキャリア周波数を、応答性能低下領域から外れるキャリア周波数に変更する周波数制御手段と、変更したキャリア周波数にて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する駆動制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、算出されたＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが、応答性能低下領域にある場合には、現時点において設定されているＤＣ／ＤＣコンバータのキャリア周波数を、応答性能低下領域から外れるキャリア周波数に変更する。これにより、応答性能低下領域を回避した領域でのＤＣ／ＤＣコンバータの駆動が可能となり、上記と同様、従来に比してＤＣ／ＤＣコンバータの電圧制御性を向上させることが可能となる。

さらにまた、本発明に係る別の燃料電池システムは、燃料電池の出力電圧を昇降圧するための多相のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記燃料電池の要求電圧を検知する検知手段と、前記要求電圧に基づき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動相数、通過パワー、キャリア周波数の少なくとも１つ以上のパラメータを制御するパラメータ制御手段と、制御されたパラメータに従って前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する駆動制御手段とを具備することを特徴とする。

ここで、上記構成にあっては、前記要求電圧が設定閾値を上回るか否かを判断する判断手段をさらに備え、前記パラメータ制御手段は、前記要求電圧が前記設定閾値を上回った場合に、前記要求電圧に基づき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動相数、通過パワー、キャリア周波数の少なくとも１つ以上のパラメータを制御する態様が好ましい。

また、本発明に係る移動体は、燃料電池と燃料電池の出力電圧を昇降圧するための多相のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた燃料電池システムを動力源とする移動体であって、当該移動体のアクセル開度を検知するセンサと、前記検知されるアクセル開度に基づき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動相数、通過パワー、キャリア周波数の少なくとも１つ以上のパラメータを制御するパラメータ制御手段と、制御されたパラメータに従って前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する駆動制御手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、システムに搭載されたコンバータの電圧制御性を向上させることが可能となる。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０の主要構成を示している。燃料電池システム１０は、燃料電池車両の電力供給系統に搭載される車載電源システムである。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、ＦＣ補機２１、セル電圧検出器２２、トラクションインバータ３０、トラクションモータ４０、二次電池５０、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０、車両補機７０、コントローラ８０、及びセンサ類９０を備えている。

燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質を挟んで一対の電極（アノード極、カソード極）を配置してなる複数のセルを直列に接続してなるスタック構造を有する発電装置である。触媒反応によりアノード極で発生した水素イオンは、固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極において酸化ガスと電気化学反応を起こして発電する。

ＦＣ補機２１は、燃料電池スタック２０のアノード極に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統（水素貯蔵タンク、水素遮断弁、水素供給圧調整レギュレータなど）と、燃料電池２０スタックのカソード極に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統（エアコンプレッサなど）と、その他の補機類（燃料ガス及び酸化ガスを加湿するための加湿モジュール、燃料電池冷却装置など）を備える。

燃料電池スタック２０は、ＦＣ補機２１から燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けることにより、電気化学反応を利用して電気エネルギーを出力する。

トラクションモータ４０は、走行推進力を得るための電動モータであり、例えば、三相同期モータから構成されている。

トラクションインバータ３０は、例えば、６個のパワートランジスタにより構成される３相ブリッジ回路を備えており、燃料電池スタック２０又は二次電池５０から供給される直流電力をパワートランジスタのスイッチング動作によって交流電力（三相交流）に変換し、トラクションモータ４０に供給する。コントローラ８０は、トラクションインバータ３０の電力変換動作を制御する機能を有しており、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ３０に出力し、トラクションモータ４０の出力トルク及び回転数を制御する。

二次電池５０は、電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。二次電池５０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等が好適である。

尚、二次電池５０に替えて、キャパシタ（電気二重層コンデンサ、電解コンデンサなど）の蓄電装置をＤＣ／ＤＣコンバータ６０の１次側に接続してもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池スタック２０又は二次電池５０の出力電圧を昇圧降圧制御するための電圧変換手段である。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、入力電圧（直流電圧）を交流電圧に変換するインバータ類似の回路と、その交流を整流して出力電圧（直流電圧）に変換する回路とが組み合わされた多相コンバータの回路構成を有している。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、１２個のＩＧＢＴ素子Ｔｒ１〜Ｔｒ１２と、１２個のダイオード素子Ｄ１〜Ｄ１２と、３個のリアクトルＬ１〜Ｌ３と、２個の平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２とから成る三相フルブリッジコンバータの回路構成を有している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが低いときには、三相運転よりも単相運転の方がスイッチング損失は少ないので、単相運転が実施される。単相運転のときには、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１，Ｔｒ１０のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ４，Ｔｒ７のペアが動作する。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが高いときには、単相運転よりも三相運転の方がスイッチング損失は少ないので、三相運転が実施される。三相運転のときには、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１，Ｔｒ１０のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ４，Ｔｒ７のペアと、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ２，Ｔｒ１１のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ５，Ｔｒ８のペアと、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ３，Ｔｒ１２のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ６，Ｔｒ９のペアとがそれぞれ１２０度の位相差で動作する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の一次側には、二次電池５０が接続される一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の二次側には、燃料電池スタック２０、トラクションインバータ３０、及び車両補機７０がそれぞれ並列に接続される。

例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、二次電池５０の出力電圧を昇降圧することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池車両がトラクションモータ４０により力行走行するときには、二次電池５０の出力電圧を昇圧してトラクションインバータ３０に直流電力を供給する一方、燃料電池車両がトラクションモータ４０により回生制動するときには、回生した直流電圧を降圧して二次電池５０を充電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池スタック２０の余剰発電力を蓄電するために、燃料電池スタック２０の出力電圧を降圧して二次電池５０を充電する機能も有する。

車両補機７０は、例えば、酸化ガスを加圧するためのコンプレッサモータ、加湿モジュールに純水を供給するためのポンプ駆動モータ、燃料電池スタック２０を冷却するための冷却水ポンプ駆動モータ、ラジエータファンモータなどの各種補機類である。

コントローラ８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ）、入出力インタフェース等を備える制御手段である。コントローラ８０は、センサ類９０から出力される各種信号等を基に、燃料電池車両を制御する。センサ類９０として、例えば、イグニッションスイッチ９１、車速センサ９２、アクセルセンサ９３などがある。

例えば、コントローラ８０は、イグニッションスイッチ９１から出力される起動信号を受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサ９３から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ９２から出力される車速信号などを基にシステム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、例えば、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ（算出手段）８０は、燃料電池スタック２０と二次電池５０の出力電力の配分（すなわち電力分配）を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するようにＦＣ補機２１を制御して、燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ８０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ３０に出力し、トラクションモータ４０の出力トルク、及び回転数を制御する。

図２は、各駆動相数におけるＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーとデッドタイム補正値との関係を示すグラフである。点線は三相運転（三相駆動）のときのグラフを示し、実線は単相運転（単相駆動）のときのグラフを示す。三相駆動では、−５ｋＷ付近（例えば−５ｋＷ±α１ｋＷ）の動作範囲と、５ｋＷ付近（例えば５ｋＷ±α１ｋＷ）の動作範囲とにおいて、デッドタイム補正値が大きく変動するので、これら二つの動作範囲はそれぞれ応答性能低下領域である。一方、単相駆動では、−２．５ｋＷ付近（例えば−２．５ｋＷ±α２（＜α１）ｋＷ）の動作範囲と、２．５ｋＷ付近（例えば２．５ｋＷ±α２ｋＷ）の動作範囲とにおいて、デッドタイム補正値が大きく変動するので、これら二つの動作範囲はそれぞれ応答性能低下領域である。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動相数に応じて応答性能低下領域が異なるため、同じ通過パワーでも、駆動相数を切り換えることで応答性能低下領域を回避した領域での駆動制御（以下、性能低下領域回避制御）が可能となる。

尚、デッドタイムとは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０内の上アーム側のＩＧＢＴ素子と下アーム側のＩＧＢＴ素子との間（例えば、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１とＩＧＢＴ素子Ｔｒ７との間）に短絡電流が流れないように設定された短絡防止期間である。

次に、図３を参照しながらコントローラ８０によって所定のタイミング（例えば運転開始時や停止時、あるいは運転中に一定の時間間隔で）実行されるＤＣ／ＤＣコンバータ６０の性能低下領域回避制御について詳細を説明する。なお、以下の説明では、初期設定としてＤＣ／ＤＣコンバータ６０が三相駆動に設定されている場合を想定する。

図３は、第１実施形態に係る性能低下領域回避制御処理を示すフローチャートである。
コントローラ８０は、各種センサから出力される信号（アクセル開度信号など）に基づき、システム全体の要求電力を求め、燃料電池スタック２０と二次電池５０の電力分配を決定する（ステップＳ３０１）。

コントローラ（算出手段）８０は、電力分配に応じて求めたＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが現時点において設定されている駆動相数（ここでは三相）の応答性能低下領域に入っているか否かを判定する（ステップＳ３０２）。

コントローラ８０は、ＤＣ／Ｄコンバータ６０の通過パワーが応答性能低下領域に入っていないと判断した場合には（ステップＳ３０２；ＮＯ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は適切な駆動が行われている（すなわち、電圧制御性は悪化していない）ことを示しているので、本処理ルーチンを抜けて終了する。

一方、コントローラ（相数制御手段）８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが応答性能低下領域に入っていると判断すると（ステップＳ３０２；ＹＥＳ）、この応答性能低下領域での駆動を回避する相数（別言すれば、切り換え後の駆動相数）を決定する（ステップＳ３０３）。そして、コントローラ（設定手段、駆動制御手段）８０は、決定した相数への切り換え指令（相切り換え指令）をＤＣ／ＤＣコンバータ６０に出力（設定）し（ステップＳ３０４）、切り換えた相数にてＤＣ／ＤＣコンバータ６０を駆動した後、処理を終了する。

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが当該時点において設定されている駆動相数の応答性能低下領域にある場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動相数の切り換えを行う。これにより、応答性能低下領域を回避した領域でのＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動が可能となり、従来に比してＤＣ／ＤＣコンバータ６０の電圧制御性を向上させることが可能となる。

ここで、上記例ではＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動相数の切り換えとして三相と単相の切り換えを例示したが、三相、二相、単相の各相間で切り換えても良い。また、切り換え相数については、搭載されるＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動相数Ｎ（Ｎ≧２）に応じて適宜設定可能である。また、ステップ３０２において、いずれの駆動相数においても応答性能低下領域を回避できないと判断した場合には、コントローラ８０は、切り換え可能な駆動相数の中で最もエネルギー効率の良い駆動相数（例えば三相）を選択するようにしても良い。このように、エネルギー効率を考慮してＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動相数を決定するという技術思想は、応答性能低下領域を回避できないと判断した場合だけでなく応答性能低下領域に入っていないと判断した場合にも同様に適用可能である。

Ｂ．第２実施形態
図４は、ある駆動相数でのＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーとデッドタイム補正値との関係を示すグラフである。上述した第１実施形態では駆動相数を変えることで応答性能低下領域を回避した領域でのＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動を可能としたが、第２実施形態では通過パワーを変えることで応答性能低下領域を回避した領域でのＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動を可能とする。

図４に示すように、三相駆動では、負側の応答性能不良領域と、正側の応答性能不良領域とが存在する。ここで、電力分配に応じて求めたＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが、例えば正側の応答性能不良領域に入ってしまう場合には（図４に示す通過パワーａ参照）、システム出力に影響を与えないように二次電池５０によるアシスト量が増加する方向（正方向）にＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーをシフトすることで応答性能低下不良領域を回避する（図４に示す通過パワーａ→通過パワーａ’参照）。

逆に、電力分配に応じて求めたＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが、例えば負側の応答性能不良領域に入ってしまう場合には（図４に示す通過パワーｂ参照）、システム出力に影響を与えないように燃料電池スタック２０の発電量が増加する方向（負方向）にＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーをシフトすることで応答性能不良領域を回避する（図４に示す通過パワーｂ→通過パワーｂ’参照）。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーを正側にシフトすることで生じる余剰電力は、二次電池５０に蓄電したり、車両補機７０で消費したり、或いは熱エネルギーに変換して大気に放出すれば良い。また、ＤＣ／Ｃコンバータ６０の通過パワーを負側にシフトする場合には、不足電力を二次電池５０から補充すれば良い。このように、通過パワーを変えることで応答性能低下領域を回避しても良い。

次に、図５を参照しながらコントローラ８０によって所定のタイミング（例えば運転開始時や停止時、あるいは運転中に一定の時間間隔で）実行されるＤＣ／ＤＣコンバータ６０の性能低下領域回避制御について詳細を説明する。

図５は、第２実施形態に係る性能低下領域回避制御処理を示すフローチャートである。
コントローラ８０は、各種センサから出力される信号（アクセル開度信号など）に基づき、システム全体の要求電力を求め、燃料電池スタック２０と二次電池５０の電力分配を決定する（ステップＳ４０１）。

コントローラ（算出手段）８０は、電力分配に応じて求めたＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが、正側、負側のいずれかの応答性能低下領域に入っているか否かを判定する（ステップＳ４０２）。

コントローラ８０は、ＤＣ／Ｄコンバータ６０の通過パワーが応答性能低下領域に入っていないと判断した場合には（ステップＳ４０２；ＮＯ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は適切な駆動が行われている（すなわち、電圧制御性は悪化していない）ことを示しているので、本処理ルーチンを抜けて終了する。

一方、コントローラ（パワー制御手段）８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが応答性能低下領域に入っていると判断すると（ステップＳ４０２；ＹＥＳ）、システム出力に大きな影響を与えない範囲でＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーをシフトさせるべく、シフト後の通過パワーを決定する(ステップＳ４０３）。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが正側の応答性能低下領域に入っている場合には、システム出力に影響を与えないように二次電池５０によるアシスト量が増加する方向（正方向）にＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーをシフトすることで応答性能低下不良領域を回避する（図４に示す通過パワーａ→通過パワーａ’参照）。

逆に、電力分配に応じて求めたＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが、例えば負側の応答性能不良領域に入っている場合には、システム出力に影響を与えないように燃料電池スタック２０の発電量が増加する方向（負方向）にＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーをシフトすることで応答性能不良領域を回避する（図４に示す通過パワーｂ→通過パワーｂ’参照）。そして、コントローラ８０（駆動制御手段）は、決定したシフト後の通過パワーが得られるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０へパワーシフト指令を出力し（ステップＳ４０４）、シフト後の通過パワーが得られるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動を制御した後、処理を終了する。

以上説明したように、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーをシフトすることで応答性能低下領域を回避した領域でのＤＣ／ＤＣコンバータの駆動を可能としても良い。

Ｃ．第３実施形態
図６は、ある駆動相数でのＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーとデッドタイム補正値との関係を示すグラフであり、実線はキャリア周波数Ｆｎの制御信号でＤＣ／ＤＣコンバータ６０をスイッチング制御した場合のグラフ、点線はキャリア周波数Ｆｍ（＜Ｆｎ）の制御信号でＤＣ／ＤＣコンバータ６０をスイッチング制御した場合のグラフを示す。ここで、上述した第２実施形態では通過パワーを変えることで応答性能低下領域を回避した領域でのＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動を可能としたが、第３実施形態ではキャリア周波数を変更することで応答性能低下領域を回避した領域でのＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動を可能とする。

図６に示すように、デッドタイム補正値が大きく変動する応答性能低下領域は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０のキャリア周波数によって変化する。これは、下記式に示すように、キャリア周波数Ｆを変更することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０のリアクトルに流れる電流の変化量ΔＩが変化し、デッドタイム補正値も変わるためである。
ΔＩ＝Ｖ＊ΔＴ／Ｌ
ΔＴ＝１／Ｆ
Ｖは電圧、Ｌはインダクタンス、Ｉは電流、Ｆはキャリア周波数を示す。

図７はＤＣ／ＤＣコンバータ６０内のＩＧＢＴ素子Ｔｒ１〜Ｔｒ１２をスイッチング制御するための制御信号と、リアクトルＬ１〜Ｌ３を流れるリップル電流との関係を示す。説明の便宜上、単相運転の場合を例に説明すると、時間Ｔｎは、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１，Ｔｒ１０がオンする時間を示し、時間Ｔｐは、ＴＧＢＴ素子Ｔｒ４，Ｔｒ７がオンする時間を示す。キャリア周期は、Ｔｎ＋Ｔｐに等しい。リップル電流の極大値をＩｎ，極小値をＩｐとすると、リップル電流幅はＩｎ−Ｉｐに等しい。ＺＰは、リップル電流がゼロクロスするポイント（以下、ゼロクロスポイントと称する。）を示す。

ゼロクロスポイントＺＰが存在すると、リップル電流の向き（符号）が頻繁に反転するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の電圧制御性能が著しく低下する。そのため、ゼロクロスポイントＺＰは、デッドタイム補正値が大きく変動する領域、即ち、応答性能低下領域として現れる。一方、極大値Ｉｎが負の値である場合や、又は極小値Ｉｐが正の値である場合には、ゼロクロスポイントＺＰは存在しないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の電圧制御性能は良好である。更に、ゼロクロスポイントＺＰがリップル電流幅の中央にある場合には、ゼロクロスポイントＺＰに対してリップル電流の符号は対称的に反転するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の電圧制御性能は良好である。

図７に示すように、キャリア周波数を高くすると、時間Ｔｎ，Ｔｐは短くなるので、リップル電流幅は短くなることが理解できる。これとは反対に、キャリア周波数を低くすると、時間Ｔｎ，Ｔｐは長くなるので、リップル電流幅は長くなる。リップル電流幅を変化させると、リップル電流がゼロクロスするポイントも変化するので、キャリア周波数を変更することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点を応答性能低下領域から外すことができる。

次に、図８を参照しながらコントローラ８０によって所定のタイミング（例えば運転開始時や停止時、あるいは運転中に一定の時間間隔で）実行されるＤＣ／ＤＣコンバータ６０の性能低下領域回避制御について詳細を説明する。

図８は、第３実施形態に係る性能低下領域回避制御処理を示すフローチャートである。
コントローラ８０は、各種センサから出力される信号（アクセル開度信号など）に基づき、システム全体の要求電力を求め、燃料電池スタック２０と二次電池５０の電力分配を決定する（ステップＳ５０１）。

コントローラ（算出手段）８０は、電力分配に応じて求めたＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが、応答性能低下領域に入っているか否かを判定する（ステップＳ５０２）。

コントローラ８０は、ＤＣ／Ｄコンバータ６０の通過パワーが応答性能低下領域に入っていないと判断した場合には（ステップＳ５０２；ＮＯ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は適切な駆動が行われている（すなわち、電圧制御性は悪化していない）ことを示しているので、本処理ルーチンを抜けて終了する。

一方、コントローラ(周波数制御手段）８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが応答性能低下領域に入っていると判断すると（ステップＳ５０２；ＹＥＳ）、応答性能低下領域から回避するべく、変更後のキャリア周波数を決定する(ステップＳ５０３）。そして、コントローラ（駆動性ｙ後手段）８０は、キャリア周波数の変更指令（例えば、キャリア周波数Ｆｍ→Ｆｎ）をＤＣ／ＤＣコンバータ６０に出力し（ステップＳ５０４）、変更後のキャリア周波数にてＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動を制御した後、処理を終了する。

以上説明したように、キャリア周波数を変更することで応答性能低下領域を回避した領域でのＤＣ／ＤＣコンバータの駆動を可能としても良い。

Ｄ．応用例
以上説明した各実施形態の構成を適宜組合せ、燃料電池スタック２０の出力変動などに応じてＤＣ／ＤＣコンバータ６０の各種パラメータ（駆動相数、通過パワー、キャリア周波数）を最適な状態に制御することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の電圧制御性の向上を図るようにしても良い。
以下、図９を参照しながらコントローラ８０によって所定のタイミング（例えば運転開始時や停止時、あるいは運転中に一定の時間間隔で）実行されるＤＣ／ＤＣコンバータ６０の制御について詳細を説明する。

図９は、応用例に係るＤＣ／ＤＣコンバータ６０の制御処理を示すフローチャートである。
コントローラ８０は、アクセルセンサ（センサ）９３によって逐次検知されるアクセル開度信号などに基づき、アクセル開度変化率を求める（ステップＳ７０１）。そして、コントローラ（検知手段、判断手段）８０は、ステップＳ７０２に進み、求めたアクセル開度変化率と、予め設定された急変判定閾値（設定閾値）とを比較し、求めたアクセル開度変化率が急速判定閾値を上回ったか否か（すなわち、燃料電池スタック２０の要求電圧が急変したか否か）を判定する（ステップＳ７０２）。ここで、急変判定閾値は、予め実験などによって求められ、燃料電池スタック２０の要求電圧が急変した場合のアクセル開度変化率をあらわす。

コントローラ８０は、燃料電池スタック２０の要求電圧が急変していないと判断した場合には（ステップＳ７０２；ＮＯ）、本処理ルーチンを抜けて終了する。一方、コントローラ（パラメータ制御手段）８０は、燃料電池スタック２０の要求電圧が急変したと判断した場合には（ステップＳ７０２；ＹＥＳ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の電圧制御性を向上すべく、駆動相数、通過パワー、キャリア周波数の各パラメータを最適な状態に制御する（ステップＳ７０３）。一例を挙げて説明すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動相数については、電流リップルが最小となるように切り換えを行い、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０のキャリア周波数については、デューティー更新周期に最も近い制御可能な周波数に切り換えを行う。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーについては、決定した駆動相数（例えば、三相）とキャリア周波数（例えば、キャリア周波数Ｆｍ）から、応答性能低下領域を回避するようにシフトを行うことで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動を制御した後、処理を終了する。

以上説明したように、上記実施例によれば、アクセル開度の大きな変化（急速発進時や急加速時など）によって燃料電池スタック２０の要求電圧が急変するような場合であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の各種パラメータが最適な状態に切り換えられることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の電圧制御性を向上することが可能となる。

なお、燃料電池スタック２０の要求電圧が急変した場合のＤＣ／ＤＣコンバータ６０の制御について、３つのパラメータ（駆動相数、通過パワー、キャリア周波数）を全て切り換え対象としても良いが、いずれか１つのパラメータ（例えば、駆動相数）または２つのパラメータ（例えば、駆動相数とキャリア周波数）を切り換え対象としても良い。また、燃料電池スタック２０の要求電圧が急変したか否かの判断は、車速センサ９２によって検知される車速信号やＦＣ補機からの要求電力信号など、種々の信号に基づいて判断すれば良い。

第１実施形態に係る燃料電池システムの主要構成図である。 同実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーとデッドタイム補正値との関係を示すグラフである。 同実施形態に係る性能低下領域回避制御処理を示すフローチャートである。 第２実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーとデッドタイム補正値との関係を示すグラフである。 同実施形態に係る性能低下領域回避制御処理を示すフローチャートである。 第３実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーとデッドタイム補正値との関係を示すグラフである。 同実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御信号とリップル電流の関係を示す図である。 同実施形態に係る性能低下領域回避制御処理を示すフローチャートである。 応用例に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池スタック ２１…ＦＣ補機 ２２…セル電圧検出器 ３０…トラクションインバータ ４０…トラクションモータ ５０…二次電池 ６０…ＤＣ／ＤＣコンバータ ７０…車両補機 ８０…コントローラ。

Claims (6)

1. 燃料電池の出力電圧を昇降圧するための多相のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動相数を設定する設定手段と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーを算出する算出手段と、
   算出された通過パワーが応答性能低下領域にある場合には、現時点において設定されている駆動相数を、応答性能低下領域から外れる駆動相数へ切り換える相数制御手段と、
   切り換えた相数にて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する駆動制御手段と
   を具備する燃料電池システム。
2. 燃料電池の出力電圧を昇降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーを算出する算出手段と、
   算出された通過パワーが応答性能低下領域にある場合には、前記応答性能低下領域から外れるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーをシフトするパワー制御手段と、
   シフト後の通過パワーが得られるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する駆動制御手段と
   を具備する燃料電池システム。
3. 燃料電池の出力電圧を昇降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーを算出する算出手段と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を制御する制御信号のキャリア周波数を設定する設定手段と、
   算出された通過パワーが応答性能低下領域にある場合には、現時点において設定されているキャリア周波数を、応答性能低下領域から外れるキャリア周波数に変更する周波数制御手段と、
   変更したキャリア周波数にて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する駆動制御手段と
   を具備する燃料電池システム。
4. 燃料電池の出力電圧を昇降圧するための多相のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記燃料電池の要求電圧を検知する検知手段と、
   前記要求電圧に基づき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動相数、通過パワー、キャリア周波数の少なくとも１つ以上のパラメータを制御するパラメータ制御手段と、
   制御されたパラメータに従って前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する駆動制御手段と
   を具備する燃料電池システム。
5. 前記要求電圧が設定閾値を上回るか否かを判断する判断手段をさらに備え、
   前記パラメータ制御手段は、前記要求電圧が前記設定閾値を上回った場合に、前記要求電圧に基づき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動相数、通過パワー、キャリア周波数の少なくとも１つ以上のパラメータを制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池と燃料電池の出力電圧を昇降圧するための多相のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた燃料電池システムを動力源とする移動体であって、
   当該移動体のアクセル開度を検知するセンサと、
   前記検知されるアクセル開度に基づき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動相数、通過パワー、キャリア周波数の少なくとも１つ以上のパラメータを制御するパラメータ制御手段と、
   制御されたパラメータに従って前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する駆動制御手段と
   を具備する移動体。

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