JP2015019448A - コンバータ装置およびそれを備えた燃料電池システム、コンバータ装置の制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンバータ装置の制御精度を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】制御部５０は、燃料電池コンバータ１１のスイッチング素子６３のデューティ比を制御して、燃料電池コンバータ１１の出力電圧を制御する。制御部５０は、不連続モード用のデューティ比ＤDと、連続モード用のデューティ比ＤCを、フィードフォワード成分とフィードバック成分の和として算出する。制御部５０は、ＤD＜ＤCのときに不連続モードの制御を実行し、ＤD≧ＤCのときに連続モードの制御を実行する。制御部５０は、不連続モード用のデューティ比ＤDを算出するときに、不連続モードのデューティ比ＤDのフィードフォワード成分を、前回の燃料電池コンバータ１１の制御において生じていたリアクトル６１における目標出力と実際の出力との差が反映された補正値αによって補正する。【選択図】図３

Description

本発明は、コンバータ装置に関する。

コンバータ装置は、入力された直流電圧を目標電圧に変換して出力する。燃料電池システムでは、入力された直流電圧を昇圧して出力する昇圧型コンバータ装置が、燃料電池や二次電池の出力電圧の制御に用いられる（特許文献１等）。昇圧型コンバータ装置は、インダクタンス素子であるリアクトルと、リアクトルに対する電流の流れを制御するスイッチング素子と、を備え、スイッチング素子を開閉するデューティ比を制御することによって出力電圧が制御される。

特開２０１０−１２４６１５号公報

昇圧型コンバータ装置を制御するためのデューティ比は、リアクトルのインダクタンス成分の設計値を反映させた値として設定される場合がある。リアクトルのインダクタンス成分は、リアクトルの製造誤差や経年変化によって設計値からずれてしまう可能性があるため、上記の場合には、リアクトルのインダクタンス成分の誤差が、昇圧型コンバータ装置の制御精度の低下の原因になる。

また、通常、昇圧型コンバータ装置では、不連続モードの制御と連続モードの制御とが切り替えられて実行される。不連続モードはリアクトルが出力する電流が断続的に０になる期間における制御モードであり、連続モードはリアクトルが連続的に電流を出力し続ける期間における制御モードである。不連続モードと連続モードとの切替はデューティ比の値に基づいて設定される場合がある。しかし、上述したように、デューティ比にリアクトルのインダクタンス成分が反映されている場合には、上述したインダクタンス成分の誤差によって、不連続モードと連続モードとの切替が適切なタイミングで実行されなくなってしまう可能性がある。

ここで、特許文献１には、Ｉ−Ｖ特性の変化に起因する燃料電池の出力の変化をコンバータによる出力電圧の制御によって補償する技術が開示されている。特許文献１の技術によれば、燃料電池のＩ−Ｖ特性を推定することなく、燃料電池の出力制御を実行することができる。しかしながら、特許文献１では、コンバータ装置が備えるリアクトルのインダクタンス成分の誤差や、それに起因するコンバータ装置の制御性の低下については特に考慮されていない。

このように、昇圧型コンバータにおけるリアクトルのインダクタンス成分の誤差に起因する制御精度の低下については依然として改良の余地があった。このような課題は、昇圧型コンバータに限らず、他のコンバータ装置においても共通する課題であった。そのほか、従来から、コンバータ装置においては、制御の簡易化や、制御の容易化、使い勝手の向上、装置構成の小型化、低コスト化、省資源化等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

［１］本発明の一形態によれば、入力電圧を目標電圧に変換して出力するコンバータ装置が提供される。このコンバータ装置は、リアクトルと；前記リアクトルに対する電流の流れを制御するスイッチング素子と；前記リアクトルの実際の出力に関する出力情報を取得する出力情報取得部と；前記目標電圧と前記出力情報とに基づいて前記スイッチング素子を開閉するデューティ比を設定し、前記デューティ比を用いて前記リアクトルに前記目標電圧に応じた目標実効電流を出力させるリアクトル電流制御を実行する制御部と；を備える。前記制御部は、前記リアクトル電流制御において、前記リアクトルの目標出力と実際の出力との差の履歴が反映された補正値と、前記リアクトルのインダクタンスと、を用いて前記デューティ比を設定する。この形態のコンバータ装置によれば、デューティ比に含まれるリアクトルのインダクタンス成分の誤差が適切に補正されるため、コンバータ装置の制御精度が向上する。

［２］上記形態のコンバータ装置において、前記制御部は、前記補正値を用いて設定された前記デューティ比を第１のデューティ比として用いる第１の制御モードと、前記第１のデューティ比とは異なる第２のデューティ比を用いる第２の制御モードと、を含む複数の制御モードのうちのいずれかの制御モードによって前記リアクトル電流制御を実行し、少なくとも、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとの切替を、前記第１のデューティ比の値に基づいて実行する構成であっても良い。この形態のコンバータ装置によれば、第１のデューティ比が過去の制御履歴に基づいてより適切な値に補正されているため、第１の制御モードと第２の制御モードとの切替がより適切に実行される。

［３］上記形態のコンバータ装置において、前記第１の制御モードは、前記目標実効電流が低く、前記リアクトルが出力する電流が断続的に０になる期間に適用される不連続モードであり、前記第２の制御モードは、前記目標実効電流が高く、前記リアクトルが連続的に電流を出力し続けている期間に適用される連続モードであり、前記制御部は、前記不連続モードから前記連続モードへの切替を、前記不連続モード用の前記第１のデューティ比に基づいて決定しても良い。この形態のコンバータ装置によれば、不連続モードにおける制御精度が向上し、不連続モードから連続モードへの切替がより適切に実行される。

［４］上記形態のコンバータ装置において、前記制御部は、前記デューティ比を、前記目標電圧に基づくフィードフォワード項であって、前記リアクトルのインダクタンスが反映されるとともに前記補正値によって補正されているフィードフォワード項と、前記出力情報に基づくフィードバック項と、に基づいて設定し、次回以降の前記リアクトル電流制御に用いる前記補正値を、現在設定されている前記デューティ比の算出に用いた前記フィードフォワード項と、前記フィードバック項と、に基づいて算出して記憶しても良い。この形態のコンバータ装置によれば、デューティ比が、現在の制御状態と過去の制御履歴とが反映された、より適切な値として取得される。

［５］上記形態のコンバータ装置において、前記制御部は、前記フィードフォワード項に前記補正値を乗算して前記フィードフォワード項を補正し、補正後の前記フィードフォワード項と、前記フィードバック項と、を加算して前記デューティ比を取得し、前記デューティ比を補正後の前記フィードフォワード項によって除算して、次回以降の前記リアクトル電流制御に用いる前記補正値を取得して記憶しても良い。この形態のコンバータ装置によれば、デューティ比が、より簡易な方法で取得される。

［６］上記形態のコンバータ装置において、前記制御部は、前記リアクトルが出力する実効電流が０から上昇する期間に前記補正値を算出しても良い。この形態のコンバータ装置によれば、補正値を高い精度で取得することができる。

［７］本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この形態の燃料電池システムは、上記形態のコンバータ装置と、前記コンバータ装置に接続された燃料電池と、を備え、前記コンバータ装置は、前記燃料電池の出力電圧を目標電圧まで昇圧させて出力する。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の出力電圧をより高い精度で目標電圧まで昇圧させることができる。

本発明は、コンバータ装置や燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、コンバータ装置の制御装置や制御方法、その制御装置において実行されるコンピュータプログラム、あるいは、その制御方法を実現するためのコンピュータプログラム、それらのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。 燃料電池コンバータの構成を示す概略図。 制御部による燃料電池コンバータの制御処理の手順を示す説明図。 燃料電池コンバータにおける不連続モードを説明するための説明図。 燃料電池コンバータにおける連続モードを説明するための説明図。 燃料電池コンバータにおける制御モードの切り替わりを説明するための説明図。 燃料電池コンバータにおけるリアクトルの実効電流とスイッチング素子のデューティ比との関係の一例を示す説明図。 不連続モードのデューティ比のフィードフォワード成分を補正しない場合に生じる不具合を説明するための説明図。 所定の補正値算出期間に該当するか否かの判定方法を説明するための説明図。 所定の補正値算出期間を具体的に示す説明図。

A．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としてのコンバータ装置を備える燃料電池システムの電気的構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は燃料電池車両に搭載され、運転者の要求に応じて燃料電池車両の駆動力を発生させる。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料電池コンバータ１１と、二次電池１５と、二次電池コンバータ１６と、駆動モータ２０と、ＤＣ／ＡＣインバータ２１と、第１と第２の電圧検出部３１，３２と、制御部５０と、を備える。

燃料電池１０は、燃料電池システム１００の電力源であり、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０としては、固体高分子形燃料電池に限定されることはなく、種々のタイプの燃料電池を採用することが可能である。例えば、燃料電池１０としては、固体高分子形燃料電池に換えて、固体酸化物型燃料電池が採用されても良い。燃料電池１０は、第１の直流導線１を介して、燃料電池コンバータ１１の入力端子に接続されている。

燃料電池コンバータ１１は、本発明の第１実施形態としてのコンバータ装置であり、制御部５０の指令に応じて、燃料電池１０から入力された電圧を目標電圧まで昇圧して出力する昇圧型コンバータである。燃料電池コンバータ１１の出力端子は、第２の直流導線２を介してＤＣ／ＡＣインバータ２１の直流端子に接続されている。燃料電池コンバータ１１の構成については後述する。燃料電池コンバータ１１は、リアクトル電流の計測値Ｉ_Lを信号線を介して制御部５０に送信する（詳細は後述する）。

二次電池１５は、例えばリチウムイオン電池によって構成され、燃料電池１０とともに燃料電池システム１００の電力源として機能する。二次電池１５は、第３の直流導線３を介して二次電池コンバータ１６の入力端子に接続されている。二次電池コンバータ１６は燃料電池コンバータ１１と同様な構成を有する昇圧型コンバータである。二次電池コンバータ１６の出力端子は第４の直流導線４を介して、燃料電池コンバータ１１とＤＣ／ＡＣインバータ２１とを接続する第２の直流導線２に接続されている。

二次電池コンバータ１６は、制御部５０の指令に応じて、燃料電池コンバータ１１と協働してＤＣ／ＡＣインバータ２１の入力電圧（第２の直流導線２における電圧）を調整する。また、二次電池コンバータ１６は二次電池１５の充・放電を制御する。具体的には、二次電池コンバータ１６は、燃料電池１０の出力電力が目標出力電力に対して不足する場合には、二次電池１５に放電させる。一方、二次電池コンバータ１６は、駆動モータ２０において回生電力が発生する場合には、当該回生電力を二次電池１５に蓄電させる。

駆動モータ２０は、燃料電池車両の車輪を駆動する動力源であり、例えば、三相交流モータによって構成される。駆動モータ２０は、交流導線を介してＤＣ／ＡＣインバータ２１の交流端子に接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ２１は、制御部５０からの指令に応じて、燃料電池１０および二次電池１５から第２の直流導線２を介して供給される直流電力を三相交流の電力に変換して駆動モータ２０に供給する。また、ＤＣ／ＡＣインバータ２１は、駆動モータ２０において発生する回生電力を直流電力に変換して第２の直流導線２に出力する。

第１の電圧検出部３１は第１の直流導線１に接続されており、燃料電池コンバータ１１の入力電圧を計測する。第２の電圧検出部３２は第２の直流導線２に接続されており、燃料電池コンバータ１１の出力電圧を計測する。第１と第２の電圧検出部３１，３２はそれぞれ、燃料電池コンバータ１１の入力電圧および出力電圧の計測値Ｖ_L，Ｖ_Hを制御部５０に出力する。

ここで、燃料電池コンバータ１１の入力電圧および出力電圧はそれぞれ、燃料電池コンバータ１１のリアクトル（後述）の入力電圧および出力電圧に相当する。即ち、第１と第２の電圧検出部３１，３２は、燃料電池コンバータ１１のリアクトルの出力に関する出力情報を取得する出力情報取得部として機能する。

制御部５０は、中央処理装置と、主記憶装置と、不揮発性記憶部と、を備えるマイクロコンピュータによって構成される。制御部５０は、燃料電池コンバータ１１と、二次電池コンバータ１６と、インバータ２１とを制御することによって、燃料電池１０および二次電池１５の出力を制御し、駆動モータ２０に外部からの出力要求に応じた駆動力を発生させる。制御部５０は、信号線を介して、燃料電池コンバータ１１と、二次電池コンバータ１６と、ＤＣ／ＡＣインバータ２１と、に接続されている。

ここで、制御部５０は、外部からの出力要求に応じた制御信号Ｓ（後述）を生成し、燃料電池コンバータ１１の動作を制御する。制御部５０は、燃料電池コンバータ１１から受信したリアクトル電流の計測値Ｉ_Lと、第１と第２の電圧検出部３１，３２から受信した燃料電池コンバータ１１の入力電圧および出力電圧の計測値Ｖ_L，Ｖ_Hと、を燃料電池コンバータ１１の制御に用いる。制御部５０による燃料電池コンバータ１１の制御手順の詳細については後述する。

図２は、燃料電池コンバータ１１の構成を示す概略図である。なお、図２では、第２の直流導線２に接続されている第４の直流導線４の図示は便宜上省略されている。燃料電池コンバータ１１は、Ｕ相回路部１１Ｕと、Ｖ相回路部１１Ｖと、Ｗ相回路部１１Ｗと、を備える三相ブリッジコンバータである。各相回路部１１Ｕ〜１１Ｗは、第１と第２の電源ライン５ａ，５ｂと、アースライン６とに接続されている。

第１の電源ライン５ａは燃料電池１０の電源ラインであり、第２の電源ライン５ｂはＤＣ／ＡＣインバータ２１の電源ラインである。アースライン６は、燃料電池１０とＤＣ／ＡＣインバータ２１に共通のアースラインである。なお、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの後段には、平滑コンデンサ６６が第２の電源ライン５ｂとアースライン６との間に介挿されている。平滑コンデンサ６６は、第２の電源ライン５ｂとアースライン６との間の電圧変動を低減する。

各相回路部１１Ｕ〜１１Ｗは、リアクトル６１と、出力用のダイオード６２と、スイッチング素子６３と、を備える。各相回路部１１Ｕ〜１１Ｗのリアクトル６１は、第１の電源ライン５ａに電流計測部６７Ｕ〜６７Ｗを介して接続されている。各電流計測部６７Ｕ，６７Ｖ，６７Ｗは、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのリアクトル６１に流れる電流であるリアクトル電流を計測し、その測定値Ｉ_LU，Ｉ_LV，Ｉ_LWを制御部５０に送信する。

本明細書では、各相のリアクトル電流の測定値Ｉ_LU，Ｉ_LV，Ｉ_LWを総称して、「リアクトル電流の測定値Ｉ_L」とも呼ぶ。このように、電流計測部６７Ｕ，６７Ｖ，６７Ｗは、上述した第１と第２の電圧検出部３１，３２とともに、リアクトル６１の出力情報を取得する出力情報取得部として機能する。

各相回路部１１Ｕ〜１１Ｗのダイオード６２は、リアクトル６１の出力側と第２の電源ライン５ｂとの間に順方向に介装されている。スイッチング素子６３は、リアクトル６１の出力側とアースライン６との間に介装されている。各スイッチング素子６３は、トランジスタ６４と、保護用ダイオード６５と、によって構成されている。

トランジスタ６４は、ｎｐｎタイプのトランジスタであり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、電力用バイポーラトランジスタなどによって構成される。トランジスタ６４は、リアクトル６１側をコレクタとし、アースライン６側をエミッタとして接続されている。保護用ダイオード６５は、トランジスタ６４のコレクタ−エミッタ間に、コレクタ電流の流れる方向とは逆方向に接続されている。

各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのトランジスタ６４のベース端子には制御部５０から、制御部５０が設定するデューティ比（後述）に基づいて生成された制御信号Ｓ_U，Ｓ_V，Ｓ_Wが入力される。なお、本明細書では、便宜上、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗごとの制御信号Ｓ_U，Ｓ_V，Ｓ_Wを区別することなく、総称して「制御信号Ｓ」とも呼ぶ。各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのスイッチング素子６３は、制御信号Ｓに応じてターンオンとターンオフとを繰り返す。

スイッチング素子６３がターンオンすると、燃料電池１０からリアクトル６１を介してスイッチング素子６３に電流が流れ始め、リアクトル６１に直流励磁による磁気エネルギーが蓄積される。スイッチング素子６３がターンオフすると、ターンオンしていた期間にリアクトル６１に蓄積された磁気エネルギーは、ダイオード６２および第２の電源ライン５ｂを介して、ＤＣ／ＡＣインバータ２１に出力される。

このように、リアクトル６１には、スイッチング素子６３がターンオンしてリアクトル６１に電流が流れている間に磁気エネルギーが蓄積され、スイッチング素子６３がターンオフしている間に、蓄積された磁気エネルギーが放出される。従って、スイッチング素子６３を開閉するデューティ比を制御することによって、リアクトル６１に蓄積されるエネルギー（時間平均）を制御することができ、各相回路部１１Ｕ〜１１Ｗのリアクトル６１に平均的に流れる電流（実効電流）を制御することができる。

ここで、スイッチング素子６３がターンオフされたときにリアクトル６１に蓄積された磁気エネルギーによって生じる誘導電圧は、燃料電池１０の出力電圧に重ね合わされる。そのため、各相回路部１１Ｕ〜１１Ｗの出力電圧（第２の電源ライン５ｂの電圧）は、燃料電池１０の出力電圧（第１の電源ライン５ａの電圧）よりも高くなる。

各相回路部１１Ｕ〜１１Ｗには、各相回路部１１Ｕ〜１１Ｗのスイッチング素子６３が順次繰り返しターンオンされるように、制御信号Ｓが送信される。そのため、各相回路部１１Ｕ〜１１Ｗの出力電圧が順次、燃料電池１０の出力電圧より高くなり、ＤＣ／ＡＣインバータ２１に入力される電圧は、燃料電池１０の出力電圧より高く維持される。以上の動作によって、燃料電池コンバータ１１は、燃料電池１０から入力された電圧を目標電圧まで昇圧してＤＣ／ＡＣインバータ２１に入力する。

図３は、制御部５０による燃料電池コンバータ１１の制御処理の手順を示すフローチャートである。この燃料電池コンバータ１１の制御処理は、燃料電池コンバータ１１の駆動が開始されるたびに制御部５０によって実行される。なお、燃料電池コンバータ１１の駆動が開始されるのは、燃料電池１０の運転が開始されるときであるとしても良いし、燃料電池コンバータ１１に対して燃料電池１０からの電流の出力が開始されるときであるとしても良い。

ステップＳ１０では、制御部５０は、前回の制御処理において記憶された補正値α_Pを読み出し、今回の制御処理において補正値αとして用いる。補正値α_p，αについては後述する。なお、製品出荷時における補正値α_pの初期値は１であっても良い。

ステップＳ２０では、制御部５０は、運転者からの出力要求を取得する。また、制御部５０は、その出力要求に応じて駆動モータ２０に供給する電力を決定し、燃料電池コンバータ１１の出力電圧を決定する。なお、燃料電池コンバータ１１の出力電圧の決定の際には、現在の燃料電池１０の出力特性（Ｉ−Ｖ特性）や、二次電池１５の充電状態（ＳＯＣ）などが考慮されることが好ましい。

ここで、本実施形態では、制御部５０は、燃料電池コンバータ１１の各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗごとにスイッチング素子６３のデューティ比を設定することによって、燃料電池１０の出力電圧を目標電圧まで昇圧させる。なお、本実施形態では、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗごとのデューティ比の設定方法は同じであるため、以下では、便宜上、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの区別をすることなく、燃料電池コンバータ１１におけるデューティ比の制御として説明する。

制御部５０は、燃料電池コンバータ１１のデューティ比の制御として、不連続モードの制御と、連続モードの制御とを適宜切り替えて実行する。不連続モードと連続モードとではそれぞれ異なる基準でデューティ比が設定される。以下では、不連続モードと連続モードについて説明し、各制御モードで異なる基準によってデューティ比が設定される理由を説明した上で、制御部５０による具体的な燃料電池コンバータ１１のデューティ比の制御を説明する。

図４，図５はそれぞれ、燃料電池コンバータ１１の不連続モードと連続モードとを説明するための説明図である。図４，図５にはそれぞれ、不連続モードおよび連続モードについて、リアクトル６１における電流の時間変化を示すグラフと、スイッチング素子６３のＯＮ／ＯＦＦタイミングを示すタイミングチャートと、を時間軸を対応させて図示してある。リアクトル６１における電流の時間変化を示すグラフでは、リアクトル６１における実効電流Ｉｅの時間変化を実線で示し、リアクトル電流Ｉ_Lの時間変化を一点鎖線で示してある。なお、図４，図５にはそれぞれ、リアクトル６１における実効電流Ｉｅがほぼ一定であるときの例を図示してある。

不連続モードは、リアクトル６１における実効電流Ｉｅが比較的低い期間における制御モードであり、リアクトル電流Ｉ_Lが断続的に０になる期間における制御モードである（図４）。不連続モードでは、スイッチング素子６３がＯＮされるとリアクトル電流Ｉ_Lは０から直線的に上昇し、スイッチング素子６３がＯＦＦされるとリアクトル電流Ｉ_Lは直線的に０まで低下する。即ち、不連続モードでは、リアクトル電流Ｉ_Lの０からの直線的な上昇と、リアクトル電流Ｉ_Lの０までの直線的な低下と、が繰り返される。

連続モードは、リアクトル６１における実効電流Ｉｅが比較的高い期間における制御モードであり、リアクトル６１に連続的に電流が流れ続ける期間（リアクトル電流Ｉ_Lが常に０より大きい期間）における制御モードである（図５）。連続モードでは、スイッチング素子６３がＯＮされるとリアクトル電流Ｉ_Lは直線的に増加し始め、スイッチング素子６３がＯＦＦされるとリアクトル電流Ｉ_Lはその時点での電流値から直線的に低下し始める。連続モードでは、リアクトル電流Ｉ_Lが０まで低下する前にスイッチング素子６３はＯＮされ、リアクトル電流Ｉ_Lが０になることはない。このように、連続モードでは、リアクトル電流Ｉ_Lの０より大きい電流値からの直線的な上昇と、リアクトル電流Ｉ_Lの０まで到達しない直線的な低下と、が繰り返される。

図６は、燃料電池コンバータ１１における制御モードの切り替わりを説明するための説明図である。図６には、リアクトル６１の実効電流Ｉｅが０から次第に増加していくときのリアクトル電流Ｉ_Lの変化を模式的に示すグラフを図示してある。リアクトル６１の実効電流Ｉｅを０から次第に増加させていくと、リアクトル電流Ｉ_Lが断続的に０になる期間が次第に減少していき、燃料電池コンバータ１１の制御モードは不連続モードから連続モードへと切り替わることになる。逆に、連続モードのときにリアクトル６１の実効電流Ｉｅを次第に低下させていくと、燃料電池コンバータ１１の制御モードは連続モードから不連続モードへと切り替わることになる。

図７は、燃料電池コンバータ１１におけるリアクトル６１の実効電流Ｉｅと、スイッチング素子６３のデューティ比Ｄと、の関係の一例を示す説明図である。燃料電池コンバータ１１では、リアクトル電流Ｉ_Lが断続的に０になるデューティ比Ｄが小さい範囲では、リアクトル６１の実効電流Ｉｅはデューティ比Ｄの増加に対して比較的緩やかに増加する。一方、リアクトル電流Ｉ_Lが連続的に０より大きくなるデューティ比Ｄが大きい範囲では、リアクトル６１の実効電流Ｉｅはデューティ比Ｄの増加に対して比較的急峻に増加する。そのため、燃料電池コンバータ１１では、不連続モードと連続モードとで上記の傾向が反映された異なる基準によってデューティ比Ｄが設定されることによって、リアクトル６１に流れる実効電流Ｉｅが適切に制御される。

制御部５０は、ステップＳ３０，Ｓ４０（図３）のそれぞれにおいて、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dと連続モード用のデューティ比Ｄ_Cとをそれぞれ、燃料電池コンバータ１１の目標出力と現在の出力とに基づいて算出する。具体的には、各デューティ比Ｄ_D，Ｄ_Cを、燃料電池コンバータ１１の目標出力が反映されたフィードフォワード成分と、燃料電池コンバータ１１の現在の出力が反映されたフィードバック成分と、を加算して取得する。

本実施形態では、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dは以下の式（１）によって算出され、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dの算出に用いられるフィードフォワード項ＦＦ_Dおよびフィードバック項ＦＢ_Dは、下記の式（１ａ），（１ｂ）によって算出される。
＜不連続モード用のデューティ比Ｄ_D＞
Ｄ_D＝α・ＦＦ_D＋ＦＢ_D …（１）
α：補正値
ＦＦ_D＝［２・Ｌ・｛（Ｖ_HT−Ｖ_LT）／Ｖ_H・Ｖ_L｝・Ｉｔ］^1/2 …（１ａ）
ＦＢ_D＝Ｋｐ_D・（Ｖ_H−Ｖ_L） …（１ｂ）
Ｌ：リアクトル６１のインダクタンス
ｆ：燃料電池コンバータ１１の周波数
Ｖ_HT：燃料電池コンバータ１１の出力電圧Ｖ_Hの目標値
Ｖ_LT：燃料電池コンバータ１１の入力電圧Ｖ_Lの目標値
Ｉｔ：リアクトル６１の実効電流Ｉｅの目標値
Ｋｐ_D：不連続モード用の比例ゲイン

ここで、上記の式（１）において、不連続モード用のフィードフォワード項ＦＦ_Dに乗算されている補正値αはステップＳ１０において読み出された値である。不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dの算出において補正値αが用いられる理由については後述する。

また、本実施形態では、連続モード用のデューティ比Ｄ_Cは以下の式（２）によって算出され、連続モード用のデューティ比Ｄ_Cの算出に用いられるフィードフォワード項ＦＦ_Cおよびフィードバック項ＦＢ_Cは、下記の式（２ａ），（２ｂ）によって算出される。
＜連続モード用のデューティ比Ｄ_C＞
Ｄ_C＝ＦＦ_C＋ＦＢ_C …（２）
ＦＦ_C＝１−Ｖ_LT／Ｖ_HT …（２ａ）
ＦＢ_C＝…Ｋｐ_C・（Ｖ_H−Ｖ_L） …（２ｂ）
Ｋｐ_C：連続モード用の比例ゲイン

制御部５０は、上記の２つのデューティ比Ｄ_D，Ｄ_Cを取得した後、いずれのデューティ比Ｄ_D，Ｄ_Cを使用して燃料電池コンバータ１１を制御するかを選択するデューティ比判定処理を実行する（ステップＳ５０）。本実施形態のデューティ比判定処理は、２つのデューティ比Ｄ_D，Ｄ_Cの値に基づいて実行される。制御部５０は、Ｄ_D＜Ｄ_Cの場合には、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dを使用する不連続モードの制御を行う（ステップＳ６０）。制御部５０は、Ｄ_D≧Ｄ_Cの場合には、連続モード用のデューティ比Ｄ_Cを使用する連続モードの制御を行う（ステップＳ７０）。

制御部５０は、燃料電池コンバータ１１の駆動が停止されるまで、ステップＳ２０〜Ｓ７０の処理を繰り返す（ステップＳ８０）。なお、燃料電池コンバータ１１の駆動が停止される場合とは、燃料電池１０の運転が停止される場合であるとしても良い。あるいは、燃料電池コンバータ１１に対する燃料電池１０からの電流出力が、所定の期間（例えば十秒以上の期間）、継続的に停止される場合であるとしても良い。

ここで、不連続モードにおいて所定の補正値算出期間に該当する場合には、制御部５０は、不連続モードのフィードフォワード項ＦＦ_Dおよびフィードバック項ＦＢ_Dの今回値を用いて補正値α_Pを更新する（ステップＳ６５）。「所定の補正値算出期間」については後述する。

補正値α_Pは、次回の燃料電池コンバータ１１の制御の実行が開始されたときに、ステップＳ１０において補正値αとして読み出される値であり、リアクトル６１における出力目標と実際の出力との差が反映された値である。本実施形態では、制御部５０は、補正値α_Pを下記の式（３）によって算出して不揮発的に記憶する。
α_P＝Ｄ_D／（α・ＦＦ_D）＝（α・ＦＦ_D＋ＦＢ_D）／（α・ＦＦ_D） …（３）

このように、補正値α_Pは、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dのフィードフォワード成分（α・ＦＦ_D）に対する不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dのフィードフォワード成分とフィードバック成分との和（α・ＦＦ_D＋ＦＢ_D）の割合として算出される。なお、制御部５０はα_pが算出されるたびに、その移動平均を算出して記憶するものとしても良い。

上述したように、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dが算出される際には、フィードフォワード項ＦＦ_Dに補正値αが乗算される（式（１））。即ち、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dのフィードフォワード成分は、補正値αによって、前回の燃料電池コンバータ１１の制御において生じていたリアクトル６１における目標出力と実際の出力との誤差が解消されるように補正される。

特に、本実施形態では、式（１ａ）に示されているように、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dのフィードフォワード項ＦＦ_Dに、リアクトル６１のインダクタンスＬが定数項として含まれている。本実施形態の燃料電池コンバータ１１の制御によれば、リアクトル６１の製造誤差やリアクトル６１の経年変化によってインダクタンスＬが設計値からずれている場合であっても、その誤差が補正値αによって補正される。また、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｄの間においてリアクトル６１のインダクタンスに差が生じてしまっても、その差は各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｄごとに実行される不連続モードのデューティ比Ｄ_Dの補正によって低減される。

このように、本実施形態の燃料電池システム１００では、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dがより適切な値として取得されるため、燃料電池コンバータ１１の制御精度が確保される。加えて、本実施形態の燃料電池システム１００では、不連続モードと連続モードとの切替が、各モードのデューティ比Ｄ_D，Ｄ_Cに基づいて実行されているため（図３のステップＳ５０）、以下に説明するような不具合の発生も抑制される。

図８は、本発明の比較例として、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dのフィードフォワード成分を補正値αによって補正しない場合に生じる不具合を説明するための説明図である。図８には、燃料電池コンバータ１１のリアクトル６１における電流の時間変化の一例を示すグラフを図示してある。ここで、リアクトル６１の実効電流の目標値を直線的に時間変化させた場合を想定する（実線グラフＩｔ）。この場合において、リアクトル６１のインダクタンスＬが設計値通りであれば、時刻ｔ_tにおいて、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dが連続モードのデューティ比Ｄ_Cと等しくなり、不連続モードから連続モードに切り替わる。

ところが、リアクトル６１のインダクタンスＬが製造誤差によって設計値より小さくなっている場合には、不連続モードのフィードフォワード項ＦＦ_Dは、その誤差の分だけ小さい値となる。従って、不連続モードのフィードフォワード項ＦＦ_Dが補正値αによって補正されないと、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dも、インダクタンスＬの誤差の分だけ小さい値となる。すると、不連続モードから連続モードに切り替わるタイミングが時刻ｔ_tから時刻ｔ_aに遅延し、本来であれば連続モードのデューティ比Ｄ_Cが適用されるべき時刻ｔ_t〜ｔ_aの間に不連続モードのデューティ比Ｄ_Dが適用され続けることになる。そのため、リアクトル６１の実効電流は、時刻ｔ_t〜ｔ_aの間に目標値よりも大きくなってしまうおそれがある（破線グラフＩａ）。

逆に、リアクトル６１のインダクタンスＬが設計値より大きくなっている場合には、不連続モードのフィードフォワード項ＦＦ_Dが補正値αによって補正されなければ、不連続モードのデューティ比Ｄ_DはインダクタンスＬの誤差の分だけ大きくなる。この場合には、不連続モードから連続モードに切り替わるタイミングが時刻ｔ_tより早まり、時刻ｔ_bにおいて不連続モードのデューティ比Ｄ_Dから連続モードのデューティ比Ｄ_Cに切り替えられることになる。すると、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dが適用されるべき時刻ｔ_b〜ｔ_tの間において連続モードのデューティ比Ｄ_Cが適用されることになり、時刻ｔ_b〜ｔ_tの間においてリアクトル６１の実効電流は目標値に到達しなくなってしまうおそれがある（破線グラフＩｂ）。

本実施形態では、上述したように、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dのフィードフォワード項ＦＦ_Dに含まれるインダクタンスなどの誤差が補正値αによって補正されている。従って、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dが適切な値として取得され、不連続モードにおける燃料電池コンバータ１１の出力制御の精度が確保される。また、本実施形態のように、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dの値に基づいて連続モードと不連続モードとの切替が行われる場合には、上述したような、連続モードと不連続モードの切り替えタイミングがずれてしまうことが抑制される。

図９は、補正値α_Pの算出が実行される所定の補正値算出期間に該当するか否かの判定方法を説明するための説明図である。図９には、制御モードの推移と、補正値算出期間の判定に用いられるフラグの状態の推移とを示すタイミングチャートを図示してある。

上述したように、本実施形態では、不連続モードにおいて所定の補正値算出期間である場合に補正値α_Pが算出される（ステップＳ６５）。本実施形態では、燃料電池コンバータ１１の駆動が開始された直後の不連続モードから連続モードに至るまでの期間、即ち、リアクトル６１の実効電流Ｉｅが０から立ち上がり連続モードに移行するまで期間に、補正値α_Pが算出される。制御部５０は、所定の補正値算出期間に該当するか否かを、以下に説明するフラグを用いることによって判定する。

制御部５０は、補正値算出期間に該当するか否かを判定するためのフラグとして、コンバータ駆動フラグと、連続モード通過フラグと、補正値計算フラグと、を用いる。コンバータ駆動フラグは、燃料電池コンバータ１１の駆動状態を示すフラグである。コンバータ駆動フラグは、燃料電池コンバータ１１の駆動が開始されるとき（ステップＳ１０）に「ＯＮ」に設定され、燃料電池コンバータ１１の駆動が停止されるとき（ステップＳ８０）に「ＯＦＦ」に設定される。

連続モード通過フラグは、今回の燃料電池コンバータ１１の制御において連続モードへの移行が一度でも実行されたか否かを示すフラグである。連続モード通過フラグは、燃料電池コンバータ１１の駆動が開始された後、最初に連続モードに移行するときに「ＯＮ」に設定され、燃料電池コンバータ１１の駆動が停止されるときに、コンバータ駆動フラグとともに「ＯＦＦ」に設定される。

補正値計算フラグは、補正値算出期間中であるか否かを示すフラグである。補正値計算フラグは、コンバータ駆動フラグが「ＯＮ」に設定されたときに「ＯＮ」に設定され、連続モード通過フラグが「ＯＮ」に設定されたときに「ＯＦＦ」に設定される。制御部５０は、ステップＳ３０で算出された不連続モードのデューティ比Ｄ_Dでの制御が選択された後に（ステップＳ５０，Ｓ６０）、補正値計算フラグが「ＯＮ」に設定されている場合には、所定の補正値算出期間に該当するものとして補正値α_Pの算出を実行する（ステップＳ６５）。

図１０は、所定の補正値算出期間を具体的に示す説明図である。図１０には、燃料電池コンバータ１１のリアクトル６１における実効電流Ｉｅの時間変化の一例を示すグラフを図示してある。図示されているように、本実施形態では、燃料電池コンバータ１１の駆動が開始された後に１回のみ、リアクトル６１の実効電流Ｉｅが０から立ち上がり連続モードに移行するまでの間の期間に補正値α_Pが算出される。これによって、駆動開始直後における実効電流Ｉｅが０のときを基準として補正値α_Pが更新されることになるため、補正値α_Pの算出精度が向上する。

以上のように、本実施形態の燃料電池コンバータ１１の制御によれば、不連続モードにおけるデューティ比Ｄ_Dのフィードフォワード成分が、前回の制御において生じていたフィードフォワード成分とフィードバック成分の差が反映された補正値αによって補正される。従って、不連続モードのデューティ比Ｄ_Dがより適切な値として取得され、燃料電池コンバータ１１の制御精度が向上するとともに、デューティ比Ｄ_Dに基づく制御モードの切り替えが適切に実行される。

B．変形例：
B1．変形例１：
上記実施形態では、燃料電池システム１００が備える燃料電池コンバータ１１において本発明が実現されている。これに対して、本発明は燃料電池システム１００が備える燃料電池コンバータ１１に限らず、種々のコンバータ装置において実現されても良い。例えば、本発明は、燃料電池システムの二次電池の出力電圧を制御する二次電池コンバータとして実現されても良い。また、電気自動車などに搭載されている直流電力供給システムが備える電源装置の出力電圧を制御するコンバータ装置において実現されても良い。加えて、本発明は、昇圧型コンバータ装置以外に、降圧型コンバータ装置や、反転コンバータ装置として実現されても良い。

B2．変形例２：
上記実施形態において、制御部５０は、燃料電池コンバータ１１を不連続モードと連続モードとを切り替える制御モードの切替を実行している。これに対して、制御部５０は、不連続モードや連続モードに換えて他の制御モードを実行する構成であっても良い。制御部５０は、不連続モードと連続モードを含む複数の制御モードの中から実行すべき制御モードを選択して実行する構成であっても良いし、不連続モードと連続モード以外の複数の制御モードの中から実行すべき制御モードを選択して実行する構成であっても良い。制御部５０は、少なくとも、リアクトルのインダクタンスと、リアクトルの目標出力と実際の出力との差の履歴が反映された補正値と、を用いてデューティ比を設定する制御モードを実行すれば良い。

B3．変形例３：
上記実施形態では、補正値α_Pは、上記の式（３）によって不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dのフィードフォワード成分に対する不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dのフィードフォワード成分とフィードバック成分との和の割合として算出されている。これに対して、補正値α_Pは、上記の式（３）によって算出されなくても良く、他の数式や関数、マップなどによって取得されても良い。補正値αは、不連続モードにおけるリアクトルの目標出力と実際の出力との差の履歴が反映された値として取得されていれば良い。なお、「不連続モードにおけるリアクトルの目標出力と実際の出力との差の履歴が反映された値」には、製品出荷時に設定された補正値が含まれる。

B4．変形例４：
上記実施形態では、燃料電池コンバータ１１の駆動が開始された直後の不連続モードから連続モードに至るまでの期間に補正値α_Pが算出されている。これに対して、補正値α_Pは、当該期間以外の期間において算出されても良い。例えば、補正値α_Pは、不連続モードの制御の実行中に常に算出されるものとしても良い。

B5．変形例５：
上記実施形態では、燃料電池コンバータ１１は、Ｕ相回路部１１Ｕと、Ｖ相回路部１１Ｖと、Ｗ相回路部１１Ｗと、を備える三相ブリッジコンバータとして構成されている。これに対して、燃料電池コンバータ１１は、三相よりも少ない数の相の回路部（例えば一相の回路部）を有していても良いし、さらに、複数の相の回路部（例えば、四相の回路部）を有していても良い。ただし、燃料電池コンバータ１１が二以上の相回路部を有している場合には、制御部５０は、各相回路部ごとに補正値α_Pを記憶しておき、各相回路部ごとに補正値αを用いたデューティ比の補正を実行することが好ましい。

B6．変形例６：
上記実施形態では、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dと連続モード用のデューティ比Ｄ_Cとを比較することによって、不連続モードと連続モードの切り替えが判定されている。これに対して、不連続モードと連続モードの切り替えは、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dと連続モード用のデューティ比Ｄ_Cとの比較によって判定されなくても良い。不連続モードと連続モードの切り替えは、例えば、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dが所定の閾値に到達したときに、不連続モードから連続モードに切り替えられても良い。

B7．変形例７：
上記実施形態では、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dと連続モード用のデューティ比Ｄ_Cとが算出された上で、いずれのデューティ比Ｄ_D，Ｄ_Cを用いるかが選択されていた（図３のステップＳ３０〜Ｓ５０）。これに対して、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dと連続モード用のデューティ比Ｄ_Cとは常にともに算出されなくても良い。例えば、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dを算出し、不連続モード用のデューティ比Ｄ_Dに基づいて不連続モードの実行の適否を判断し、否判定がなされたときに、連続モード用のデューティ比Ｄ_Cを算出して連続モードの制御が実行される構成であっても良い。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…第１の直流導線
２…第２の直流導線
３…第３の直流導線
４…第４の直流導線
５ａ，５ｂ…第１と第２の電源ライン
６…アースライン
１０…燃料電池
１１…燃料電池コンバータ
１１Ｕ…Ｕ相回路部
１１Ｖ…Ｖ相回路部
１１Ｗ…Ｗ相回路部
１５…二次電池
１６…二次電池コンバータ
２０…駆動モータ
２１…ＤＣ／ＡＣインバータ
３１…第１の電圧検出部
３２…第２の電圧検出部
５０…制御部
６１…リアクトル
６２…整流ダイオード
６３…スイッチング素子
６４…トランジスタ
６５…保護用ダイオード
６６…平滑コンデンサ
６７Ｕ，６７Ｖ，６７Ｗ…電流計測部
１００…燃料電池システム

Claims (9)

1. 入力電圧を目標電圧に変換して出力するコンバータ装置であって、
   リアクトルと、
   前記リアクトルに対する電流の流れを制御するスイッチング素子と、
   前記リアクトルの実際の出力に関する出力情報を取得する出力情報取得部と、
   前記目標電圧と前記出力情報とに基づいて前記スイッチング素子を開閉するデューティ比を設定し、前記デューティ比を用いて前記リアクトルに前記目標電圧に応じた目標実効電流を出力させるリアクトル電流制御を実行する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記リアクトル電流制御において、前記リアクトルの目標出力と実際の出力との差の履歴が反映された補正値と、前記リアクトルのインダクタンスと、を用いて前記デューティ比を設定する、コンバータ装置。
2. 請求項１記載のコンバータ装置であって、
   前記制御部は、前記補正値を用いて設定された前記デューティ比を第１のデューティ比として用いる第１の制御モードと、前記第１のデューティ比とは異なる第２のデューティ比を用いる第２の制御モードと、を含む複数の制御モードのうちのいずれかの制御モードによって前記リアクトル電流制御を実行し、
   前記制御部は、少なくとも、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとの切替を、前記第１のデューティ比の値に基づいて実行する、コンバータ装置。
3. 請求項２記載のコンバータ装置であって、
   前記第１の制御モードは、前記目標実効電流が低く、前記リアクトルが出力する電流が断続的に０になる期間に適用される不連続モードであり、
   前記第２の制御モードは、前記目標実効電流が高く、前記リアクトルが連続的に電流を出力し続けている期間に適用される連続モードであり、
   前記制御部は、前記不連続モードから前記連続モードへの切替を、前記不連続モード用の前記第１のデューティ比に基づいて決定する、コンバータ装置。
4. 請求項１記載のコンバータ装置であって、
   前記制御部は、前記デューティ比を、前記目標電圧に基づくフィードフォワード項であって、前記リアクトルのインダクタンスが反映されるとともに前記補正値によって補正されているフィードフォワード項と、前記出力情報に基づくフィードバック項と、に基づいて設定し、
   前記制御部は、次回以降の前記リアクトル電流制御に用いる前記補正値を、現在設定されている前記デューティ比の算出に用いた前記フィードフォワード項と、前記フィードバック項と、に基づいて算出して記憶する、コンバータ装置。
5. 請求項４記載のコンバータ装置であって、
   前記制御部は、
   前記フィードフォワード項に前記補正値を乗算して前記フィードフォワード項を補正し、
   補正後の前記フィードフォワード項と、前記フィードバック項と、を加算して前記デューティ比を取得し、
   前記デューティ比を補正後の前記フィードフォワード項によって除算して、次回以降の前記リアクトル電流制御に用いる前記補正値を取得して記憶する、コンバータ装置。
6. 請求項４または請求項５記載のコンバータ装置であって、
   前記制御部は、前記リアクトルが出力する実効電流が０から上昇する期間に前記補正値を算出する、コンバータ装置。
7. 燃料電池システムであって、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のコンバータ装置と、
   前記コンバータ装置に接続された燃料電池と、
   を備え、
   前記コンバータ装置は、前記燃料電池の出力電圧を目標電圧まで昇圧させて出力する、燃料電池システム。
8. リアクトルと、前記リアクトルに対する電流の流れを制御するスイッチング素子と、を備える入力電圧を目標電圧に変換して出力するコンバータ装置の制御方法であって、
   前記リアクトルの実際の出力に関する出力情報を取得する出力情報取得工程と、
   前記目標電圧と前記出力情報とに基づいて前記スイッチング素子を開閉するデューティ比を設定し、前記リアクトルに前記目標電圧に応じた目標実効電流を出力させるリアクトル出力制御工程と、
   を備え、
   前記リアクトル出力制御工程は、前記リアクトルの目標出力と実際の出力との差の履歴が反映された補正値と、前記リアクトルのインダクタンスと、を用いて前記デューティ比を設定する工程を含む、制御方法。
9. リアクトルと、前記リアクトルに対する電流の流れを制御するスイッチング素子と、を備える入力電圧を目標電圧に変換して出力するコンバータ装置の制御装置であって、
   前記リアクトルの実際の出力に関する出力情報を取得する出力情報取得部と、
   前記目標電圧と前記出力情報とに基づいて前記スイッチング素子を開閉するデューティ比を設定し、前記リアクトルに前記目標電圧に応じた目標実効電流を出力させるリアクトル出力制御部と、
   を備え、
   前記リアクトル出力制御部は、前記リアクトルの目標出力と実際の出力との差の履歴が反映された補正値と、前記リアクトルのインダクタンスと、を用いて前記デューティ比を設定する、制御装置。

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