JP5048544B2 - 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、車両走行用のモータ（電動機）をバッテリにより駆動する電気自動車が提案されている（特許文献１）。

この電気自動車では、バッテリの出力端にヒューズが設けられ、過電流が発生したときに直ちに溶断してバッテリから過大な電流が流れ出ることを防止し、バッテリを保護している。

特開平９−２８４９０２号公報

しかしながら、ヒューズが溶断した場合、ヒューズを交換するまでバッテリから電力をモータに供給することができなくなり、その結果、電気自動車を走行させることができなくなるという問題がある。

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、第１直流電源装置（バッテリ）に設けられたヒューズの過電流による溶断をできるだけ防止しながら第１直流電源装置を保護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。

また、この発明は、負荷と第２直流電源装置との接続点と第１直流電源装置との間に流れる通過電流を検出する電流センサの異常を検出したときに、ＤＣ／ＤＣコンバータを的確に制御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、負荷に接続され、第２出力電圧を発生する第２直流電源装置と、一方側が前記第１直流電源装置に接続され、他方側が前記負荷と前記第２直流電源装置の接続点に接続され、前記第２出力電圧を制御する第２出力電圧制御モードと、前記第１直流電源装置と前記接続点との間に流れる通過電流を制限する電流制限モードとを備えるＤＣ／ＤＣコンバータと、通過電流を検出する電流センサと、検出した前記通過電流に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを前記第２出力電圧制御モード又は前記電流制限モードで動作させるとともに前記電流センサの異常を検出する制御部とを備え、以下の特徴（１）〜（４）を有する。

（１）前記制御部は、前記通過電流が第１閾値まで大きくなったとき、前記第２出力電圧制御モードから前記電流制限モードに移行させ、前記電流センサにより検出される前記通過電流の検出値が増加する場合、前記電流センサの異常であると判断し、移行させた前記電流制限モードから前記第２出力電圧制御モードに復帰させることを特徴とする。

この発明によれば、第１直流電源装置の出力点からＤＣ／ＤＣコンバータを介し第２直流電源装置の接続点までの間に存在するいずれかの電流経路を通過する通過電流がその電流経路を通過する通過電流に応じた第１閾値まで大きくなったとき、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御モードを第２出力電圧制御モードから電流制限モードに移行させるようにしているので、過電流によるヒューズの溶断を防止することができる。

例えば、ヒューズが第１直流電源装置の出力点に挿入されているとき、第１直流電源装置から流れ出す又は流れ込む電流の過電流閾値に対応して、予め、前記各電流経路を通過する電流の閾値を求めて記憶装置（メモリ）に第１閾値として記憶しておき、記憶した第１閾値と実測値とを比較するように構成すればよい。

また、第１直流電源装置の出力点が短絡されたときにはヒューズが溶断する。

この発明によれば、電流センサの異常を検出したとき、既に移行している電流制限モードから第２出力電圧制御モードに復帰させるようにしているので、電流センサの異常を原因として通過電流が制限されることを防止できる。換言すれば、電流センサの異常を検出したとき、通常モードで制御することができる。

（２）上記特徴（１）を有する発明において、前記制御部は、前記電流センサによる通過電流の検出値が前記第１閾値より大きい値に設定した第２閾値を上回ったとき、前記電流センサが異常であると検出するように構成すると、すなわち、電流制限モード中に電流センサにより検出される検出値が増加する場合には電流センサが異常であると判断することにより、電流センサの異常を簡易な構成（ハードウエアの追加のない構成）で検出することができる。

（３）上記特徴（１）又は（２）を有する発明において、前記電流センサの異常を検出して前記電流制限モードから前記第２出力電圧制御モードに復帰した後、前記電流制限モードに移行することを禁止することで、負荷を好適に駆動することができる。

（４）上記特徴（１）〜（３）のいずれかを有する発明において、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。

この発明によれば、負荷として直流負荷、及びインバータを利用した交流負荷を取り扱うことができる。

（５）上記特徴（４）を有するハイブリッド直流電源システムの前記負荷がインバータ駆動のモータとされたことを特徴とする燃料電池車両。

この発明によれば、ヒューズの溶断を防止し、かつ電流センサの異常を原因として通過電流を制限してしまう不都合を防止することができる。

以下、この発明に係るハイブリッド直流電源システムが適用された一実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示すこの実施形態に係る燃料電池車両２０は、基本的には、第２直流電源装置としての燃料電池２２と第１直流電源装置としてのエネルギストレージである蓄電装置（バッテリという。）２４とから構成されるハイブリッド型の電源システム（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から電流（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と、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とから構成される。

ＶＣＵ２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６と、これを構成するスイッチング素子を駆動制御する制御部としてのコンバータ制御部５４とから構成される。

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に供給される。燃料電池２２は、また、第２出力電圧としての発電電圧Ｖｆを発生する。

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、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、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。

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。

バッテリ２４の出力点には直列にバッテリ短絡保護用のヒューズ２５が挿入されている。

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の総負荷要求量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、及び車速センサ６８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（不図示）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。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、バッテリ２４（第１直流電源装置）が配置される１次側１Ｓと、負荷であるモータ２６を駆動するインバータ３４と燃料電池２２との接続点である２次側２Ｓ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。ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の昇降圧動作時には、１スイッチング周期、この実施形態では、略５０［μＳ］の間に、デッドタイムを挟んで駆動信号ＵＨと駆動信号ＵＬとが交互に出力される、いわゆる同期スイッチング動作が遂行される。

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としている。

上述したように、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のデューティが連続的に１００［％］にされ、２次側２Ｓから１次側１Ｓへ電流が流れる場合には上アームスイッチング素子８１を通じて電流が流れ、１次側１Ｓから２次側２Ｓへ電流が流れる場合にはダイオード８３を通じて電流が流れる。なお、直結状態において、下アームスイッチング素子８２のデューティは連続的に０［％］にされ、下アームスイッチング素子８２がオフにされる。

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は二次電圧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目標電圧（目標値）に設定される（２次電圧制御モードという。）。結果として、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。

ただし、バッテリ２４から流れ出すバッテリ電流Ｉｂａｔ（放電電流）が電流流出制限値（第１閾値）Ｉｔｈｏを上回る値となったとき、又はバッテリ２４に流れ込む電流Ｉｂａｔ（充電電流）が電流流入制限値（第１閾値）Ｉｔｈｉを上回る値となったときには、バッテリ２４の劣化を防止すること、ヒューズ２５の溶断を防止すること、並びにリアクトル９０の飽和を防止することのために、通常の２次電圧Ｖ２を目標電圧とする２次電圧制御モードから、１次電流Ｉ１（バッテリ電流Ｉ１）を電流流出制限値Ｉｔｈｏ又は電流流入制限値Ｉｔｈｉに制限する１次電流Ｉ１、具体的には、電流流出制限値Ｉｔｈｏ又は電流流入制限値Ｉｔｈｉを目標電流とする１次電流制限モードに切り替わる。なお、電圧センサ６１の検出電圧によりバッテリ２４が短絡されたことをコンバータ制御部５４が検出したときには、１次電流Ｉ１を目標電流とする制御は行わないのでヒューズ２５が溶断し、バッテリ２４を保護する。

図３は、２次電圧制御モードと１次電流制限モードとが切替可能に構成されたコンバータ制御部５４の機能ブロック図を示す。

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２０１の接点２０３に供給されるとともに、演算点１４４（比作成器）に除算信号（除数信号）として供給される。

セレクタ２０１の接点２０４には、切替制御部１３２からバッテリ２４に対する電流制限値Ｉｔｈ（電流流出制限値Ｉｔｈｏ又は電流流入制限値Ｉｔｈｉ）が供給される。

セレクタ２０１の可動接点２０２からの出力は、演算点１４２（減算器）に加算信号（被減数信号）として供給される。

セレクタ２１１の接点２１３には、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１０２及びＡ／Ｄ変換器１２２を通じて供給される。

セレクタ２１１の接点２１４には、電流センサ６２で検出された１次電流Ｉ１（測定値、実測値）がポート１０３及びＡ／Ｄ変換器１３１を通じて供給される。検出された１次電流Ｉ１は、切替制御部１３２にも供給される。

セレクタ２１１の可動接点２１２からの出力は、演算点１４２（減算器）に減算信号（減数信号）として供給される。

演算点１４２から出力される偏差ｅ｛ｅ＝（Ｖ２ｃｏｍ−Ｖ２）：可動接点２０２と接点２０３の接続時｝又は偏差ｅ｛ｅ＝（Ｉｔｈ−Ｉ１）｝：可動接点２０２と接点２０４の接続時｝は、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１４６（加算器）の一方の入力に加算信号として供給するとともに、セレクタ２２１の接点２２４に供給する。この場合、演算点１４６に供給される補正デューティΔＤは、偏差ｅ＝Ｖ２ｃｏｍ−Ｖ２に関するものであり、接点２２４に供給される補正デューティΔＤは、偏差ｅ＝Ｉｔｈ−Ｉ１に関するものである。

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１０４及びＡ／Ｄ変換器１２１を通じて演算点１４４（比作成器）に乗算信号（被除数信号）として供給される。

演算点１４４の出力である基準デューティＤｓ（Ｄｓ＝Ｖ１／Ｖ２ｃｏｍ）が演算点１４６の他方の入力に加算信号として供給され、演算点の出力である駆動デューティＤ（Ｄ＝Ｄｓ＋ΔＤ）が接点２２３に供給される。

ＰＷＭ（パルス幅変調）処理部１３６には、セレクタ２２１の可動接点２２２から、２次電圧制御モードでは、基準デューティ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／Ｖ２ｃｏｍ＋ΔＤ）が供給され、１次電流制限モードでは、補正デューティΔＤが駆動デューティＤとして供給される。

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／Ｖ２ｃｏｍ＋ΔＤ）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／Ｖ２ｃｏｍ＋ΔＤ）｝の駆動信号ＵＬを供給する。

切替制御部１３２は、電流センサ６２から供給される１次電流Ｉ１の電流値を検出し、検出した１次電流Ｉ１の電流値に応じてセレクタ２０１、２１１、２２１の可動接点２０２、２１２、２２２を切替制御信号Ｓｅｌにより切り替えるとともに、接点２０４に電流制限値Ｉｔｈ（電流流出制限値Ｉｔｈｏ又は電流流入制限値Ｉｔｈｉ）を設定する。

図４は、電流制限値Ｉｔｈを設定する際に参照される切替制御部１３２の制御モード切替表（制御マップ）２５０を示している。バッテリ電流Ｉｂａｔである１次電流Ｉ１が放電側での電流流出制限値Ｉｔｈｏ以内又は充電側での電流流入制限値Ｉｔｈｉ以内である場合、及び１次電流Ｉ１が放電側での電流流出異常値Ｉｔｈｏｅ（第２閾値）以上又は充電側での電流流入異常値Ｉｔｈｉｅ（第２閾値）以上である場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を２次電圧制御モードで動作させるために、セレクタ２０１、２１１、２２１の可動接点２０２、２１２、２２２を切替制御信号Ｓｅｌにより接点２０３、２１３、２２３側に切り替える。

また、バッテリ電流Ｉｂａｔである１次電流Ｉ１が放電側での電流流出制限値Ｉｔｈｏを上回り電流流出異常値Ｉｔｈｏｅを下回る範囲、又は充電側での電流流入制限値Ｉｔｈｉを上回り電流流入異常値Ｉｔｈｉｅを下回る範囲の場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を１次電流制限モードで動作させるために、セレクタ２０１、２１１、２２１の可動接点２０２、２１２、２２２を切替制御信号Ｓｅｌにより接点２０４、２１４、２２４側に切り替える。

なお、理解の便宜のために、電流流出異常値Ｉｔｈｏｅと、電流流入異常値Ｉｔｈｉｅとを併せて電流異常値（電流過大値）Ｉｔｈｅという。

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による２次電圧制御モード及び１次電流制限モードの切替動作について図５、図６のフローチャート及び図７、図８の波形図を用いて説明する。

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、及び図示しない補機の状態の他、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。

すなわち、図５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の指令電圧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７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の駆動デューティＤ（駆動信号ＵＨ、ＵＬのオンデューティＤＨ、ＤＬ）を制御する。

ステップＳ１４でのコンバータ制御部５４の動作について、図６のフローチャートに基づき説明する。

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からポート１０１を通じて２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを受信したとき、ステップＳ１４ａにおいて、切替制御部１３２は、電流センサ６２が接続されるポート１０３からＡ／Ｄ変換器１３１を通じて１次電流Ｉ１を取り込む（検出する）。

次いで、ステップＳ１４ｂにおいて、検出した１次電流Ｉ１の大きさと１次電流制限値Ｉｔｈとを比較し、１次電流Ｉ１が１次電流制限値Ｉｔｈより小さい場合（｜Ｉ１｜＜｜Ｉｔｈ｜、ステップＳ１４ｂ：ＮＯ）、すなわち、図４の制御モード切替表２５０において、１次電流Ｉ１が電流流入制限値Ｉｔｈｉと電流流出制限値Ｉｔｈｏとの範囲内にある場合には、バッテリ２４に流入出するバッテリ電流Ｉｂａｔを制限する必要がないので、ステップＳ１４ｃにおいて、通常の２次電圧制御モードによりＤＣ／ＤＣコンバータ３６を動作させる。この２次電圧制御モードでは、図３に示すコンバータ制御部５４の各セレクタ２０１、２１１、２２１は、可動接点２０２、２１２、２２２が、それぞれ接点２０３、２１３、２２３に接続される（図示の位置）。

このとき、ステップＳ１４ｃにおいて、２次電圧指令値Ｖｃｏｍ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に加算された駆動デューティＤに基づき、ＰＷＭ処理部１３６は、駆動デューティＤＨ（ＤＨ≒Ｖ１／Ｖ２ｃｏｍ）、ＤＬ（ＤＬ≒１−Ｖ１／Ｖ２ｃｏｍ）を計算して駆動信号ＵＨ、ＵＬを１スイッチング周期（上記処理周期５０［μＳ］）の中で、デッドタイム（上下スイッチング素子８１、８２が同時オンして短絡しないことを保証する時間）を挟んで順番に上アームスイッチング素子８１、下アームスイッチング素子８２に出力することで、２次電圧Ｖ２が２次電圧指令値Ｖｃｏｍに等しい値に制御される。

その一方、時点ｔ２近傍に示すように、ステップＳ１４ｂにおいて、１次電流Ｉ１が１次電流制限値Ｉｔｈより大きい場合には（｜Ｉ１｜≧｜Ｉｔｈ｜）、ステップＳ１４ｄにおいて、さらに、１次電流Ｉ１が１次電流異常値Ｉｔｈｅより小さいかどうかを判断し、小さい場合には（｜Ｉｔｈ｜≦｜Ｉ１｜＜｜Ｉｔｈｅ｜）には、ステップＳ１４ｅにおいて、２次電圧制御モードから変更した１次電流制限モードでＤＣ／ＤＣコンバータ３６を動作させる（制御する）。この１次電流制限モードでは、図３に示すコンバータ制御部５４の各セレクタ２０１、２１１、２２１は、可動接点２０２、２１２、２２２が、それぞれ接点２０４、２１４、２２４側に切り替えられる。

すなわち、１次電流制限モードでは、セレクタ２０１、２２１が切り替えられることから２次電圧指令値Ｖｃｏｍは無視され（に拘わらず）、ＰＩＤ処理部１３５の入力側の演算点１４２の被減数側には、切替制御部１３２から１次電流制限値Ｉｔｈ（充電時は電流流入制限値Ｉｔｈｉ、放電時は電流流出制限値Ｉｔｈｏ、図７例では、充電時の電流流入制限値Ｉｔｈｉ）が供給され、減数側には１次電流Ｉ１が供給されるので、ＰＩＤ処理部１３５には、偏差ｅとしてｅ＝Ｉｔｈ−Ｉ１がＰＩＤ処理部１３５に供給される。この偏差ｅがゼロ値となるような補正デューティΔＤが発生され、この補正デューティΔＤが駆動デューティＤとしてＰＷＭ処理部１３６に供給される。

このように、１次電流制限モード中は、２次電圧制御モードによる２次電圧指令値Ｖｃｏｍへの追従制御はあきらめ、１次電流制限値Ｉｔｈを目標とする電流フィードバック制御を行う。

この場合、ＰＷＭ処理部１３６は、時点ｔ３等に示すように、燃料電池２２からの発電電流Ｉｆの取り出しを制限するために、２次電圧Ｖ２が２次電圧指令値Ｖｃｏｍに対し高くなるように駆動デューティＵＨ、ＵＬを調整する。

また、時点ｔ４近傍において、再びステップＳ１４ｂの判断が成立した場合には、ステップＳ１４ｃでの２次電圧制御モードに復帰する。

図７は、１次電流Ｉ１を検出する電流センサ６２が正常時の動作波形図を示している。

その一方、電流センサ６２の異常時には、図８の時点ｔ１２に示すように、ステップＳ１４ｂの判断で｜Ｉ１｜＞｜Ｉｔｈ｜が成立し（ステップＳ１４ｂ：ＹＥＳ）、ステップＳ１４ｄの判断が成立しないで（｜Ｉ１｜＜｜Ｉｔｈｅ｜、ステップＳ１４ｄ：ＮＯ）、ステップＳ１４ｅにより、一旦、１次電流制限モードに動作させたにも拘わらず、時点ｔ１３近傍に示すように、検出された１次電流Ｉ１が、１次電流制限値Ｉｔｈを大きく上回る電流流入異常値（１次電流異常値）Ｉｔｈｉｅ（Ｉｔｈｅ）まで大きな値（｜Ｉ１｜＞｜Ｉｔｈｅ｜、ステップＳ１４ｄ：ＹＥＳ）となった場合、換言すれば、１次電流制限モード中に電流センサ６２で検出される１次電流Ｉ１がさらに増加した場合、電流センサ６２が異常であると判断し、ステップＳ１４ｆで警告（電流センサ６２が異常であることの警告）を発した後、１次電流制限モードを解除し、再び、ステップＳ１４ｃでの２次電圧制御モードに復帰してコンバータ制御部５４はＤＣ／ＤＣコンバータ３６を動作させる。なお、図８中、１次電流Ｉ１の実際の値を実１次電流Ｉ１ａｃｔとして太い点線で示している。

以上説明したように、上述した実施形態によれば、１次電圧Ｖ１（第１出力電圧）を発生するバッテリ２４（第１直流電源装置）と、インバータ３４駆動のモータ２６（負荷）に接続され、発電電圧Ｖｆである２次電圧Ｖ２（第２出力電圧）を発生する燃料電池２２（第２直流電源装置）と、一方側がバッテリ２４に接続され、他方側がモータ２６に接続されるインバータ３４の入力側と燃料電池２２の接続点である２次側２Ｓに接続され、２次電圧Ｖ２（第２出力電圧）を制御する２次電圧制御モード（第２出力電圧制御モード）と、バッテリ２４と２次側２Ｓとの間に流れる１次電流Ｉ１（通過電流）を制限する１次電流制限モード（電流制限モード）とを備えるＤＣ／ＤＣコンバータ３６と、１次電流Ｉ１（通過電流）を検出する電流センサ６２と、１次電流Ｉ１に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ３６を２次電圧制御モード又は１次電流制限モードで動作させるとともに電流センサＩ１の異常を検出するコンバータ制御部５４（切替制御部１３２）とを備える。

コンバータ制御部５４は、１次電流Ｉ１が電流制限値Ｉｔｈ（第１閾値）まで大きくなったとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を２次電圧制御モードから１次電流制限モードに移行して制御し、移行後に、１次電流Ｉ１をフィードバック制御により制限しているのにも拘わらず、さらに１次電流Ｉ１が増加することを検出した場合には、電流センサ６２が異常であるとみなし、移行した１次電流制限モードから２次電圧制御モードに復帰させる。

このように制御することで、電流センサ６２の異常を原因として１次電流Ｉ１が制限されてしまうという不都合を防止し、通常の２次電圧制御モードにより燃料電池車両２０を制御することができる。

実際上、コンバータ制御部５４は、電流センサ６２による１次電流Ｉ１の検出値が電流制限値Ｉｔｈ（第１閾値）より大きい値に設定した電流異常値Ｉｔｈｅ（第２閾値）を上回ったとき、電流センサ６２が異常であると検出するように構成しているので、電流センサ６２の異常を簡易な構成（ハードウエアの追加のない構成）で検出することができる。

そして、電流センサ６２の異常を検出して１次電流制限モードから２次電圧制御モードに復帰した後、１次電流制限モードに移行することを禁止するようにしているので、モータ２６を好適に駆動することができる。

なお、上述した実施形態では、バッテリ電流Ｉｂａｔである１次電流Ｉ１を検出対象としているが、検出対象は、バッテリ電流Ｉｂａｔ（１次電流Ｉ１）を直接検出する必要はなく、バッテリ２４の出力点から２次側２Ｓまでの間に存在するいずれかの電流経路（電流岐路）を通過する通過電流に代替することが可能であり、この通過電流が所定の閾値（第１閾値）まで大きくなったとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の制御モードを２次電圧制御モードから前記通過電流を制限する電流制限モードに移行させるようにすることで過電流によるヒューズ２５の溶断を防止することができる。また、電流制限モード中にさらに通過電流が前記所定の閾値より大きい異常値（第２閾値）となった場合には、通過電流を測定する電流センサが異常であるとみなして、電流制限モードから２次電流制御モードに復帰させればよい。

例えば、ヒューズ２５がバッテリ２４の出力点に挿入されているので、バッテリ２４から流れ出す又は流れ込む１次電流Ｉ１の電流制限値Ｉｔｈ（過電流閾値）に対応して、予め、検出対象とする前記各電流経路を通過する電流値を第１閾値として記憶装置（メモリ）に記憶しておき、記憶した第１閾値と当該電流経路に挿入された電流センサによる実測値とを比較するように構成すればよい。同様に、第２閾値を決定することができる。

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、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。 コンバータ制御部の機能ブロック図である。 コンバータ制御部を構成する切替制御部が備える制御モード切替表の説明図である。 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についての説明に供されるフローチャートである。 コンバータ制御部による２次電圧制御モードと１次電流制限モードの切替動作を説明するフローチャートである。 電流センサが正常時の動作説明に供される波形図である。 電流センサが異常時の動作説明に供される波形図である。

符号の説明

１０…ハイブリット直流電源システム ２０…燃料電池車両
２２…燃料電池 ２３…ＤＣ／ＤＣコンバータ装置（ＶＣＵ）
２４…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 １３２…切替制御部
２５０…制御モード切替表

Claims (5)

1. 第１出力電圧を発生する第１直流電源装置と、
   負荷に接続され、第２出力電圧を発生する第２直流電源装置と、
   一方側が前記第１直流電源装置に接続され、他方側が前記負荷と前記第２直流電源装置の接続点に接続され、前記第２出力電圧を制御する第２出力電圧制御モードと、前記第１直流電源装置と前記接続点との間に流れる通過電流を制限する電流制限モードとを備えるＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記通過電流を検出する電流センサと、
   検出した前記通過電流に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを前記第２出力電圧制御モード又は前記電流制限モードで動作させるとともに前記電流センサの異常を検出する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記通過電流が第１閾値まで大きくなったとき、前記第２出力電圧制御モードから前記電流制限モードに移行させ、前記電流センサにより検出される前記通過電流の検出値が増加する場合、前記電流センサの異常であると判断し、移行させた前記電流制限モードから前記第２出力電圧制御モードに復帰させる
   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、
   前記制御部は、
   前記電流センサによる通過電流の検出値が前記第１閾値より大きい値に設定した第２閾値を上回ったとき、前記電流センサが異常であると検出する
   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又は２記載のハイブリッド直流電源システムにおいて、
   前記電流センサの異常を検出して前記電流制限モードから前記第２出力電圧制御モードに復帰した後、前記電流制限モードに移行することを禁止する
   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１〜３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。
5. 請求項４記載のハイブリッド直流電源システムの前記負荷が、インバータ駆動のモータとされた
   ことを特徴とする燃料電池車両。

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