JP4769262B2 - ハイブリッド直流電源システム及び燃料電池車両 - Google Patents

Description

この発明は、負荷に対し２つの直流電源装置から電力を供給するハイブリッド直流電源システムに関し、例えば、バッテリと燃料電池とにより負荷であるインバータ駆動のモータに対して電力を供給する燃料電池車両に適用して好適なハイブリッド直流電源システム及び燃料電池車両に関する。

従来から、車両走行用の電動機を、バッテリと燃料電池とを併用して駆動するハイブリッド直流電源車両が提案されている（特許文献１）。

図１２に示すように、特許文献１に記載されたハイブリッド直流電源車両では、燃料電池３がインバータを介して電動機Ｍに接続されるとともに、バッテリ２が双方向昇降圧可能な電圧変換器として機能するＤＣ／ＤＣコンバータ１を介して燃料電池３に接続される。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の２次側の電圧、すなわち燃料電池３の電圧（端子間電圧）が制御されるように構成されている。

電動機Ｍの回生動作時には、前記インバータからＤＣ／ＤＣコンバータ１を介してバッテリ２が充電される。

特開２００７−１５９３１５号公報

ところで、特許文献１に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１は、並列ダイオードＤ１（Ｄ３）が接続された上アームスイッチング素子Ｔｒ１（Ｔｒ３）と、並列ダイオードＤ２（Ｄ４）が接続された下アームスイッチング素子Ｔｒ２（Ｔｒ４）の直列回路が、バッテリ２と燃料電池３の各両端に接続され、各直列回路の中点間にリアクトルＬが接続された対称的な構成（いわゆるＨ型の構成）のＤＣ／ＤＣコンバータとされている。

このＤＣ／ＤＣコンバータ１は、対称に構成されているために、１次側、２次側両方向に昇降圧可能であるが、相あたりのスイッチング素子及びダイオードの数が多く、かつ各半導体素子が電力用であることから、コストも高く、形状も大きく配置の自由度が制限されるという問題がある。

これに対して、図１３に示すように、１次側の上アームスイッチング素子を短絡し、下アームスイッチング素子を取り除いた構成の、１次側（リアクトルＬ側）から２次側（スイッチング素子側）への昇圧が可能であり、２次側から１次側への降圧が可能なＤＣ／ＤＣコンバータ４を考えることもできる。

この出願の発明者等は、このＤＣ／ＤＣコンバータ４では、トランジスタＴｒ４をデューティ０％（トランジスタＴｒ４をＯＦＦ状態）で駆動したときにバッテリ２からリアクトルＬ及びダイオードＤ３を通じて２次側に電力が供給される一方、トランジスタＴｒ３をデューティ１００％（トランジスタＴｒ３をＯＮ状態）で駆動するとともにトランジスタＴｒ４をデューティ０％で駆動したときに燃料電池３及び（又は）回生電力からトランジスタＴｒ３及びリアクトルＬを通じて１次側に電力が供給される、いわゆる直結状態での制御が可能であることを見いだした。なお、厳密には、トランジスタＴｒ４は、最小オン時間以上の時間オン駆動されないと、実際にオンにならないのでトランジスタＴｒ４が最小オン時間より短いオン時間で駆動された場合には、トランジスタＴｒ４のデューティが０％（トランジスタＴｒ３のデューティが１００％）になる前に直結状態となるが、理解の容易化のために、以下、直結状態では、トランジスタＴｒ４の駆動デューティが１００％及びトランジスタＴｒ４の駆動デューティが０％になっているものとする。

しかしながら、図１３例のＤＣ／ＤＣコンバータ４では、この直結状態からデューティが０％又は１００％でなくなる通常状態への復帰時に、実電圧（フィードバック制御の出力電圧で図１３例の場合には、燃料電池３の両端電圧）が電圧制御目標値に収束するときオーバーシュートを含む減衰振動が現れる。この減衰振動発生期間では、エネルギ使用の高効率化を図ろうとする制御目標値と実電圧がずれるので効率が低下する。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータの直結状態からの復帰時において、実電圧（フィードバック制御の出力電圧）が電圧制御目標値に収束するときのオーバーシュートを含む減衰振動の発生を防止し、実電圧が滑らかかつ直ちに電圧制御目標値に追従できるようにすることを可能とするハイブリッド直流電源システム及び燃料電池車両を提供することを目的とする。

この発明に係るハイブリッド直流電源システムは、第１出力電圧を発生する第１直流電源装置と、前記第１出力電圧より高い第２出力電圧を発生する第２直流電源装置と、前記第１直流電源装置と前記第２直流電源装置との間に配置され、電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、外部からの電圧指令値に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧制御目標値を設定し、前記第１直流電源装置と前記第２直流電源装置との間での前記電圧変換を制御するコンバータ制御部と、を備え、前記コンバータ制御部は、前記第１直流電源装置と前記第２直流電源装置とが、前記ＤＣ／ＤＣコンバータで電圧変換をしない直結状態になったときには、前記電圧指令値を無視し、直結電圧を前記電圧制御目標値に設定して制御することを特徴とする。

この発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータが直結状態になったときには、電圧指令値を無視し（電圧指令値に拘わらず）、直結電圧を電圧制御目標値に設定して制御するようにしているので、直結状態において電圧制御目標値と実電圧とが乖離しないようになり、直結状態から復帰する際に、実電圧が滑らかかつ直ちに電圧制御目標値に追従する。その結果、復帰時において、実電圧が電圧制御目標値に収束するときのオーバーシュートを含む減衰振動の発生を防止することができる。

電圧制御目標値に設定する直結電圧は、直結時における第１出力電圧の測定値又は第２出力電圧の測定値とすることができる。ただし、測定値に誤差が含まれることが推定される場合、これらの測定値に誤差分を嵩上げした電圧に設定すると、確実に直結状態が保持されることになる。

また、前記コンバータ制御部の処理周期よりも長い周期で前記第１直流電源装置と前記第２直流電源装置の電力配分を決定して前記電圧指令値を演算し、演算した前記電圧指令値を前記制御部に送る上位制御部を有し、前記上位制御部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが直結状態になっても、前記電圧指令値の演算を継続するようにすることで、上位制御部及びコンバータ制御部の負担を軽減することができる。

前記第１直流電源装置を蓄電装置、前記第２直流電源装置を燃料電池とすることも可能であり、その逆に、前記第１直流電源装置が燃料電池とし、前記第２直流電源装置を蓄電装置とすることも可能である。

なお、上記した各発明は、方法発明としても実施することができる。

この発明は、特に、蓄電装置と燃料電池とでインバータ駆動のモータを駆動する燃料電池車両に適用して好適である。

この発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータが直結状態になったときには、電圧指令値を無視し（電圧指令値に拘わらず）、直結電圧を電圧制御目標値に設定して制御するようにしているので、直結状態において電圧制御目標値と実電圧とが乖離しないようになり、直結状態から復帰する際に、実電圧が滑らかかつ直ちに電圧制御目標値に追従する。その結果、復帰時において、実電圧が電圧制御目標値に収束するときのオーバーシュートを含む減衰振動の発生を防止し、実電圧と電圧制御目標値がずれることを原因とする効率の低下を回避することができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態に係るハイブリッド直流電源システム１０が適用された一実施形態に係る燃料電池車両２０の回路図である。

ハイブリッド直流電源システム１０は、基本的には、エネルギストレージでありバッテリ電圧Ｖｂａｔ（第１出力電圧）を発生する蓄電装置（バッテリという。）２４（第１直流電源装置）と、このバッテリ電圧Ｖｂａｔより高い電圧である発電電圧Ｖｆ（第２出力電圧）を発生する発電装置としての燃料電池２２（第２直流電源装置）と、バッテリ２４と燃料電池２２との間に配置され電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３６と、統括制御部５６（上位制御部）から供給される電圧指令値に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ３６の電圧制御目標値を設定し、バッテリ２４と燃料電池２２との間での前記電圧変換を制御するコンバータ制御部５４とから構成される。

ここで、コンバータ制御部５４とＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、バッテリ２４が接続される１次側１Ｓと、燃料電池２２とモータ２６（インバータ３４）とが接続される２次側２Ｓと、の間で昇降圧の電圧変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータ装置｛ＶＣＵ（Voltage Control Unit）という。｝２３を構成する。

燃料電池車両２０は、前記のハイブリッド直流電源システム１０と、このハイブリッド直流電源システム１０からモータ電流Ｉｍ（電力）がインバータ３４を通じて供給される負荷としての走行用のモータ２６（電動機）と、から構成される。

モータ２６の回転は、減速機１２、シャフト１４を通じて車輪１６に伝達され、車輪１６を回転させる。

燃料電池２２は、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造である。燃料電池２２には、水素タンク２８とエアコンプレッサ３０が配管により接続されている。燃料電池２２内で反応ガスである水素（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）の電気化学反応により生成された発電電流Ｉｆは、電流センサ３２及びダイオード（ディスコネクトダイオードともいう。）３３を介して、インバータ３４及び（又は）ＤＣ／ＤＣコンバータ３６側に供給される。

インバータ３４は、直流／交流変換を行い、モータ電流Ｉｍをモータ２６に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後のモータ電流Ｉｍを２次側２ＳからＤＣ／ＤＣコンバータ３６を通じて１次側１Ｓに供給する。

この場合、回生電圧又は発電電圧Ｖｆである２次電圧Ｖ２がＤＣ／ＤＣコンバータ３６により低電圧に変換された１次電圧Ｖ１は、ダウンバータ４２により降圧されてさらに低電圧とされ、ライト、パワーウインド、ワイパー用電動機等の補機４４に補機電流Ｉａｕとして供給されるとともに、余剰電力があればバッテリ電流Ｉｂａｔとしてバッテリ２４に流し込まれバッテリ２４を充電する。

１次側１Ｓに電力ケーブル１８を通じて接続されるバッテリ２４は、例えばリチウムイオン２次電池、ニッケル水素２次電池又はキャパシタを利用することができる。この実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。

バッテリ２４は、ダウンバータ４２を通じて補機４４に補機電流Ｉａｕを供給するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を通じてインバータ３４にモータ電流Ｉｍを供給するためのバッテリ電流Ｉｂａｔを流し出す。

なお、インバータ３４に供給されるモータ電流Ｉｍは、バッテリ電流ＩｂａｔがＶＣＵ２３により変換された２次電流Ｉ２と発電電流Ｉｆの合成電流である。

ダウンバータ４２は、出力側に絶縁トランスを有し、補機４４の正極側には前記絶縁トランスの２次コイル側の整流電圧が供給され、負極側はシャーシに接地されている。

１次側１Ｓ及び２次側２Ｓには、それぞれ平滑用のコンデンサ３８、３９が設けられている。

燃料電池２２を含むシステムはＦＣ制御部５０により制御され、インバータ３４とモータ２６を含むシステムはインバータ駆動部を含むモータ制御部５２により制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を含むシステムはコンバータ駆動部を含むコンバータ制御部５４により、それぞれ基本的に制御される。

そして、これらＦＣ制御部５０、モータ制御部５２、及びコンバータ制御部５４は、燃料電池２２の総負荷量Ｌｔ等を決定する上位制御部としての統括制御部５６により制御される。

統括制御部５６、ＦＣ制御部５０、モータ制御部５２、及びコンバータ制御部５４は、それぞれＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマの他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェース、並びに、必要に応じてＤＳＰ（Digital Signal Processor）等を有している。

統括制御部５６、ＦＣ制御部５０、モータ制御部５２、及びコンバータ制御部５４は、車内ＬＡＮであるＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信線７０を通じて相互に接続され、各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を共有し、これら各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を入力として各ＣＰＵが各ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する。

ここで、車両状態を検出する各種スイッチ及び各種センサとしては、発電電流Ｉｆを検出する電流センサ３２の他、１次電圧Ｖ１（バッテリ電圧Ｖｂａｔに等しい。）を検出する電圧センサ６１、１次電流Ｉ１を検出する電流センサ６２、２次電圧Ｖ２（ディスコネクトダイオード３３が導通しているとき、略燃料電池２２の発電電圧Ｖｆに等しい。）を検出する電圧センサ６３、２次電流Ｉ２を検出する電流センサ６４、通信線７０に接続されるイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）６５、アクセルセンサ６６、ブレーキセンサ６７、車速センサ６８、及び上記したライト、パワーウインド、ワイパー用電動機等の補機４４の操作部５５等がある。

統括制御部５６は、燃料電池２２の状態、バッテリ２４の状態、モータ２６の状態、及び補機４４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に基づき決定した燃料電池車両２０の総負荷要求量Ｌｔから、燃料電池２２が負担すべき燃料電池分担負荷量（要求出力）Ｌｆと、バッテリ２４が負担すべきバッテリ分担負荷量（要求出力）Ｌｂと、回生電源が負担すべき回生電源分担負荷量Ｌｒの配分（分担）を調停しながら決定し、ＦＣ制御部５０、モータ制御部５２及びコンバータ制御部５４に指令を送出する。

ここで、統括制御部５６による処理周期は、例えば、燃料電池車両２０が、ユーザのアクセル操作等に対して違和感のない程度に円滑に応答すればよいことを考慮し、コンバータ制御部５４の処理周期（この実施形態では、スイッチング周期≒５０［μＳ］）より遅い周期でよく、例えば、１〜１０００［ｍｓ］（この実施形態では、スイッチング周期の２００倍の１０［ｍｓ］）の間に設定される。コンバータ制御部５４の処理周期は、例えば１〜１０００［μＳ］の間に設定される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、バッテリ２４と、燃料電池２２又は回生電源（インバータ３４とモータ２６）｝と、の間に接続される、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１と並列ダイオード８３）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２と並列ダイオード８４）とからなる相アーム（単相アーム）ＵＡと、リアクトル９０とから構成される。

上アームスイッチング素子８１と下アームスイッチング素子８２は、それぞれ例えば、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等で構成される。

リアクトル９０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積するために、前記上アーム素子と前記下アーム素子の接続点とバッテリ２４との間に挿入されている。

上アームスイッチング素子８１は、コンバータ制御部５４から出力される駆動信号（駆動電圧）ＵＨによりオン／オフされ、下アームスイッチング素子８２は、駆動信号（駆動電圧）ＵＬによりオン／オフされる。

１次電圧Ｖ１、代表的には、負荷が接続されていないときのバッテリ２４の開放電圧ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）は、図２の燃料電池出力特性（電流電圧特性）９１上に示すように、この燃料電池２２の発電電圧Ｖｆの最低電圧Ｖｆｍｉｎより高い電圧に設定されている。なお、図２において、バッテリ２４の開放電圧ＯＣＶをＯＣＶ≒Ｖ１と描いている。

２次電圧Ｖ２は、燃料電池２２が発電動作しているときには燃料電池２２の発電電圧Ｖｆに等しい電圧にされる。

ただし、燃料電池２２の発電電圧Ｖｆがバッテリ２４の電圧Ｖｂａｔ（＝Ｖ１）に等しくなったときには、図２に一点鎖線の太線で示す直結状態とされる。

直結状態では、上アームスイッチング素子８１に供給される駆動信号ＵＨのデューティが、例えば１００［％］にされ、下アームスイッチング素子８２の駆動信号ＵＬのデューティは、例えば０［％］にされる。直結状態において、２次側２Ｓから１次側１Ｓへ電流が流れる充電方向（回生方向）の場合には上アームスイッチング素子８１を通じて電流が流れ、１次側１Ｓから２次側２Ｓへ電流が流れる力行方向の場合にはダイオード８３を通じて電流が流れる。

したがって、この直結状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６では電圧変換がなされない。なお、上述したように、厳密には、下アームスイッチング素子８２が最小オン時間以上の時間オン駆動されないと、実際に下アームスイッチング素子８２がオンにならないので、下アームスイッチング素子８２が最小オン時間より短いオン時間で駆動された場合には駆動信号ＵＬのデューティが０％（駆動信号ＵＨのデューティが１００％）になる前に直結状態となるが、理解の容易化のために、以下、直結状態では、上アームスイッチング素子８１の駆動信号ＵＨのデューティは１００％、下アームスイッチング素子８２の駆動信号ＵＬのデューティは０％になっているものとする。

ここで、ＶＣＵ２３による燃料電池２２の出力制御について説明する。

水素タンク２８からの燃料ガス及びエアコンプレッサ３０からの圧縮空気が供給されている発電時に、燃料電池２２の発電電流Ｉｆは、図２に示した特性９１｛関数Ｆ（Ｖｆ）という。｝上で２次電圧Ｖ２、すなわち発電電圧Ｖｆをコンバータ制御部５４によりＤＣ／ＤＣコンバータ３６を通じて設定することにより決定される。つまり、発電電流Ｉｆは、発電電圧Ｖｆの関数Ｆ（Ｖｆ）値として決定される。Ｉｆ＝Ｆ（Ｖｆ）であり、例えば発電電圧ＶｆをＶｆ＝Ｖｆａ＝Ｖ２と設定すれば、その発電電圧Ｖｆａ（Ｖ２）の関数値としての発電電流Ｉｆａが決定される。｛Ｉｆａ＝Ｆ（Ｖｆａ）＝Ｆ（Ｖ２）｝。

具体的に、燃料電池２２は、第２出力電圧である発電電圧Ｖｆの減少に応じて流し出される電流である発電電流Ｉｆが増加し、発電電圧Ｖｆの増加に応じて流し出される発電電流Ｉｆが減少する。

このように燃料電池２２は２次電圧Ｖ２（発電電圧Ｖｆ）を決定することにより発電電流Ｉｆが決定されるので、燃料電池車両２０等、燃料電池２２を含むシステムでは、通常時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の２次側２Ｓの２次電圧Ｖ２（発電電圧Ｖｆ）が、コンバータ制御部５４を含むＶＣＵ２３のフィードバック制御の電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒに設定される。すなわち、ＶＣＵ２３により燃料電池２２の出力（発電電流Ｉｆ）が制御される。以上が、ＶＣＵ２３による燃料電池２２の出力制御の説明である。

図３は、コンバータ制御部５４による２次電圧制御モード時（電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒ）の機能ブロック図である。

この２次電圧制御モードでは、統括制御部５６で演算された２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍがポート１０１を通じてセレクタ１０２の一方の接点１１０に供給される。

電圧センサ６３で検出された２次電圧Ｖ２（測定値、実測値）がポート１１６及びＡ／Ｄ変換器１２２を通じて演算点１３１（減算器）に加算信号（被減数信号）として供給されるとともに演算点１３２（減算器）に減算信号（減数信号）として供給される。

電圧センサ６１で検出された１次電圧Ｖ１（測定値、実測値）がポート１１４及びＡ／Ｄ変換器１２１を通じて演算点１３３（比作成器）に乗算信号（乗数信号）として供給される。

また、１次電圧Ｖ１と２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが判定器１３７に供給され、判定結果信号Ｓｊによってセレクタ１０２の可動接点１１３が切り替えられる。２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが１次電圧Ｖ１より高い値であるときには（Ｖ２ｃｏｍ＞Ｖ１）、可動接点１１３が接点１１０側に切り替えられ（図示の位置）、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが１次電圧Ｖ１より低い値となったときには（Ｖ２ｃｏｍ≦Ｖ１）、可動接点１１３が接点１１１側に切り替えられる。

直結時における２次電圧Ｖ２である直結電圧Ｖ２（測定値、実測値）に対して、該測定値である直結電圧Ｖ２に含まれる電圧センサ６３のオフセット誤差（推定値）分を嵩上げした微小な余裕電圧ΔＶ２が、演算点１３１に減算信号として供給される。余裕電圧Ｖ２はゼロ値でもよく、つまり演算点１３１を省略し、２次電圧Ｖ２のみを接点１１１に供給する構成とすることもできるが、測定値の２次電圧Ｖ２よりも２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが低くかつ差が相当ある場合には、直結状態を確実に維持するために、余裕電圧ΔＶ２を設定することが好ましい。

このため、この実施形態では、セレクタ１０２の他方の接点１１１には、余裕電圧ΔＶ２（誤差相当分、誤差補償分）を嵩上げした信号（Ｖ２−ΔＶ２）が供給される。

セレクタ１０２の可動接点１１３に現れる信号は、２次電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒとされ、演算点１３２に加算信号（被減数信号）として供給される。

演算点１３２の出力である偏差ｅ（ｅ＝Ｖ２ｔａｒ−Ｖ２）が、ＰＩＤ処理部１３５に供給される。ＰＩＤ処理部１３５は、比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分（Ｄ）動作部であり、偏差ｅをデューティの補正値である補正デューティΔＤに変換し、演算点１３４（加算器）の一方の入力に加算信号として供給する。補正デューティΔＤは、Ｐ項成分による補正デューティΔＤｐとＩ項成分による補正デューティΔＤｉとＤ項成分による補正デューティΔＤｄの合成値である。すなわち、補正デューティΔＤは、ΔＤ＝ΔＤｐ＋ΔＤｉ＋ΔＤｄになる。

演算点１３４の他方の入力には、演算点１３３から基準デューティＤｓ（Ｄｓ＝Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ）が供給される。基準デューティＤｓは、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが１次電圧Ｖ１より高い値であるときにはＤｓ＝Ｖ１／Ｖ２ｃｏｍ＜１とされるが、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが１次電圧Ｖ１より低い値となる直結状態を保持しようとするときにはＤｓ＝Ｖ１／（Ｖ２−ΔＶ２）＞１とされる。

ＰＷＭ（パルス幅変調）処理部１３６には、この基準データＤｓに補正デューティΔＤを加えた駆動デューティＤ（Ｄ＝Ｄｓ＋ΔＤ＝Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ＋ΔＤが供給される。

ＰＷＭ処理部１３６は、駆動デューティＤに基づき、上アームスイッチング素子８１にポート１３８を通じて駆動デューティＤＨ｛（ＤＨ＝Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ＋ΔＤ）…（１）｝の駆動信号ＵＨを供給するとともに、下アームスイッチング素子８２に駆動デューティＤＬ［｛ＤＬ＝１−（Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ＋ΔＤ）｝…（２）］の駆動信号ＵＬを供給する。

ＰＷＭ処理部１３６は、駆動デューティＤが１未満の値である場合には、駆動デューティＤＨ、ＤＬを上記（１）、（２）式の値に応じて変化させるが、駆動デューティＤが１以上の値となった場合には、直結状態とするために駆動デューティＤＨを１００％、駆動デューティＤＬを０％に設定して駆動信号ＵＨ、ＵＬを出力する。

このように、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが１次電圧Ｖ１より低い値となる直結状態を保持しようとするときには、余裕電圧ΔＶ２の設定により基準デューティＤｓがＤｓ＝Ｖ１／（Ｖ２−ΔＶ２）＞１とされるので、駆動デューティＤは確実にＤ＞１の状態とされ、電圧センサ６３の測定値に誤差があっても確実に直結状態が保持されることになる。

この直結時に、２次側２Ｓから１次側１Ｓに向かって電流が流れる場合には、上アームスイッチング素子８１を通じて流れ、１次側１Ｓから２次側に向かって電流が流れる場合には、ダイオード８３を通じて流れる。

この実施形態に係る燃料電池車両２０は、基本的には以上のように構成されかつ動作するものであり、次に、コンバータ制御部５４によりＤＣ／ＤＣコンバータ３６を２次電圧制御モードで制御している時に直結が必要な状態、すなわち２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが測定値の１次電圧Ｖ１より低い値となる直結状態となったときの２次電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒの設定手順について図４、図６のフローチャート及び図５の波形図を用いてより詳しく説明する。

２次電圧制御モードにおいては、上述したように、統括制御部５６は、燃料電池２２の状態、バッテリ２４の状態、モータ２６の状態、及び補機４４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に基づき決定した燃料電池車両２０の総負荷要求量Ｌｔから、燃料電池２２が負担すべき燃料電池分担負荷量（要求出力）Ｌｆと、バッテリ２４が負担すべきバッテリ分担負荷量（要求出力）Ｌｂと、回生電源が負担すべき回生電源分担負荷量Ｌｒの配分（分担）を調停しながら決定し、ＦＣ制御部５０、モータ制御部５２及びコンバータ制御部５４に処理周期１０［ｍｓ］毎に指令を送出する。この場合、コンバータ制御部５４のポート１０１には、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが送出される。

すなわち、図４のステップＳ１１において、統括制御部５６により、それぞれが負荷要求であるモータ２６の電力要求と補機４４の電力要求とエアコンプレッサ３０の電力要求から総負荷要求量Ｌｔが決定（算出）されると、ステップＳ１２において、統括制御部５６は、決定した総負荷要求量Ｌｔを出力するための燃料電池分担負荷量Ｌｆと、バッテリ分担負荷量Ｌｂと、回生電源分担負荷量Ｌｒの配分を決定し、ＦＣ制御部５０、コンバータ制御部５４及びモータ制御部５２に指令を与える。ここで、燃料電池分担負荷量Ｌｆを決定する場合、燃料電池２２の効率ηが考慮される。

次いで、ステップＳ１３において、統括制御部５６により決定された燃料電池分担負荷量（実質的に、コンバータ制御部５４に対する発電電圧Ｖｆの２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが含まれる。）Ｌｆが通信線７０を通じてコンバータ制御部５４に指令として送信される。

例えば、図５の時点ｔ１において、燃料電池分担負荷量Ｌｆの指令（２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍ）を受信したコンバータ制御部５４は、ステップＳ１４において、基本的に、２次電圧Ｖ２、換言すれば、燃料電池２２の発電電圧Ｖｆが、統括制御部５６から指令された指令電圧Ｖ２ｃｏｍとなるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３６のスイッチング素子（８１、８２）の駆動デューティ（駆動信号ＵＨ、ＵＬのオンデューティ）を制御する（２次電圧制御モード）。

ステップＳ１４のコンバータ制御部５４の動作について、図６のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１３において、コンバータ制御部５４は、統括制御部５６から２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍをポート１０１を通じて受信したとき、ステップＳ１４ａにおいて、受信した２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍと電圧センサ６１からポート１１４及びＡ／Ｄ変換器１２１を通じて供給される１次電圧Ｖ１（測定値）との大小を判定器１３７により比較し、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが１次電圧Ｖ１より大きいときには（時点ｔ１、時点ｔ４等）、判定結果信号Ｓｊによりセレクタ１０２は、可動接点１１３と接点１１０が接続される通常状態（デフォルト状態）となり、ステップＳ１４ｂにおいて、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが、そのまま２次電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒに設定される（Ｖ２ｔａｒ＝Ｖ２ｃｏｍ）。

｛（ＤＨ＝Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ＋ΔＤ）…（１）｝の駆動信号ＵＨを供給するとともに、下アームスイッチング素子８２に駆動デューティＤＬ［｛ＤＬ＝１−（Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ＋ΔＤ）｝…（２）］の駆動信号ＵＬを供給する。

このとき、ステップＳ１４ｄにおいて、ＰＷＭ処理部１３６では、上述したように、上アームスイッチング素子８１の駆動デューティＤＨをＤＨ＝Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ＋ΔＤとして計算するとともに、下アームスイッチング素子８２の駆動デューティＤＬをＤＬ＝｛（１−Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ）＋ΔＤ｝として計算する。次いで、ステップＳ１４ｅにおいて、１スイッチング周期（上記処理周期５０［μＳ］）の中で、デューティＤＨの駆動信号ＵＨとデューティＤＬの駆動信号ＵＬとを交互に、実際には、上下アームスイッチング素子８１、８２が同時オンして短絡しないことを保証する時間であるデッドタイムを介してそれぞれ上アームスイッチング素子８１及び下アームスイッチング素子８２に出力する。

このようにして、時点ｔ１、ｔ４等、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが１次電圧Ｖ１（測定値）より高い場合には、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍがそのまま２次電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒに設定され、この２次電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒと２次電圧Ｖ２（測定値）との偏差ｅがゼロ値になるようにＰＩＤ処理部１３５により補正デューティΔＤが演算され、この補正デューティΔＤが基準デューティＤｓに加算されたデューティＤに基づき、ＰＷＭ処理部１３６が、駆動デューティＤＨ、ＤＬを計算して駆動信号ＵＨ、ＵＬを出力することで、２次電圧Ｖ２が２次電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒ（この場合、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに等しい。）に制御される。つまり、時点ｔ１〜ｔ２等では、Ｖ２＝Ｖ２ｔａｒ＝Ｖ２ｃｏｍと２次電圧Ｖ２が２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに追従している。

その一方、ステップＳ１３において、コンバータ制御部５４は、統括制御部５６から２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍをポート１０１を通じて受信したとき、ステップＳ１４ａにおいて、受信した２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍと電圧センサ６１からポート１１４及びＡ／Ｄ変換器１２１を通じて得た１次電圧Ｖ１（測定値）との大小を判定器１３７で比較し、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが１次電圧Ｖ１以下の値（Ｖ２ｃｏｍ≦Ｖ１）となったときには（時点ｔ２参照）、セレクタ１０２の可動接点１１３を接点１１０から１１１側に切り替える。その結果、ステップＳ１４ｃでは、２次電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒとして、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを無視し（拘わらず）、２次電圧Ｖ２（測定値）から予め定めてある余裕電圧ΔＶ２を引いた値のＶ２ｔａｒ＝Ｖ２−ΔＶ２に設定する。

このとき、基準デューティＤｓは、Ｄｓ＝Ｖ１／（Ｖ２−ΔＶ２）＜１であり、補正デューティΔＤは、ΔＤ≒０となる結果、デューティＤがＤ＜１となるので、ＰＷＭ処理部１３６は、１スイッチング周期の中で駆動デューティＤＨをＤＨ＝１（１００［％］）に設定する一方、駆動デューティＤＬをＤＬ＝０（０［％］）に設定する。

このようにすれば、直結状態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を流れる電流は、１次側１Ｓから２次側２Ｓへ流れる場合には、ダイオード８３を通じて流れ、２次側２Ｓから１次側１Ｓへ流れる場合には、上アームスイッチング素子８１を通じて流れる。

なお、実際上、この直結状態において（時点ｔ２〜ｔ３間）は、図５に示すように、補正デューティΔＤを生成するための偏差ｅを、ｅ＝Ｖｔａｒ−Ｖ２＝（Ｖ２−ΔＶ２）−Ｖ２＝−ΔＶ２とし、基準デューティＤｓを、Ｄｓ＝Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ＝Ｖ１／（Ｖ２−ΔＶ２）＜１としているので、電圧センサ６３による測定値である２次電圧Ｖ２にオフセット誤差が存在していても、直結状態が保持され、かつ余裕電圧ΔＶ２は微小電圧であるので、直結状態の期間に、例えＰＩＤ処理部１３５で積分（Ｉ）項成分が溜まったとしても（累積されたとしても）、時点ｔ３において、ステップＳ１４ａが再び成立（Ｖ２ｃｏｍ＞Ｖ１）し、直結状態から２次電圧制御モードに移行したとき、すなわち、直結状態から２次電圧制御モードに復帰する際に、時点ｔ３以降に示すように、２次電圧Ｖ２（実電圧）が滑らかかつ直ちに（オーバーシュートを含む振動成分を伴うことなく）２次電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒ（この場合、２次電圧指令値Ｖｃｏｍに等しい。）に追従する。

なお、直結状態になったときに、２次電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒをＶ２ｔａｒ＝Ｖ２−ΔＶ２ではなく、Ｖ２ｔａｒ＝Ｖ２（測定値）としても、図７に示す比較例の波形に比べて滑らかに制御され、一定の効果を達成することができる。

図７に示す比較例の波形では、図５に示した実施例とは異なり、時点ｔ２において、直結状態になっても、２次電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒを、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍのまま変更しなかった場合（Ｖ２ｔａｒ＝Ｖ２ｃｏｍ）の波形を示しており（図３において、セレクタ１０２の可動接点１１３と接点１１０とが固定的に接続された状態）、この場合には、時点ｔ３において直結状態から２次電圧制御モードに復帰する際に、直結状態時に溜まった（蓄積された）補正デューティＤ（主にＩ項成分）や、ずれている基準デューティＤｓの影響により２次電圧Ｖ２（実電圧）が乱れ、オーバーシュートを含む減衰振動が発生する。

なお、上述した実施形態では、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに基づき２次電圧Ｖ２を制御するいわゆる２次電圧制御モードについて説明しているが、これに限らず、１次電圧指令値Ｖ１ｃｏｍに基づき１次電圧Ｖ１を制御する１次電圧制御モードでも同様に制御することができる。

図８は、この１次電圧制御モード時のコンバータ制御部５４の機能ブロック図を示し、図９は、その動作を説明する実施例の波形図である。また、図１０は、その比較例としての波形図である。

図１０の比較例の時点ｔ３２に示すように、１次電圧指令値Ｖ１ｃｏｍが２次電圧Ｖ２より高い値となった直結状態において、１次電圧制御目標値Ｖ１ｔａｒを１次電圧指令値Ｖ１ｃｏｍ通りに上げていくと、直結状態から１次電圧制御モードへ復帰する時点ｔ３３において、補正デューティΔＤの累積値や、ずれている基準デューティＤｓ＝Ｖ１ｔａｒ／Ｖ２の影響により時点ｔ３３以降に示すように、直結解除直後に２次電圧Ｖ２に負側でのオーバーシュートが発生しかつ減衰振動が発生してしまう。

そこで、図８、図９に示すように、時点ｔ２２で１次電圧指令値Ｖｃｏｍが２次電圧Ｖ２より高い値となったときに、１次電圧指令値Ｖ１ｃｏｍを無視し、１次電圧Ｖ１に電圧センサ６１のオフセット誤差を補償する余裕電圧ΔＶ１を加えた電圧を１次電圧制御目標値Ｖ１ｔａｒ＝Ｖ１＋ΔＶ１とすることで、直結解除直後の１次電圧Ｖ１の変動を抑制することができる。

以上説明したように、上述した実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６が直結状態になったときには、電圧指令値Ｖ２ｃｏｍ（Ｖ１ｃｏｍ）を無視し（電圧指令値に拘わらず）、直結電圧Ｖ２（Ｖ１）を電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒ（Ｖ１ｔａｒ）に設定して制御するようにしているので、直結状態において電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒ（Ｖ１ｔａｒ）と実電圧Ｖ２（Ｖ１）とが乖離しない（ずれない）ようになり、直結状態から復帰する際に、実電圧Ｖ２（Ｖ１）が滑らかにかつ直ちに電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒ（Ｖ１ｔａｒ）に追従する。その結果、復帰時において、実電圧Ｖ２（Ｖ１）が電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒ（Ｖ１ｔａｒ）に収束するときのオーバーシュートを含む減衰振動の発生を防止することができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６が直結状態から復帰したときの制御電圧が安定する。

この作用効果を換言して説明すれば、電圧指令値Ｖ２ｃｏｍ（Ｖ１ｃｏｍ）に追従させて２次電圧Ｖ２（１次電圧Ｖ１）を制御中、電圧指令が、制御不可能領域（２次電圧Ｖ２制御中は、１次電圧Ｖ１以下、１次電圧Ｖ１制御中は、２次電圧Ｖ２以上の領域）に入った場合、制御目標電圧を制限することにより電圧指令が制御不可能領域から制御可能領域に復帰した際の制御性を向上させることができる。

その結果、エネルギ使用の高効率化を図ろうとする制御目標値と実電圧がずれる減衰振動発生期間が最小限となるので、エネルギマネジメント目標（燃料電池電力とバッテリ電力との比率）に近づき効率が向上する。実際上、オーバーシュートを含む減衰振動の発生は、燃費や効率を低減させるので、この実施形態によれば、燃費（水素ガスの消費量）や効率の向上が期待される。また、燃料電池２２、２２Ａの電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒ、Ｖ１ｔａｒを燃料電池２２、２２Ａの仕様外の値に設定しないように制御するので、燃料電池２２、２２Ａの劣化を防止することができる。

上述した実施形態において、電圧制御目標値Ｖｔａｒに設定する直結電圧は、直結時における電圧センサ６１の測定値である１次電圧Ｖ１又は電圧センサ６３の測定値である２次電圧Ｖ２とすることができるが、上述したように、電圧センサ６１、６３の測定値にオフセット誤差が含まれることが推定される場合、これらの測定値に誤差分を補償する余裕電圧ΔＶを嵩上げした電圧に設定すると、確実に直結状態を保持することができる。

また、コンバータ制御部５４の処理周期５０［μＳ］よりも長い処理周期１０［ｍｓ］でバッテリ２４（２４Ａ）と、燃料電池２２（２２Ａ）の電力配分を決定して電圧指令値Ｖｃｏｍを演算し、演算した電圧指令値Ｖｃｏｍをコンバータ制御部５４に送る統括制御部５６が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６が時点ｔ２（ｔ２２）で直結状態になっても、電圧指令値Ｖｃｏｍの演算を継続するようにしているので、統括制御部５６及びコンバータ制御部５４の負担を軽減することができる。

なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、例えば、図１１の他の実施形態（ハイブリッド直流電源システム１０Ａ、燃料電池車両２０Ａ）に示すように、燃料電池２２Ａの発電電圧Ｖｆ（１次電圧Ｖ１）がバッテリ２４Ａのバッテリ電圧Ｖｂａｔ（２次電圧Ｖ２）より低い電圧を発生する場合（Ｖｆ＜Ｖｂａｔ）の燃料電池車両２０Ａでも同様に適用することができる。また、単相アームＵＡのＤＣ／ＤＣコンバータ３６ではなく、３相アームのＤＣ／ＤＣコンバータを有するハイブリッド直流電源を備える燃料電池車両に適用する等、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

この発明の一実施形態（２次電圧制御）に係る燃料電池車両の回路図である。 燃料電池の電流電圧特性の説明図である。 ２次電圧制御モードにおけるコンバータ制御部の機能ブロック図である。 コンバータ制御部により駆動制御されるＤＣ／ＤＣコンバータの基本動作及び実施例の動作の説明に供されるフローチャートである。 実施例の２次電圧制御モードの動作説明に供される波形図である。 実施例の２次電圧制御モードの動作説明に供されるフローチャートである。 比較例の２次電圧制御モードの動作説明に供される波形図である。 実施例の１次電圧制御モードの動作説明に供される波形図である。 実施例の１次電圧制御モードの動作説明に供される波形図である。 比較例の１次電圧制御モードの動作説明に供される波形図である。 この発明の他の実施形態（１次電圧制御）に係る燃料電池車両の回路図である。 従来技術に係るハイブリッド直流電源車両の回路図である。 この発明の前提となるＤＣ／ＤＣコンバータを有するハイブリッド直流電源車両の回路想像図である。

符号の説明

１０、１０Ａ…ハイブリッド直流電源システム
２０、２０Ａ…燃料電池車両 ２２、２２Ａ…燃料電池
２３…ＤＣ／ＤＣコンバータ装置（ＶＣＵ）
２４、２４Ａ…蓄電装置（バッテリ） ２６…モータ
３４…インバータ ３６…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５４…コンバータ制御部 ５６…統括制御部

Claims (8)

1. 第１出力電圧を発生する第１直流電源装置と、
   前記第１出力電圧より高い第２出力電圧を発生する第２直流電源装置と、
   前記第１直流電源装置と前記第２直流電源装置との間に配置され、電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   外部からの電圧指令値を、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧制御目標値に設定し、前記第１直流電源装置と前記第２直流電源装置との間での前記電圧変換を制御するコンバータ制御部と、を備え、
   前記コンバータ制御部は、
   前記電圧指令値が、前記第１直流電源装置と前記第２直流電源装置とを直結状態にする指令値の場合は、前記電圧指令値を無視し、直結電圧を前記電圧制御目標値に設定して制御する
   ことを特徴とするハイブリッド直流電源システム。
2. 請求項１記載のハイブリッド直流電源システムにおいて、
   前記コンバータ制御部は、
   前記直結電圧を前記直結状態における前記第１出力電圧の測定値とする
   ことを特徴とするハイブリッド直流電源システム。
3. 請求項１記載のハイブリッド直流電源システムにおいて、
   前記コンバータ制御部は、
   前記直結電圧を前記直結状態における前記第２出力電圧の測定値とする
   ことを特徴とするハイブリッド直流電源システム。
4. 請求項２又は３に記載のハイブリッド直流電源システムにおいて、
   前記コンバータ制御部は、
   前記電圧制御目標値に設定する前記直結電圧を、前記測定値に該測定値に含まれる誤差分を減算した値とする
   ことを特徴とするハイブリッド直流電源システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッド直流電源システムにおいて、
   さらに、前記コンバータ制御部の処理周期よりも長い周期で前記第１直流電源装置と前記第２直流電源装置の電力配分を決定して前記電圧指令値を演算し、演算した前記電圧指令値を前記制御部に送る上位制御部を有し、
   前記上位制御部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが直結状態になっても、前記電圧指令値の演算を継続する
   ことを特徴とするハイブリッド直流電源システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のハイブリッド直流電源システムにおいて、
   前記第１直流電源装置が蓄電装置とされ、前記第２直流電源装置が燃料電池とされた
   ことを特徴とするハイブリッド直流電源システム。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のハイブリッド直流電源システムにおいて、
   前記第１直流電源装置が燃料電池とされ、前記第２直流電源装置が蓄電装置とされた
   ことを特徴とするハイブリッド直流電源システム。
8. 請求項６又は７記載のハイブリッド直流電源システムにより、インバータ駆動のモータが駆動される
   ことを特徴とする燃料電池車両。

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