JP2010288365A - コンバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ソフトスイッチングコンバータにおける補助回路の故障を早急に判定することが可能なコンバータ制御装置を提供する。
【解決手段】コントローラ１６０は、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングＴｓ２でＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流値を検出する。該コンバータ１５０の入力電流値は、燃料電池１１０の出力電流Ｉｆｃｍｅｓであり、電流センサＩ０によって検出される。コントローラ１６０は、検出した入力電流値が、正常電流範囲Ｉｎｒ、ショート故障電流範囲Ｉｓｒ、オープン故障電流範囲Ｉｏｒのいずれの範囲に属するかを判断し、判断結果に基づき故障判定を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の出力電圧を制御するコンバータ制御装置に関する。

自動車等に搭載される燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電能力を超える急な負荷の変化等に対応するため、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システムが種々提案されている。

ハイブリッド型の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電圧やバッテリの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで制御している。このような制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータとしては、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等のスイッチング素子をＰＷＭ動作させて電圧の変換を行う形式のものが広く利用されている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電子機器の省電力化、小型化及び高性能化に伴い、一層の低損失、高効率及び低ノイズ化が望まれており、特に、ＰＷＭ動作に伴うスイッチング損失やスイッチングサージの低減が望まれている。

このようなスイッチング損失、スイッチングサージを低減させる技術のひとつにソフトスイッチング技術がある。ここで、ソフトスイッチングは、ＺＶＳ(Zero Voltage Switching)又はＺＣＳ(Zero Current Switching)を実現するためのスイッチング方式であり、パワー半導体デバイスのスイッチング損失やそれに与えるストレスが低い。これに対してパワー半導体デバイスの持つスイッチング機能により電圧・電流を直接ターンオン・オフするスイッチング方式はハードスイッチングと称されている。以下の記述においてはＺＶＳ／ＺＣＳの双方もしくはその一方が実現されている方式をソフトスイッチング、それ以外をハードスイッチングという。

ソフトスイッチングは、例えばインダクタ、スイッチング素子、ダイオードを備えた一般的な昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータにスイッチング損失を低減するための補助回路を付加したもの（いわゆるソフトスイッチングコンバータ）によって実現される（例えば特許文献１参照）。

このようなソフトスイッチングコンバータをはじめとする種々のＤＣ／ＤＣコンバータにおいては、スイッチング素子の近傍に温度センサなどを設け、スイッチング素の発熱やスイッチング素子に流れる電流を監視することで、スイッチング素子などの部品の故障（破損や発煙等）を防止している（例えば特許文献２参照）。

特開２００５−１０２４３８号公報 特開２００４−８０８９０号公報

しかしながら、上記従来構成では、スイッチング素子に流れる電流が過電流領域に達するか、該スイッチング素子が過熱領域に達するまでＤＣ／ＤＣコンバータの異常を認識しないため、故障判定に時間がかかるという問題がある。また、スイッチング素子に流れる電流が過電流領域に達するか、該スイッチング素子が過熱領域に達するまでＤＣ／ＤＣコンバータは駆動されるため、ＤＣ／ＤＣコンバータを安全に駆動することができないという問題がある。
さらには、上記従来構成では、スイッチング素子に異常が生じたことが判定できるのみであり、スイッチング素子に生じた異常の種類（オープン故障であるか、ショート故障であるか）まで特定することができないという問題もあった。

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、ソフトスイッチングコンバータにおける補助回路の故障を早急に判定することが可能なコンバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るコンバータ制御装置は、燃料電池の出力電圧を制御する補助回路を備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、前記ソフトスイッチングコンバータの入力電流値を検出する検出手段と、検出された入力電流値に基づき、前記ソフトスイッチングコンバータの前記補助回路に異常が生じているか否かを判断する判断手段とを備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、ソフトスイッチングコンバータの入力電流を所定のタイミングで検知し、検知された入力電流値に基づき、該ソフトスイッチコンバータの補助回路に異常が生じているか否かを判定するため、ソフトスイッチングコンバータのスイッチング素子が過熱領域に達するまで異常を検知することができない従来技術に比して、早急に異常を検知することが可能となる。
さらに、ソフトスイッチングコンバータの入力電流は、燃料電池の出力電流を検知する電流センサによって検知されるため、新たなセンサを付加することなしに（すなわち既存の部品をそのまま利用して）該ソフトスイッチコンバータの補助回路の異常を検知することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記検出手段は、前記ソフトスイッチングコンバータの主昇圧回路における主スイッチのターンオン・タイミング、または当該ターンオン・タイミングから所定時間範囲内のタイミングで前記ソフトスイッチングコンバータの入力電流値を検出する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記検出手段は、前記ソフトスイッチングコンバータの主昇圧回路における主スイッチのターンオフ・タイミング、または当該ターンオフ・タイミングから所定時間範囲内のタイミングで前記ソフトスイッチングコンバータの入力電流値を検出する態様であっても良い。

さらに、上記構成にあっては、前記判断手段は、前記入力電流値に基づき、前記ソフトスイッチングコンバータの前記補助回路における補助スイッチが正常に動作しているか、前記補助スイッチにオープン故障が生じているか、前記補助スイッチにショート故障が生じているかを判断する態様が好ましい。

さらにまた、上記構成にあっては、前記判断手段によって前記補助スイッチにオープン故障が生じていると判断された場合には、前記主スイッチのスイッチング動作を継続させる一方、前記判断手段によって前記補助スイッチにショート故障が生じていると判断された場合には、前記主スイッチのスイッチング動作を停止させる主スイッチ制御手段をさらに備える態様が好ましい。

また、前記主昇圧回路は、一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う前記主スイッチと、カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、前記第一ダイオードのアノードと前記主スイッチの他端との間に設けられた平滑コンデンサとを有し、前記補助回路は、前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記主コイルの他端と前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、第二ダイオードとスナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、前記第一直列接続体における前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、補助コイルと第三ダイオードと前記補助スイッチとを含む第二直列接続体とを有する態様も好ましい。

本発明によれば、フトスイッチングコンバータにおける補助回路の故障を早急に判定することが可能となる。

本実施形態に係るＦＣＨＶシステムのシステム構成図である。 同実施形態に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの１相分の回路構成を示す図である。 同実施形態に係るソフトスイッチング処理を示すフローチャートである。 同実施形態に係るモード１の動作を示す図である。 同実施形態に係るモード２の動作を示す図である。 同実施形態に係るモード３の動作を示す図である。 同実施形態に係るモード４の動作を示す図である。 同実施形態に係るモード５の動作を示す図である。 同実施形態に係るモード６の動作を示す図である。 同実施形態に係るモード５のスナバコンデンサ電圧Ｖｃ、素子電圧Ｖｅ、素子電流Ｉｅの関係を例示した図である。 同実施形態に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの入力電流波形と判定タイミングと第１スイッチング素子のゲート信号の関係を例示した図である。 同実施形態に係る故障判定処理を示すフローチャートである。 同実施形態に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの入力電流波形と第２スイッチング素子のゲート信号のオンタイミング、第１スイッチング素子のゲート信号のオンタイミングの関係を例示した図である。 変形例に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの入力電流波形と判定タイミングと第１スイッチング素子のゲート信号の関係を例示した図である。

Ａ．本実施形態
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。 図１は本実施形態に係る車両に搭載されたＦＣＨＶシステムの構成を示す。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車などにも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

（システム構成）
図１は、ＦＣＨＶシステム１００のシステム全体図である。
ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とインバータ１４０の間にＦＣコンバータ１５０が設けられるとともに、バッテリ１２０とインバータ１４０の間にＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、バッテリコンバータ）１８０が設けられている。

燃料電池１１０は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池１１０には、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを検出するための電圧センサＶ０、及び出力電流Ｉｆｃｍｅｓを検出するための電流センサＩ０が取り付けられている。燃料電池１１０においては、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じ、燃料電池１１０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ ・・・（３）

単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の二つの電極で挟み込んだＭＥＡを燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。

燃料電池１１０には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び冷却液を提供する系統（いずれも図示略）が設けられており、コントローラ１６０からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量を制御することにより、所望の電力を発電することが可能となっている。

ＦＣコンバータ１５０は、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを制御する役割を担っており、一次側（入力側：燃料電池１１０側）に入力された出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを、一次側と異なる電圧値に変換（昇圧または降圧）して二次側（出力側：インバータ１４０側）に出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側に出力する双方向の電圧変換装置である。このＦＣコンバータ１５０により、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓが目標出力に応じた電圧となるように制御する。

このＦＣコンバータ１５０は、三相運転方式を取っており、具体的な回路方式としてはＵ相１５１、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３によって構成された三相ブリッジ形コンバータとしての回路構成を備えている。三相ブリッジ形コンバータの回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分とその交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされている。ここで、本実施形態では、ＦＣコンバータ１５０として昇圧型のソフトスイッチングコンバータ（以下、ＦＣソフトスイッチングコンバータ）を採用している。以下、図２を参照しながら、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の構成について詳述する。

図２は、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の１相分の回路構成を示す図である。以下の説明では、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０に入力される昇圧前の電圧をコンバータ入力電圧Ｖｉｎと呼び、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０から出力される昇圧後の電圧をコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔと呼ぶ。

図２に示すように、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０は、昇圧動作を行うための主昇圧回路１２ａと、ソフトスイッチング動作を行うための補助回路１２ｂとを備えて構成されている。
主昇圧回路１２ａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などからなる第１スイッチング素子Ｓ１とダイオードＤ４で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルＬ１に蓄えられたエネルギを負荷１３０にダイオードＤ５を介して解放することで燃料電池１１０の出力電圧を昇圧する。

詳述すると、コイルＬ１の一端が燃料電池１１０の高電位側の端子に接続され、第１スイッチング素子Ｓ１の一端の極がコイルＬ１の他端に接続され、第１のスイッチング素子Ｓ１の他端の極が燃料電池１１０の低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードＤ５のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、さらに、平滑コンデンサとして機能するコンデンサＣ３は、ダイオードＤ５のアノード端子と第１スイッチング素子Ｓ１の他端との間に接続されている。主昇圧回路１２ａには、燃料電池１１０側に平滑コンデンサＣ１が設けられており、これにより燃料電池１１０の出力電流のリップルを低減することが可能となる。
ここで、コンデンサＣ３にかかる電圧ＶＨは、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔとなり、平滑コンデンサＣ１にかかる電圧ＶＬは、燃料電池１１０の出力電圧であってＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ入力電圧Ｖｉｎとなる。

補助回路１２ｂには、第１スイッチング素子Ｓ１に並列に接続された、ダイオードＤ３とこのダイオードＤ３に直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第１直列接続体が含まれている。第１第１直列接続体は、ダイオードＤ３のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、ダイオードＤ３のアノード端子がスナバコンデンサＣ２の一端に接続されている。さらに、スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池１１０の低電位側の端子に接続されている。

さらに、補助回路１２ｂには、誘導素子であるコイルＬ２と、ダイオードＤ２と、第２スイッチング素子Ｓ２及びダイオードＤ１で構成されるスイッチング回路とが直列に接続された第２直列接続体が含まれる。この第２直列接続体は、コイルＬ２の一端が第１直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続されている。さらに、ダイオードＤ２のカソード端子がコイルＬ２の他端に接続される一方、ダイオードＤ２のアノード端子が第２スイッチング素子Ｓ２の一端の極に接続されている。また、第２スイッチング素子Ｓ２の他端は、コイルＬ１の一端側に接続されている。なお、この第２直列接続体の回路トポロジーについて、コイルＬ２、ダイオードＤ２、第２スイッチング素子Ｓ２などによるスイッチング回路の直列順序は適宜入れ替えた態様も採用し得る。特に、コイルＬ２と第２スイッチング素子Ｓ２などによるスイッチング回路の順序を入れ替えることで、実際の実装回路ではコイルＬ１とコイルＬ２を一体化することができ、半導体素子のモジュール化が容易となる。

このように構成されるＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０においては、コントローラ１６０が第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチングデューティー比を調整することで、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０による昇圧比、すなわちコンバータ入力電圧Ｖｉｎに対するコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔの比が制御される。また、第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作において補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２のスイッチング動作を介在させることで、ソフトスイッチングが実現される（詳細は後述）。

図１に戻り、バッテリ１２０は、負荷１３０に対して燃料電池１１０と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、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。バッテリ１２０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の二次電池が利用される。

バッテリコンバータ１８０は、インバータ１４０の入力電圧を制御する役割を担っており、例えばＦＣコンバータ１５０と同様の回路構成を有している。なお、バッテリコンバータ１８０として昇圧型のコンバータを採用しても良いが、これに代えて昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用しても良く、インバータ１４０の入力電圧の制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。

インバータ１４０は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ１６０からの制御指令に従って、燃料電池１１０またはバッテリ１２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ１３１の回転トルクを制御する。

トラクションモータ１３１は、本車両の主動力となるものであり、減速時には回生電力を発生するようにもなっている。ディファレンシャル１３２は減速装置であり、トラクションモータ１３１の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ１３３が設けられたシャフトを回転させる。シャフトには図示せぬ車輪速センサ等が設けられ、これにより当該車両の車速等が検知される。なお、本実施形態では、燃料電池１１０から供給される電力を受けて動作可能な全ての機器（トラクションモータ１３１、ディファレンシャル１３２を含む）を負荷１３０と総称している。

コントローラ１６０は、ＦＣＨＶシステム１００の制御用のコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。コントローラ１６０は、センサ群１７０から供給される各種の信号（例えば、アクセル開度をあらわす信号や車速をあらわす信号、燃料電池１１０の出力電流や出力端子電圧をあらわす信号など）を入力して、負荷１３０の要求電力（すなわち、システム全体の要求電力）を求める。

負荷１３０の要求電力は、例えば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（コンバータ制御装置）１６０は、燃料電池１１０とバッテリ１２０とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算する。コントローラ１６０は、燃料電池１１０及びバッテリ１２０に対する要求電力を求めると、これらの要求電力が得られるようにＦＣコンバータ１５０及びバッテリコンバータ１８０の動作を制御する。

次に、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０によるソフトスイッチング動作について、図３〜図７を参照しながら説明する。ここで、図３は、ソフトスイッチング動作を介したＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の一サイクルの処理（以下、ソフトスイッチング処理）のフローチャートであり、コントローラ１６０が図３に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０６を順次実行することによって一サイクルを形成する。なお、以下の説明では、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の電流、電圧の状態をあらわすモードをそれぞれモード１〜モード６として表現し、その状態を図４〜図７に示す。また、図４〜図７では回路を流れる電流を矢印で示す。

＜ソフトスイッチング動作＞
まず、図３に示すソフトスイッチング処理が行われる初期状態は、燃料電池１１０から負荷１３０に要求される電力が供給されている状態、すなわち第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２がともにターンオフされることで、コイルＬ１、ダイオードＤ５を介して電流が負荷１３０に供給される状態にある。

（モード１；図４参照）
ステップＳ１０１においては、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオフする一方、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンする。かかるスイッチング動作を行うと、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の出力電圧ＶＨと入力電圧ＶＬの電位差により、負荷１３０側に流れていた電流がコイルＬ１及びダイオードＤ５を介して補助回路１２ｂ側に徐々に移行してゆくとともに、スナバコンデンサＣ２に電荷がチャージされてゆく。なお、図４中では、負荷１３０側から補助回路１２ｂ側への電流の移行の様子を白抜き矢印で示している。

さらに、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンすることにより、図４に示す矢印Ｄｍ１１の向きに電流の循環が発生する。ここで、第２スイッチング素子Ｓ２の電流は、コイルＬ２の両端電圧（ＶＨ−ＶＬ）とコイルＬ２のインダクタンスに従い増加していくが、第２スイッチング素子Ｓ２の電流はコイルＬ２により抑制されるため、ダイオードＤ５を介して負荷１３０側に流れる電流（図４に示す矢印Ｄｍ１２参照）のソフトターンオフが実現される。
ここで、モード１からモード２への遷移完了時間ｔｍｏｄｅ１は下記式（４）によって表される。

Ｉｐ；相電流
Ｌ２ｉｄ；コイルＬ２のインダクタンス
（＊注１ 式（４）の中身が正しいかどうかご確認ください）

（モード２；図５参照）
上記遷移完了時間が経過し、ステップＳ１０２に移行すると、ダイオードＤ５を流れる電流はゼロとなり、コイルＬ１及びダイオードＤ５を介して補助回路１２ｂ側に電流が流れ込むとともに（図５に示す矢印Ｄｍ２１参照）、代わってスナバコンデンサＣ２と燃料電池１１０の電圧ＶＬとの電位差により、スナバコンデンサＣ２にチャージされていた電荷が補助回路１２ｂ側に流れてゆく（図５に示す矢印Ｄｍ２２参照）。このスナバコンデンサＣ２の容量に応じて、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧が決定される。ここで、モード２では、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオンするときにスナバコンデンサＣ２にチャージされていた電荷が補助回路１２ｂに流れることで、スナバコンデンサＣ２にかかる電圧は低下（ＶＨ→０）してゆく。このとき、コイルＬ２とスナバコンデンサＣ２の半波共振により、スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロになるまで、電流は流れ続ける。この結果、以下に示すステップＳ１０３でのスイッチング素子Ｓ１のターンオン時にかかる印加電圧を下げることが可能となる。なお、スナバコンデンサＣ２にチャージされていた電荷の一部は、ダイオードＤ５を介して補助回路１２ｂ側に流れてゆく（図５に示す矢印Ｄｍ２３参照）。
ここで、モード２からモード３への遷移完了時間ｔｍｏｄｅ２は下記式（５）によって表される。

Ｃ２ｄ；コンデンサＣ２の容量

（モード３；図６参照）
上記遷移完了時間が経過し、スナバコンデンサＣ２の電荷が抜けきると、第２スイッチング素子Ｓ２がターンオンされ、ステップＳ１０３に移行する。スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなった状態では、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧もゼロとなる。この状態で第１スイッチング素子Ｓ１をターンオンすることにより、コイルＬ１及びダイオードＤ５を介して補助回路１２ｂ側に電流が流れ込むとともに（図６に示す矢印Ｄｍ３１参照）、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧をゼロにした状態で、図６に矢印Ｄｍ３２で示す経路に電流を流すことができるため、第１スイッチング素子Ｓ１におけるスイッチング損失を理論上ゼロとすることが可能となる。

（モード４；図７参照）
そして、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３の状態が継続することで、コイルＬ１に流れ込んでいく電流量を増加させてコイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく（図７に矢印Ｄｍ４２参照）。ここで、補助回路１２ｂにおけるコイルＬ２と第２スイッチング素子Ｓ２の間には、アノードがコイルＬ２の一端に接続されるとともにカソードが第２スイッチング素子Ｓ２の一端に接続されたダイオードＤ２が存在するため、コイルＬ２に逆電流は流れず（図７に示す矢印Ｄｍ４１参照）、第２スイッチング素子Ｓ２を介してスナバコンデンサＣ２に充電が行われることはない。また、この時点で第１スイッチング素子Ｓ１はターンオンしているため、ダイオードＤ３を経由してスナバコンデンサＣ２に充電が行われることもない。従って、コイルＬ１の電流＝第１スイッチング素子Ｓ１の電流となり、コイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオン時間Ｔｓ１は、下記式（６）によって表される。

Ｔｃｏｎ；制御周期
なお、制御周期とは、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０６までの一連の処理を一周期（一サイクル）としたときのソフトスイッチング処理の時間周期を意味する。

（モード５；図８参照）
ステップＳ１０４においてコイルＬ１に所望のエネルギが蓄えられると、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２がターンオフされ、図８に矢印Ｄｍ５１で示す経路に電流が流れる。ここで、図１０は、モード５におけるスナバコンデンサＣ２の電圧（以下、スナバコンデンサ電圧）Ｖｃ、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧（以下、素子電圧）Ｖｅ、第１スイッチング素子Ｓ１を流れる電流（以下、素子電流）Ｉｅの関係を例示した図である。上記スイッチング動作が行われると、モード２において電荷が抜かれて低電圧状態となっているスナバコンデンサＣ２に電荷がチャージされ、これにより、スナバコンデンサ電圧ＶｃはＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ出力電圧ＶＨに向かって上昇する。このとき、素子電圧Ｖｅの上昇速度は、スナバコンデンサＣ２への充電により抑制され（すなわち、素子電圧の立ち上がりが鈍化され）、素子電流Ｖｅにおいてテール電流が存在する領域（図１０に示すα参照）でのスイッチング損失を低減することが可能となる。

（モード６；図９参照）
スナバコンデンサＣ２が電圧ＶＨまで充電されると、コイルＬ１に蓄えられたエネルギが負荷１３０側に解放される（図９に示す矢印Ｄｍ６１参照）。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオフ時間Ｔｓ２は、下記式（７）によって表される。

以上説明したソフトスイッチング処理を行うことでＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のスイッチング損失を可及的に抑制した上で、燃料電池１１０の出力電圧を所望の電圧に上昇し、負荷１３０に供給することが可能となる。以下、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０における補助回路１２ｂの故障判定について説明する。

＜補助回路１２ｂの故障判定＞
図１１は、電流センサＩ０によって検知されるＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流波形と判定タイミングと第１スイッチング素子のゲート信号の関係を例示した図である。なお、図１１においては、正常時の入力電流波形を太実線で示すとともに、第２スイッチング素子Ｓ２のオープン故障時、ショート故障時の入力電流波形をそれぞれ点線、一点鎖線で示す。

図１１に示すように、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の各状態（すなわち、正常、オープン故障、ショート故障）の入力電流値は、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオフからオンへの切り換えタイミング（以下、オンタイミング）において大きく異なる。よって、このオンタイミングで電流センサ（検出手段）Ｉ０によりＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流値を検出し、検出した入力電流値が正常範囲、ショート故障範囲、オープン故障範囲のいずれに入るかを検知することで、補助回路１２０ｂの故障の有無や故障の種類（オープン故障、ショート故障）を判定することができる（詳細は後述）。

＜正常時の入力電力波形＞
図１１に示すように、補助回路１２ｂが正常である場合には、第１スイッチング素子Ｓ１のオンタイミングにおいて、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流は最も落ち込む。ここで、図１２は、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号と第２スイッチング素子Ｓ２のゲート信号のオン、オフタイミングを示すタイミングチャートである。図１２に示すように、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングと第２スイッチング素子Ｓ２とのゲート信号のオンタイミングはずれており、第２スイッチング素子Ｓ２のゲート信号をオンした後、所定時間遅延させた後に第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号をオンする。この遅延時間Ｔｄｅｌａｙは、前掲図４〜図６を参照しながら説明したように、モード１からモード３までの遷移時間に相当し、具体的には下記式（８）によって表される。

図１３は、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流波形と第２スイッチング素子Ｓ２のゲート信号のオンタイミング、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングの関係を例示した図である。
図１３に示すように、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流波形は第２スイッチング素子Ｓ２のゲート信号のオンタイミングＴｓ１で落ち込みが開始し、上記遅延時間経過後に第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングＴｓ２が到来する。図１３からも明らかなように、この第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングＴｓ２は、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流波形の最も落ち込んだところ（最下点）Ｉｄ１からわずかにずれている（図１３では、最下点Ｉｄ１からわずかに遅れている）。

しかしながら、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングＴｓ２でＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流値を検出したとしても、最下点Ｉｄで検出したときと同様、図１１に示す傾向が見られるとともに、最下点Ｉｄで検出したときの入力電流値との誤差も小さく、検出タイミングとして簡易に制御可能である。

以上の理由から、本実施形態では第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングＴｓ２でＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流値を検出する。コントローラ１６０は、電流センサ（検出手段）Ｉ０によって検出されるＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流値が、メモリ１６１に格納された正常電流範囲Ｉｎｒに入っているとことを検知すると、補助回路１２ｂは正常であると判断する。なお、正常電流範囲Ｉｎｒについては、予め実験などにより求めておくことができる。後述するショート故障電流範囲Ｉｓｒやオープン故障電流範囲Ｉｏｒについても予め実験などにより求め、メモリ１６２やメモリ１６３に格納しておけば良い。これらの電流範囲は下記式（９）を満たすように設定される。

もちろん、これらメモリ１６１〜１６３に格納されている値は固定値である必要はなく、条件（例えばユーザによるボタン操作など）に応じて適宜のタイミングで書き換え可能としてもよい。

＜ショート故障時の入力電力波形＞
図１１に示すように、補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２にショート故障が生じている場合には、各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のゲート信号のオフタイミングをトリガとしてＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流のハンチングが生じる。この理由は、第２スイッチング素子Ｓ２が常時オン状態にあるため、補助回路１２ｂを電流が循環する一方、このときスナバコンデンサＣ２とコイルＬ２の間で共振が起きるために、ハンチングが発生するものと推測される。

また、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングで検知されるショート故障時の入力電流値は、正常時に比べて高い。この理由について説明すると、モード２において説明したように、正常時にはコイルＬ２にチャージされた電荷が一気に矢印Ｄｍ２２の方向に流れこむため、入力電流の落ち込みは最大となる。これに対し、ショート故障時には、コイルＬ２にチャージされた電流はすでに少なくなっているため、入力電流の落ち込みは正常時に比べて小さくなる。この結果、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングで検知されるショート故障時の入力電流値は、正常時に比べて高くなる。コントローラ（判断手段）１６０は、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングＴｓ２でＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流値が、メモリ１６３に格納されたショート故障電流範囲Ｉｓｒに入っているとことを検知し、補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２にショート故障が生じていると判断する。

＜オープン故障時の入力電力波形＞
図１１に示すように、補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２にオープン故障が生じている場合には、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングでＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電力波形に大きな落ち込みはみられない。この理由は、第２スイッチング素子Ｓ２が常時オフ状態にあるため、補助回路１２ｂに電流は流れることがなく（すなわち、補助回路１２ｂはないものとみなすことができ）、主昇圧回路１２ａによって構成されたコンバータ（すなわち、ハードスイッチング方式のコンバータ）と同様の挙動を示すことになる。この結果、コントローラ（判断手段）１６０は、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングＴｓ２でＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流値が、メモリ１６２に格納されたオープン故障電流範囲Ｉｏｒに入っているとことを検知し、補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２にオープン故障が生じていると判断する。
以下、コントローラ１６０による補助回路１２ｂの故障判定処理について、図１２を参照しながら説明する。

図１２は、コントローラ１６０によって実行される故障判定処理を示すフローチャートである。
コントローラ１６０は、まず、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号に基づき、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の故障の判定タイミングが到来したか否かを判断する（ステップＳ２０１）。本実施形態では、判定タイミングとして第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングＴｓ２を利用するため、コントローラ１６０は、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号がオンしたことを検知すると、判定タイミングが到来したと判断してＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流値を検出する（ステップＳ２０１→ステップＳ２０２）。

コントローラ１６０は、ステップＳ２０３に進むと、検出した入力電流値が、メモリ１６１に格納された正常電流範囲Ｉｎｒに入っている否かを判断する。コントローラ１６０は、検出した入力電流値が正常電流範囲Ｉｎｒに入っている場合には補助回路１２ｂは正常であると判断し、ＦＣソフトスイッチコンバータ１５０について通常制御を行う（ステップＳ２０４）。なお、通常制御とは、ＦＣソフトスイッチコンバータ１５０に異常が生じていない場合の制御、すなわち燃料電池１１０に対する要求電力が得られるようにＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の動作を制御することをいう。

一方、コントローラ１６０は、ステップＳ２０３において、検出した入力電流値が正常電流範囲Ｉｎｒに入っていないと判断すると、ステップＳ２０５に進む。コントローラ１６０は、検出した入力電流値が、メモリ１６３に格納されたショート故障電流範囲Ｉｓｒに入っているか否かを判断する。コントローラ１６０は、検出した入力電流値がショート故障電流範囲Ｉｓｒに入っている場合には補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２にショート故障が生じていると判断し、ショート故障制御を行った後（ステップＳ２０５→ステップＳ２０６）、処理を終了する。

ショート故障制御について詳述すると、コントローラ（主スイッチ制御手段）１６０は、第２スイッチング素子Ｓ２にショート故障が生じていると判断すると、直ちに当該コンバータ１５０を停止（別言すれば、主回路１２ａの第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作を停止）するとともに、たとえば文字メッセージや警報ランプを点滅させる、あるいは警告音を発するなどして当該コンバータ１５０に異常が生じた旨を運転手などに報知する。これにより、第２スイッチング素子Ｓ２のショート故障に起因したＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の異常過熱を抑制することが可能となり、当該コンバータ１５０や周辺部品の破損という事態を未然に防止することが可能となる。

さらに、コントローラ１６０は、ステップＳ２０５において、検出した入力電流値がショート故障電流範囲Ｉｓｒに入っていないと判断すると、ステップＳ２０７に進む。コントローラ１６０は、検出した入力電流値が、メモリ１６２に格納されたオープン故障電流範囲Ｉｏｒに入っているか否かを判断する。コントローラ１６０は、検出した入力電流値がオープン故障電流範囲Ｉｏｒに入っている場合には補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２にオープン故障が生じていると判断し、オープン故障制御を行った後（ステップＳ２０７→ステップＳ２０８）、処理を終了する。

オープン故障制御について詳述すると、コントローラ（主スイッチ制御手段）１６０は、第２スイッチング素子Ｓ２にオープン故障が生じていると判断すると、負荷制限（要求電力が所定出力以下であるなど）を条件に、補助回路１２ｂを切り離した状態で、すなわち主回路１２ａのみを利用してＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０を駆動（別言すれば、主回路１２ａの第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作を継続）させる。これにより、第２スイッチング素子Ｓ２にオープン故障が生じた場合でもコンバータを利用できるというメリットがある。ただし、かかる状態ではコンバータ効率が悪化するため、コンバータ１５０の修理を促すべく、上記と同様に当該コンバータ１５０に異常が生じた旨を運転手などに報知する。なお、コンバータの異常を報知する際には、異常の種類（すなわち、ショート故障であるかオープン故障であるか）が認識できるように報知しても良い。

一方、コントローラ１６０は、ステップＳ２０７において、オープン故障電流範囲Ｉｏｒに入っていないと判断した場合には、他の異常（例えば、電流センサの異常など）が生じていると判断し、他の異常検知処理を行った後（ステップＳ２０９）、処理を終了する。なお、他の異常検知処理としてどのような部位をどのようなタイミングで検知するかは予め設定しておけば良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流（＝燃料電池１１０の出力電流Ｉｆｃｍｅｓ）を所定のタイミングで検知することにより、コンバータの補助回路１２ｂの故障の有無、さらには故障の種類までも早急に判定することが可能となる。
さらに、上記ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流は、電流センサＩ０によって検知されるため、新たなセンサを付加することなしに（すなわち既存の部品をそのまま利用して）補助回路１２ｂの故障判定を実現することができる。

上記ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流は電流センサＩ０によって検知されるため、新たなセンサを追加することなしに（すなわち既存の部品をそのまま利用して）補助回路１２ｂの故障判定を実現することができる。

Ｂ．変形例 上述した本実施形態では、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の故障の判定タイミングとして第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンタイミングＴｓ２を利用したが、これに代えて第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオフタイミングＴｓ１を利用しても良い。

図１４は、変形例に係る電流センサＩ０によって検知されるＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流波形と判定タイミングと第１スイッチング素子のゲート信号の関係を例示した図であり、図１１と同様、正常時の入力電流波形を太実線で示すとともに、第２スイッチング素子Ｓ２のオープン故障時、ショート故障時の入力電流波形をそれぞれ点線、一点鎖線で示す。

図１４に示すように、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流値は、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート信号のオンからオフへの切り換えタイミング（以下、オフタイミング）においても大きく異なる。よって、このオフタイミングで電流センサＩ０によりＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の入力電流値を検出し、検出した入力電流値が正常電流範囲、ショート故障電流範囲、オープン故障電流範囲のいずれに入るかを検知することで、補助回路１２０ｂの故障の有無や故障の種類（オープン故障、ショート故障）を判定しても良い。なお、正常電流範囲やショート故障電流範囲、オープン故障電流範囲については、上記本実施形態と同様、予め実験などにより求め、各メモリに格納しておけば良い。かかる構成によっても、コンバータの補助回路１２ｂの故障の有無、さらには故障の種類までも早急に判定することができるとともに、新たなセンサを付加することなしに補助回路１２ｂの故障判定を実現することができる。

１００…ＦＣＨＶシステム、１１０…燃料電池、１２０…バッテリ、１３０…負荷、１４０…インバータ、１５０…ＦＣコンバータ、１６０…コントローラ、１７０…センサ群、１８０…バッテリコンバータ、Ｓ１,Ｓ２…スイッチング素子、Ｃ１,Ｃ３…平滑コンデンサ、Ｃ２…スナバコンデンサ、Ｌ１,Ｌ２,…コイル、Ｄ１,Ｄ２,Ｄ３,Ｄ４,Ｄ５…ダイオード。

Claims (6)

1. 燃料電池の出力電圧を制御する補助回路を備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、
   前記ソフトスイッチングコンバータの入力電流値を検出する検出手段と、
   検出された入力電流値に基づき、前記ソフトスイッチングコンバータの前記補助回路に異常が生じているか否かを判断する判断手段と
   を備えるコンバータ制御装置。
2. 前記検出手段は、前記ソフトスイッチングコンバータの主昇圧回路における主スイッチのターンオン・タイミングで前記ソフトスイッチングコンバータの入力電流値を検出する請求項１に記載のコンバータ制御装置。
3. 前記検出手段は、前記ソフトスイッチングコンバータの主昇圧回路における主スイッチのターンオフ・タイミングで前記ソフトスイッチングコンバータの入力電流値を検出する請求項１に記載のコンバータ制御装置。
4. 前記判断手段は、前記入力電流値に基づき、前記ソフトスイッチングコンバータの前記補助回路における補助スイッチが正常に動作しているか、前記補助スイッチにオープン故障が生じているか、前記補助スイッチにショート故障が生じているかを判断する請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載のコンバータ制御装置。
5. 前記判断手段によって前記補助スイッチにオープン故障が生じていると判断された場合には、前記主スイッチのスイッチング動作を継続させる一方、前記判断手段によって前記補助スイッチにショート故障が生じていると判断された場合には、前記主スイッチのスイッチング動作を停止させる主スイッチ制御手段をさらに備える請求項４に記載のコンバータ制御装置。
6. 前記主昇圧回路は、
   一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、
   一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う前記主スイッチと、
   カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、
   前記第一ダイオードのアノードと前記主スイッチの他端との間に設けられた平滑コンデンサとを有し、
   前記補助回路は、
   前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記主コイルの他端と前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、第二ダイオードとスナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、
   前記第一直列接続体における前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、補助コイルと第三ダイオードと前記補助スイッチとを含む第二直列接続体とを有する請求項２〜５のいずれか１の請求項に記載のコンバータ制御装置。