JP5207055B2

JP5207055B2 - コンバータ制御装置

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Publication number: JP5207055B2
Application number: JP2008296319A
Authority: JP
Inventors: 晃太真鍋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: JP2010124615A

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（例えば、下記特許文献１参照）。

図８は、自動車に搭載されたハイブリッド型の燃料電池システム（以下、ＦＣＨＶシステム）を例示した図である。ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とバッテリ１２０が負荷１３０に対して並列に接続されるとともに、負荷１３０には燃料電池１１０またはバッテリ１２０から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ１４０が接続されている。また、燃料電池１１０とインバータ１３０との間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＦＣコンバータ）１５０は、燃料電池１１０の端子電圧（出力電圧）Ｖｆｃを制御するとともに、インバータ１４０の入力電圧Ｖｉｎを制御する。

コントローラ１６０は、アクセルセンサなどのセンサ群１７０から供給される検出信号（例えばアクセル開度を示す検出信号など）をもとに、負荷１３０の要求電力を算出するとともに、算出した要求電力に基づいてインバータ１４０を制御することにより、要求電力に相当する電力がインバータ１４０を介して負荷１３０に供給される。

特開２０００−１２０５９号公報

上記ＦＣＨＶシステム１００において、コントローラ１６０は負荷１３０の要求電力を算出すると、まず、燃料電池１１０の運転状態を把握し、把握結果に基づき当該時点での燃料電池１１０の電流−電圧特性（以下、ＩＶ特性）を推定する。周知のように、燃料電池１１０のＩＶ特性は、燃料電池１１０に対する反応ガス（例えば、酸化ガスや燃料ガス）の供給量や環境（例えば、外気温度）などに応じて変動するため、これらのパラメータを考慮して燃料電池１１０のＩＶ特性を推定し、例えば図９に示すような推定ＩＶ特性カーブＣを得る。そして、コントローラ１６０は、推定ＩＶ特性カーブＣを利用して要求電力に応じた目標運転動作点（Ｉｒｅf，Ｖｒｅｆ）を導出した後、燃料電池１１０の運転動作点（Ｉ１，Ｖ１）が目標運転動作点（Ｉｒｅf，Ｖｒｅｆ）に近づくように、ＦＣコンバータ１５０などを制御する（図９参照）。

このように、従来のＦＣＨＶシステム１００においては、いったん燃料電池のＩＶ特性を推定してから、燃料電池の出力（すなわち、運転動作点）を制御する必要があり、制御ロジックが複雑になるという問題や、燃料電池のＩＶ特性の推定精度が低い場合には、要求電力を満たすのに十分な電力が燃料電池から得られないという問題があった。

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、燃料電池の出力を簡易かつ精度良く制御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コンバータと、前記燃料電池の出力電力指令値を入力する入力手段と、前記燃料電池の出力電圧を測定し、出力電圧測定値を出力する第１測定手段と、前記燃料電池の出力電力を測定し、出力電力測定値を出力する第２測定手段と、前記出力電力指令値と前記出力電圧測定値から前記燃料電池の出力電流指令値を生成する生成手段と、前記出力電力指令値と前記出力電力測定値の電力偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づき燃料電池の出力電流指令値の補正量を演算する第１演算手段と、生成された前記出力電流指令値に前記出力電流指令値の補正量を加算し、修正出力電流指令値として出力する第１加算手段と、前記修正出力電流指令値に基づき前記コンバータに設定するデューティー比を制御するデューティー比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、従来技術の如くＩＶ特性を推定することなしに、燃料電池の出力電力測定値や出力電圧をもとに燃料電池の出力を直接制御することができる。よって、ＩＶ特性を推定して燃料電池の出力を制御していた従来と比較して、精度良くかつ簡易に制御することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記コンバータは、複数相にて構成されるコンバータであって、
前記デューティー比制御手段は、前記修正電流指令値に基づき各相の目標リアクトル電流値を導出する相電流分配手段と、各相のリアクトル電流を測定し、相毎のリアクトル電流測定値を出力する第３測定手段と、各相の前記目標リアクトル電流値と前記リアクトル電流測定値との電流偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づいて各相の基本デューティー比の補正量を演算する第２演算手段と、各相の基本デューティー比に前記基本デューティー比の補正量を加算し、各相の修正デューティー比を出力する第２加算手段とを具備する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記コンバータを構成する各相の駆動状態を検知する検知手段と、前記コンバータの各相に設定する基本デューティー比であって、連続したリアクトル電流が流れる連続モードの基本デューティー比と、不連続なリアクトル電流が流れる不連続モード時の基本デューティー比を記憶する記憶手段と、前記検知手段によっていずれかの相が停止状態から起動状態に移行することが検知されたとき、当該相に対して不連続モード時の基本デューティー比を設定する設定手段とをさらに具備する態様がさらに好ましい。

また、上記構成にあっては、前記相電流分配手段は、前記燃料電池の運転状況に基づいて当該コンバータの変換効率を最大化する駆動相数を求め、前記修正電流指令値を前記駆動相数で除することにより、前記各相の目標リアクトル電流値を導出する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記各相の基本デューティー比は、当該基本デューティー比をＤｓ、前記燃料電池と負荷との間に接続されるインバータの入力電圧をＶＨ、前記燃料電池の出力電圧をＶＬとした場合、下記式を満たす態様が好ましい。
Ｄｓ＝（ＶＨ−ＶＬ）／ＶＨ

また、本発明に係る別のコンバータ制御装置は、燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、前記燃料電池の出力電力指令値を入力する第１入力手段と、前記燃料電池の出力電圧を測定し、出力電圧測定値を出力する第１測定手段と、前記燃料電池の出力電圧指令値を入力する第２入力手段と、前記出力電力指令値と前記出力電圧測定値から前記燃料電池の出力電流指令値を生成する生成手段と、前記出力電圧指令値と前記出力電圧測定値の電圧偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づき燃料電池の出力電流指令値の補正量を演算する第３演算手段と、生成された前記出力電流指令値に前記出力電流指令値の補正量を加算し、修正出力電流指令値として出力する第１加算手段と、前記修正出力電流指令値に基づき前記コンバータに設定するデューティー比を制御するデューティー比制御手段とを具備することを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る別のコンバータ制御装置は、燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、前記燃料電池の出力電力指令値を入力する第１入力手段と、前記燃料電池の出力電圧を測定し、出力電圧測定値を出力する第１測定手段と、前記燃料電池の出力電力を測定し、出力電力測定値を出力する第２測定手段と、前記燃料電池の上限電圧閾値を入力する第２入力手段と、前記出力電力指令値と前記出力電圧測定値から前記燃料電池の出力電流指令値を生成する生成手段と、前記出力電力指令値と前記出力電力測定値の電力偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づき燃料電池の出力電流指令値の補正量を演算する第１演算手段と、前記上限電圧閾値と前記出力電圧測定値の電圧偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づき燃料電池の出力電流指令値の補正量を演算する第３演算手段と、生成された前記出力電流指令値に、前記第１演算手段による前記出力電流指令値の補正量または前記第３演算手段による前記出力電流指令値の補正量のいずれかを加算し、修正出力電流指令値として出力する第１加算手段と、前記修正出力電流指令値に基づき前記コンバータに設定するデューティー比を制御するデューティー比制御手段と、前記上限電圧閾値と前記出力電圧測定値とを比較し、比較結果に基づき、前記第１演算手段による出力電流指令値の補正量を前記第１加算手段に出力するか、前記第３演算手段による出力電流指令値の補正量を前記第１加算手段に出力するかを切り換える切換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、燃料電池の出力を簡易かつ精度良く制御することが可能となる。

Ａ．第１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は第１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。また、説明の理解を容易にするために、図８に対応する部分については同一符号を付している。

（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１８０が設けられている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。また、ＦＣコンバータ１５０は、昇圧コンバータ（図２参照）であって、ソフトスイッチによって駆動されるコンバータであっても良い。ここで、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。

図２は、ＦＣコンバータ１５０の１相分の回路を抜き出した負荷駆動回路の構成図である。なお、以下の説明では、ＦＣコンバータ１５０に入力される昇圧前の電圧を入力電圧Ｖｉｎと呼び、ＦＣコンバータ１５０から出力される昇圧後の電圧を出力電圧Ｖｏｕｔと呼ぶ。

図２に示すように、ＦＣコンバータ１５０（１相分）は、リアクトルＬ１と、整流用のダイオードＤ１と、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などからなるスイッチング素子ＳＷ１とを備えている。リアクトルＬ１は、その一端が燃料電池１１０の出力端（図示略）に接続され、他端がスイッチング素子ＳＷ１のコレクタに接続されている。ここで、リアクトルＬ１に流れる電流は、各相のリアクトル電流を検知する電流センサＩ１〜Ｉ３（図１参照）によって検知される。スイッチング素子ＳＷ１は、インバータ１４０の電源ラインとアースラインの間に接続されている。具体的には、スイッチング素子ＳＷ１のコレクタが電源ラインに接続され、エミッタがアースラインに接続されている。かかる構成において、まず、スイッチＳＷ１をＯＮにすると、燃料電池１１０→インダクタＬ１→スイッチＳＷ１へと電流が流れ、このときインダクタＬ１が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。

続いてスイッチＳＷ１をＯＦＦにすると、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧が燃料電池１１０のＦＣ電圧（入力電圧Ｖｉｎ）に重畳され、入力電圧Ｖｉｎよりも高い作動電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）がインダクタＬ１から出力されるとともに、ダイオードＤ１を介して出力電流が出力される。コントローラ１６０は、このスイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦのデューティー比（後述）を適宜変更することで、所望の出力電圧Ｖｏｕｔを得る。なお、当該ＦＣコンバータ１５０の入力電流（すなわち、燃料電池１１０の出力電流）は、電流センサＩ０（図１参照）により検知され、ＦＣコンバータ１５０の入力電圧（すなわち、燃料電池１１０の出力電圧）は、電圧センサＶ０（図１参照）により検知される。

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。バッテリ１３０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Ｖｏｕｔ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の回路構成は、上記に限る趣旨ではなく、インバータ１４０の入力電圧Ｖｏｕｔ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と総称する。

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。ここで、本実施形態は、コントローラ１６０による燃料電池１１０の出力制御方法に特徴がある。以下、図３を参照しながら、燃料電池１１０の出力制御ロジックについて説明する。

図３はコントローラ１６０などによって実現される燃料電池１１０の出力制御機能を示すブロック図である。上述したように、本実施形態では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のＦＣコンバータ１５０を用いて燃料電池１１０の出力を制御する場合を想定する。

ＦＣ要求電力入力手段（入力手段、第１入力手段）２１０は、負荷１３０の要求電力に基づき、燃料電池１１０に対する要求電力指令値（以下、ＦＣ要求電力指令値）Ｐｒｅｑを導出し、これを指令電流演算手段２４０に出力する。
ＦＣ電圧入力手段２２０は、電圧センサ（第１測定手段）Ｖ０によって検出される燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを入力し、これを指令電流演算手段２４０、偏差演算手段２５０に出力する。

ＦＣ測定電力入力手段（第２測定手段）２３０は、燃料電池１１０の実際の出力電力測定値（以下、ＦＣ出力電力測定値）Ｐｆｃｍｅｓを入力し、これを偏差演算手段２５０に出力する。ここで、ＦＣ出力電力測定値Ｐｆｃｍｅｓは、電圧センサＶ０によって検出される燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓと電流センサＩ０によって検出される燃料電池１１０の出力電流Ｉｆｃｍｅｓから求めても良いが、電力計（第２測定手段）などを用いて直接、ＦＣ出力電力測定値Ｐｆｃｍｅｓを求めても良い。

指令電流演算手段（生成手段）２４０は、ＦＣ要求電力手段２１０から供給されるＦＣ要求電力指令値Ｐｒｅｑを、ＦＣ電圧入力手段２２０から供給される燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓで除するなどして、燃料電池１１０に対する要求電流指令値（以下、ＦＣ要求電流指令値）Ｉｒｅｆを導出する。そして、指令電流演算手段２４０は、導出したＦＣ要求電流指令値Ｉｒｅｆを指令電流補正手段２６０に出力する。

偏差演算手段２５０は、ＦＣ要求電力指令値ＰｒｅｑとＦＣ出力電力測定値Ｐｆｃｍｅｓとの電力偏差（差分）を求め、これをＰＩＤ補正量演算手段２７０に出力する。
ＰＩＤ補正量演算手段（第１演算手段）２７０は、偏差演算手段２５０から出力される電力偏差をもともに、ＰＩＤ制御則に基づいて燃料電池１１０に対する要求電流指令値の補正量Ｉｃｒｔを演算し、これを指令電流補正手段２６０に出力する。

指令電流補正手段（第１加算手段）２６０は、指令電流演算手段２４０から出力されるＦＣ要求電流指令値Ｉｒｅｆに、ＰＩＤ補正量演算手段２７０から出力される補正量（ＰＩＤ補正項）Ｉｃｒｔを加算し、修正ＦＣ電流指令値Ｉａｍｒｅｆを生成する。そして、指令電流補正手段２６０は、生成した修正ＦＣ電流指令値Ｉａｍｒｅｆを相電流分配手段２８０に出力する。

相電流分配手段２８０は、ＦＣコンバータ１５０の変換効率を最大化する駆動相数にて、修正ＦＣ電流指令値Ｉａｍｒｅｆを除することにより、各相の目標電流指令値を導出する。ここで、ＦＣコンバータ１５０の変換効率を最大化する駆動相数は、燃料電池１１０に対する要求電力や運転環境など（以下、「運転状況」と総称）に応じて異なる。よって、運転状況とＦＣコンバータ１５０の変換効率を最大化する駆動相数との対応関係を予め実験などによって求め、これをマップ化し、これを駆動相数決定マップとして保持しておく。相電流分配手段２８０は、指令電流補正手段２６０から修正ＦＣ電流指令値Ｉａｍｒｅｆを受け取ると、燃料電池１１０の運転状況を把握し、駆動相数決定マップを参照することで、現運転状況にてＦＣコンバータ１５０の変換効率を最大化する駆動相数を決定し、この駆動相数にて修正ＦＣ電流指令値Ｉａｍｒｅｆを除することにより、各相の目標電流指令値、具体的にはＵ相目標電流値Ｉｒｅｆ（ｕ）、Ｖ相目標電流値Ｉｒｅｆ（ｖ）、Ｗ相目標電流値Ｉｒｅｆ（ｗ）を導出する。

Ｕ相測定電流入力手段２９０ａは、電流センサ（第３測定手段）Ｉ１によって検知されるＵ相リアクトル電流測定値Ｉｌｍｅｓ（ｕ）を入力し、これをＵ相偏差演算手段３００ａに出力する。Ｕ相偏差演算手段３００ａは、Ｕ相目標電流値Ｉｒｅｆ（ｕ）からＵ相リアクトル電流測定値Ｉｌｍｅｓ（ｕ）を減ずることにより、Ｕ相電流偏差を求める。
Ｕ相ＰＩＤ補正量演算手段（第２演算手段）３１０ａは、Ｕ相偏差演算手段３００ａから出力されるＵ相電流偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づいてＵ相デューティー比の補正量Ｄｃｒｔ（ｕ）を演算し、これをＵ相デューティー比補正手段３３０ａに出力する。

Ｕ相基本デューティー比入力手段３２０ａは、Ｕ相の基本デューティー比Ｄｓを入力し、これをＵ相デューティー比補正手段３３０ａに出力する。ここで、Ｕ相の基本デューティー比Ｄｓは、下記式（４）によって導出される。なお、基本デューティー比Ｄｓは、相によらず一定であるため（すなわち、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相において共通）、以下では、ことわりがない限り、単に基本デューティー比Ｄｓと呼ぶ。また、基本デューティー比Ｄｓの導出方法については、後に詳述する。
Ｄｓ＝（ＶＨ−ＶＬ）／ＶＨ・・・（４）
ＶＨ；インバータ入力電圧（高圧側電圧）
ＶＬ；ＦＣ電圧(低圧側電圧)

Ｕ相デューティー比補正手段（第２加算手段）３３０ａは、Ｕ相デューティー比入力手段３２０ａから出力されるＵ相の基本デューティー比Ｄｓに、Ｕ相ＰＩＤ補正量演算手段３１０ａから出力されるＵ相デューティー比の補正量Ｄｃｒｔ（ｕ）を加算し、修正Ｕ相デューティー比Ｄａｍ（ｕ）を生成する。そして、Ｕ相デューティー比補正手段３３０ａは、生成した修正Ｕ相デューティー比Ｄａｍ（ｕ）をＦＣコンバータ制御回路３４０に出力する。

以上、Ｕ相の動作制御を例に説明したが、Ｖ相、Ｗ相も同様の制御が行われる。簡単に説明すると、Ｖ相ＰＩＤ補正量演算手段（第２演算手段）３１０ｂは、Ｖ相偏差演算手段３００ｂから出力されるＶ相電流偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づいてＶ相デューティー比の補正量Ｄｃｒｔ（ｖ）を演算し、これをＶ相デューティー比補正手段３３０ｂに出力する。Ｖ相デューティー比補正手段（第２加算手段）３３０ｂは、Ｖ相デューティー比入力手段３２０ｂから出力されるＶ相の基本デューティー比Ｄｓに、Ｖ相ＰＩＤ補正量演算手段３１０ｂから出力されるＶ相デューティー比の補正量Ｄｃｒｔ（ｖ）を加算し、修正Ｖ相デューティー比Ｄａｍ（ｖ）を生成する。そして、Ｖ相デューティー比補正手段３３０ｂは、生成した修正Ｕ相デューティー比Ｄａｍ（ｖ）をＦＣコンバータ制御回路３４０に出力する。

同様に、Ｗ相ＰＩＤ補正量演算手段（第３演算手段）３１０ｃは、Ｗ相偏差演算手段３００ｃから出力されるＷ相電流偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づいてＷ相デューティー比の補正量Ｄｃｒｔ（ｗ）を演算し、これをＷ相デューティー比補正手段３３０ｃに出力する。Ｗ相デューティー比補正手段（第３加算手段）３３０ｃは、Ｗ相デューティー比入力手段３２０ｃから出力されるＷ相の基本デューティー比Ｄｓに、Ｗ相ＰＩＤ補正量演算手段３１０ｃから出力されるＷ相デューティー比の補正量Ｄｃｒｔ（ｗ）を加算し、修正Ｗ相デューティー比Ｄａｍ（ｗ）を生成する。そして、Ｗ相デューティー比補正手段３３０ｃは、生成した修正Ｗ相デューティー比Ｄａｍ（ｗ）をＦＣコンバータ制御回路３４０に出力する。

ＦＣコンバータ制御回路（デューティー比制御手段）３４０は、各相のデューティー比補正手段３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃから出力される各相の修正デューティー比Ｄａｍ（ｕ），Ｄａｍ（ｖ），Ｄａｍ（ｗ）をもとに、ＦＣコンバータ１５０の駆動を制御する。このように、本実施形態によれば、従来技術の如くＩＶ特性を推定することなしに、ＦＣ出力電力測定値Ｐｆｃｍｅｓや燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓをもとに燃料電池１１０の出力を直接制御することができる。よって、ＩＶ特性を推定して燃料電池１１０の出力を制御していた従来と比較して、精度良くかつ簡易に制御することが可能となる。

また、本実施形態によれば、燃料電池１１０の出力電流Ｉｆｃｍｅｓを測定する電流センサＩ０と、各相のリアクトル電流を測定する電流センサ（第３測定手段）Ｉ１〜Ｉ３の間に相対誤差が発生していても、ＰＩＤ制御を行うことでＦＣ要求電力指令値ＰｒｅｑとＦＣ出力電力測定値Ｐｆｃｍｅｓとの間に生じる定常誤差を抑制することが可能となる。

Ｂ．第２実施形態
第１実施形態において説明したように、複数相（２以上の相）のＦＣコンバータ１５０を用いる場合には、燃料電池１１０に対する要求電力などに応じて相停止制御を行うことになる。ここで、相停止状態から起動状態に移行する場合、ＦＣコンバータ１５０には、基本デューティー比Ｄｓが設定されることになるが、該基本デューティー比Ｄｓは当該時点での入出力電圧をもとに導出されるため（式（４）参照）、起動直後の基本デューティー比Ｄｓが過大となり、リアクトル電流にオーバーシュートが発生し、不安定な挙動を示すおそれがある。

そこで、第２実施形態では、相停止状態から起動状態に移行する場合など、各相のリアクトル電流が不連続になる場合においては、デューティー比が徐々に増加するような基本デューティー比を設定し、これにより起動直後のリアクトル電流の乱れを抑制可能とする。なお、以下では、各相のリアクトル電流が不連続になるモードを不連続モードと呼び、該リアクトル電流が連続しているモードを連続モードと呼ぶ。

＜連続モードにおける基本デューティー比＞
図４は、連続モードにおけるリアクトル電流の変化を例示した図である。
ＦＣコンバータ１５０にて低圧側電圧ＶＬを高圧側電圧ＶＨに昇圧する定常状態における基本デューティー比Ｄｓ１は、下記式（５）〜（７）より導出される。このような基本デューティー比Ｄｓ１をＦＣコンバータ１５０に設定することで、図４に示すようなリアクトル電流が得られる。
ＶＬ＝Ｌ＊ΔＩ／Δｔ・・・（５）
ＶＨ＝Ｌ＊ΔＩ／（１−Δｔ）＋ＶＬ・・・（６）
Ｄｓ１＝Δｔ／１＝（ＶＨ−ＶＬ）／ＶＨ・・・（７）
ＶＨ；インバータ入力電圧（高圧側電圧）
ＶＬ；ＦＣ電圧(低圧側電圧)

＜不連続モードにおける基本デューティー比＞
図５は、不連続モードにおけるリアクトル電流の変化を例示した図である。
電流が不連続となる不連続モードにおいて基本デューティー比Ｄｓ２は、下記式（８）〜（１２）より導出される。
ＩＬ＊Ｔ＝（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）＊ΔＩ／２・・・（８）
ＶＬ＝Ｌ＊ΔＩ／Ｔｏｎ・・・（９）
ＶＨ＝Ｌ＊ΔＩ／Ｔｏｆｆ＋ＶＬ・・・（１０）

ＩＬ；リアクトル平均電流
Ｔｏｎ；スイッチング素子ＳＷ１のＯＮ時間
Ｔｏｆｆ；リアクトル放電時間
Ｔ；ＦＣコンバータ１５０の１周期時間

上記式（８）〜（１２）によって導出されるデューティー比Ｄｓ２は、リアクトル電流の乱れを抑制することができると同時に、本来の出力制御に影響を与えない範囲で設定することが可能となる。このように、不連続モードにおいては、不連続モード用のデューティー比Ｄｓ２を用いることで、リアクトル電流にオーバーシュートが発生し、不安定な挙動を示すという問題を抑制することが可能となる。

本実施形態では、各相の基本デューティー比入力手段（記憶手段）３２０ａ〜３２０ｃには、不連続モードのデューティー比Ｄｓ２と連続モードのデューティー比Ｄｓ１が予め記憶されている。各相の基本デューティー比入力手段（検知手段、設定手段）３２０ａ〜３２０ｃは、対応する相の駆動状態を検知するととともに、検知結果に応じて設定すべき基本デューティー比の切り換えを行う。

なお、不連続モードのデューティー比Ｄｓ２と連続モードのデューティー比Ｄｓ１との切り換えタイミングは、予め実験などによって求めておけば良い。例えば、各相の基本デューティー比入力手段（設定手段）３２０ａ〜３２０ｃは、相停止状態から起動状態に移行したことを検知すると、所定時間ｔ（ｓ）だけ不連続モードのデューティー比Ｄｓ２を利用した後、連続モードのデューティー比Ｄｓ１に切り換える。もちろん、これに限る趣旨ではなく、ＦＣコンバータ１５０が定常状態に移行したことを検知した場合に不連続モードのデューティー比Ｄｓ２から連続モードのデューティー比Ｄｓ１に切り換えても良く、また、上記式（８）〜（１２）で導出される不連続モードのデューティー比Ｄｓ２が所定値に達した場合に、不連続モードのデューティー比Ｄｓ２から連続モードのデューティー比Ｄｓ１に切り換えても良い。

Ｃ．第３実施形態
第１実施形態では、燃料電池１１０の電力の偏差（具体的には、ＦＣ要求電力指令値ＰｒｅｑとＦＣ出力電力測定値Ｐｆｃｍｅｓとの電力偏差）からＰＩＤ補正項を演算したが、燃料電池１１０の電圧の偏差（具体的には、ＦＣ要求電圧指令値ＶｒｅｆとＦＣ出力電圧測定値Ｖｆｃｍｅｓとの電圧偏差）からＰＩＤ補正項を演算しても良い。

図６は、第３実施形態に係るコントローラ１６０などによって実現される燃料電池１１０の出力制御機能を示すブロック図であり、図３に示すＦＣ測定電力入力手段２３０、偏差演算手段２５０、ＰＩＤ補正量演算手段２７０（図３に示すフィードバックループＲ１参照）の代わりに、ＦＣ指令電圧入力手段２３０ａ、偏差演算手段２５０ａ、ＰＩＤ補正量演算手段２７０ａ（図６に示すフィードバックループＲ２参照）が設けられている。なお、その他の部分は図３に示す構成と同様であるため、対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を割愛する。

ＦＣ指令電圧入力手段（第２入力手段）２３０ａは、燃料電池１１０に対する要求電圧指令値（以下、ＦＣ要求電圧指令値）Ｖｒｅｆを入力する。そして、偏差演算手段２５０ａは、ＦＣ電圧測定値ＶｆｃｍｅｓとＦＣ要求電圧指令値Ｖｒｅｆとの電圧偏差（差分）を求め、ＰＩＤ補正量演算手段（第３演算手段）２７０ａは、偏差演算手段２５０ａから出力される電圧偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づいて燃料電池１１０に対する要求電流指令値Ｉｒｅｆの補正量（ＰＩＤ補正項）Ｉｃｒｔを演算し、これを指令電流補正手段２６０に出力する。

このように、本実施形態に係る制御機能は、燃料電池１１０の電力ではなく燃料電池１１０の電圧を制御する点に特徴がある。このような制御が必要となるのは、燃料電池１１０の出力電力とともに、燃料電池１１０の出力電圧を制御することが必要な運転モードが存在するからである。具体的には、燃料電池１１０の発電効率の低い運転動作ポイントで運転することで、燃料電池１１０に対する要求電力を満たしながらも燃料電池１１０を暖機する急速暖機運転モードや、燃料電池１１０の耐久性を悪化させないように予め燃料電池１１０の出力電圧の閾値（すなわち、高電位回避基準電圧）を設け、この基準値を超えないように制御を行う高電位回避運転モードなどの存在である。

このような運転モードで運転する場合には、上記の如く、燃料電池１１０の電圧の偏差からＰＩＤ補正項を演算することで、燃料電池１１０の出力電圧を制御することが可能となる。

Ｄ．第４実施形態
第１実施形態では、燃料電池１１０の電力偏差からＰＩＤ補正項を演算し、第３実施形態では、燃料電池１１０の電圧偏差からＰＩＤ補正項を演算したが、これらを組み合わせて、燃料電池１１０の電力偏差からＰＩＤ補正項を演算する態様（以下、ＦＣ電力フィードバック）と燃料電池の１１０の電圧偏差からＰＩＤ補正項を演算する態様（以下、ＦＣ電圧フィードバック）を切り換えるように制御しても良い。

図７は、第４実施形態に係るコントローラ１６０などによって実現される燃料電池１１０の出力制御機能を示すブロック図であり、図３に示す構成に加えて、ＦＣ電圧上限値設定手段２３０ｂ、偏差演算手段２５０ｂ、ＰＩＤ補正量演算手段２７０ｂ、制限手段２７０ｃ、切換制御手段２７０ｄが設けられている。

ＦＣ電圧上限値設定手段（第２入力手段）２３０ｂは、ＦＣ電力フィードバックとＦＣ電圧フィードバックを切り換えるための判断基準を設定する手段であり、具体的には燃料電池１１０の電圧上限値（以下、ＦＣ電圧上限値）Ｖｆｃｕｌを偏差演算手段２５０ｂに出力する。

偏差演算手段２５０ｂは、ＦＣ電圧上限値ＶｆｃｕｌとＦＣ出力電圧測定値Ｖｆｃｍｅｓとの電圧偏差（差分）を求め、これをＰＩＤ補正量演算手段（ＰＩＤ補正項）２７０ｂに出力する。ＰＩＤ補正量演算手段２７０ｂは、偏差演算手段２５０ｂから出力される電圧偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づいて燃料電池１１０に対する要求電流指令値の補正量Ｉｃｒｔを演算する。制限手段２７０ｃは、要求電流指令値の補正量Ｉｃｒｔが過大とならないように上限、下限を制限する。

切換制御手段２７０ｄは、偏差演算手段２５０ｂから供給される電圧偏差に基づき、ＦＣ出力電圧測定値ＶｆｃｍｅｓがＦＣ電圧上限値Ｖｆｃｌを超えていないかを判断する。切換制御手段２７０ｄは、ＦＣ出力電圧測定値ｆｃｍｅｓがＦＣ電圧上限値Ｖｆｃｌを超えていない場合には、ＦＣ電力フィードバックを実現するべく、フィードバックループＲ１を有効にする（スイッチＳ１；ＯＮ、スイッチＳ２；ＯＦＦ）。

一方、切換制御手段２７０ｄは、ＦＣ出力電圧測定値ｆｃｍｅｓがＦＣ電圧上限値Ｖｆｃｌを超えたと判断すると、ＦＣ電圧フィードバックを実現するべく、フィードバックループＲ２を有効にする（スイッチＳ１；ＯＦＦ、スイッチＳ２；ＯＮ）。

かかる構成によれば、現時点での燃料電池１１０の出力電圧に基づいて、ＦＣ電力フィードバックとＦＣ電圧フィードバックとを自動切換することができるため、ＦＣ電圧フィードバックを実行している間に出力電圧がＦＣ電圧上限値を超えてしまうという問題を未然に防止することが可能となる。
もちろん、ＦＣ電力フィードバックとＦＣ電圧フィードバックの切り換えは、自動でなくても他の要素（コントローラなど）からの命令によって実行するようにしても良い。

Ｅ．その他
上述した各実施形態では、Ｕ相１５１、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３によって構成されたＦＣコンバータ１５０の各相のリアクトル電流を検知するために、相毎に電流センサＩ１〜Ｉ３を設けた場合について説明したが、センサ点数が多く製造コストが高くなることが懸念される。
そこで、複数相のいずれか１つの相のリアクトル電流（以下では、Ｗ相のリアクトル電流を想定）に関しては、例えば下記式（１３）を利用して、コントローラ１６０が導出するようにしても良い。かかる構成によれば、相毎に電流センサを設ける場合と比較して、設置すべきセンサの個数を減らすことが可能となる。
Ｉｅｓｔ（ｗ）＝Ｉｆｃｍｅｓ−Ｉｌｍｅｓ（ｕ）−Ｉｌｍｅｓ（ｖ）・・・（１３）

第１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コンバータ（１相分）の回路構成を示す図である。同実施形態に係る燃料電池の出力制御機能を示すブロック図である。第２実施形態に係る連続モードにおけるリアクトル電流の変化を例示した図である。同実施形態に係る不連続モードにおけるリアクトル電流の変化を例示した図である。第３実施形態に係る燃料電池の出力制御機能を示すブロック図である。第４実施形態に係る燃料電池の出力制御機能を示すブロック図である。従来のＦＣＨＶシステムのシステム構成図である。推定ＩＶ特性カーブを例示した図である。

符号の説明

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、２１０…ＦＣ要求電力入力手段、２２０…ＦＣ電圧入力手段、２３０…ＦＣ測定電力入力手段、２３０ａ…ＦＣ指令電圧入力手段、２３０ｂ…ＦＣ電圧上限値設定手段、２４０…指令電流演算手段、２５０，２５０ａ，２５０ｂ…偏差演算手段、２６０…ＦＣ要求電力入力手段、２７０，２７０ａ，２７０ｂ…ＰＩＤ補正量演算手段、２７０ｃ…制限手段、２７０ｄ…切換制御手段、２８０…相電流分配手段、２９０ａ…Ｕ相リアクトル電流測定手段、３００ａ…Ｕ相偏差演算手段、３１０ａ…Ｕ相ＰＩＤ補正量演算手段、３２０ａ…Ｕ相基本デューティー比入力手段、３３０ａ…Ｕ相デューティー比補正手段、２９０ｂ…Ｖ相リアクトル電流測定手段、３００ｂ…Ｖ相偏差演算手段、３１０ｂ…Ｖ相ＰＩＤ補正量演算手段、３２０ｂ…Ｖ相基本デューティー比入力手段、３３０ｂ…Ｖ相デューティー比補正手段、２９０ｃ…Ｗ相リアクトル電流測定手段、３００ｃ…Ｗ相偏差演算手段、３１０ｃ…Ｗ相ＰＩＤ補正量演算手段、３２０ｃ…Ｗ相基本デューティー比入力手段、３３０ｃ…Ｗ相デューティー比補正手段、３４０…ＦＣコンバータ制御回路。

Claims

複数相にて構成され、燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
前記燃料電池の出力電力指令値を入力する第１入力手段と、
前記燃料電池の出力電圧を測定し、出力電圧測定値を出力する第１測定手段と、
前記燃料電池の出力電力を測定し、出力電力測定値を出力する第２測定手段と、
前記出力電力指令値と前記出力電圧測定値から前記燃料電池の出力電流指令値を生成する生成手段と、
前記出力電力指令値と前記出力電力測定値の電力偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づき燃料電池の出力電流指令値の補正量を演算する第１演算手段と、
生成された前記出力電流指令値に前記出力電流指令値の補正量を加算し、修正出力電流指令値として出力する第１加算手段と、
前記修正出力電流指令値に基づき前記コンバータの各相に設定するデューティー比を制御するデューティー比制御手段と、
を具備し、
前記コンバータを構成する各相の駆動状態を検知する検知手段と、
前記コンバータの各相に設定する基本デューティー比であって、連続したリアクトル電流が流れる連続モードの基本デューティー比と、不連続なリアクトル電流が流れる不連続モード時の基本デューティー比を記憶する記憶手段と、
前記検知手段によっていずれかの相が停止状態から起動状態に移行することが検知されたとき、当該相に対して不連続モード時の基本デューティー比を設定する設定手段と、
をさらに具備することを特徴とするコンバータ制御装置。
前記デューティー比制御手段は、
前記修正電流指令値に基づき各相の目標リアクトル電流値を導出する相電流分配手段と、
各相のリアクトル電流を測定し、相毎のリアクトル電流測定値を出力する第３測定手段と、
各相の前記目標リアクトル電流値と前記リアクトル電流測定値との電流偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づいて各相の基本デューティー比の補正量を演算する第２演算手段と、
各相の基本デューティー比に前記基本デューティー比の補正量を加算し、各相の修正デューティー比を出力する第２加算手段と
を具備することを特徴とする請求項１に記載のコンバータ制御装置。
前記相電流分配手段は、
前記燃料電池の運転状況に基づいて当該コンバータの変換効率を最大化する駆動相数を求め、前記修正電流指令値を前記駆動相数で除することにより、前記各相の目標リアクトル電流値を導出することを特徴とする請求項２に記載のコンバータ制御装置。
前記各相の基本デューティー比は、当該基本デューティー比をＤｓ、前記燃料電池と負荷との間に接続されるインバータの入力電圧をＶＨ、前記燃料電池の出力電圧をＶＬとした場合、下記式を満たすことを特徴とする請求項３に記載のコンバータ制御装置。
Ｄｓ＝（ＶＨ−ＶＬ）／ＶＨ
複数相にて構成され、燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
前記燃料電池の出力電力指令値を入力する第１入力手段と、
前記燃料電池の出力電圧を測定し、出力電圧測定値を出力する第１測定手段と、
前記燃料電池の出力電圧指令値を入力する第２入力手段と、
前記出力電力指令値と前記出力電圧測定値から前記燃料電池の出力電流指令値を生成する生成手段と、
前記出力電圧指令値と前記出力電圧測定値の電圧偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づき燃料電池の出力電流指令値の補正量を演算する第１演算手段と、
生成された前記出力電流指令値に前記出力電流指令値の補正量を加算し、修正出力電流指令値として出力する第１加算手段と、
前記修正出力電流指令値に基づき前記コンバータの各相に設定するデューティー比を制御するデューティー比制御手段と、
を具備し、
前記コンバータを構成する各相の駆動状態を検知する検知手段と、
前記コンバータの各相に設定する基本デューティー比であって、連続したリアクトル電流が流れる連続モードの基本デューティー比と、不連続なリアクトル電流が流れる不連続モード時の基本デューティー比を記憶する記憶手段と、
前記検知手段によっていずれかの相が停止状態から起動状態に移行することが検知されたとき、当該相に対して不連続モード時の基本デューティー比を設定する設定手段と、
をさらに具備することを特徴とするコンバータ制御装置。
前記燃料電池の上限電圧閾値を入力する第３入力手段と、
前記上限電圧閾値と前記出力電圧測定値の電圧偏差をもとに、ＰＩＤ制御則に基づき燃料電池の出力電流指令値の補正量を演算する第３演算手段と、を具備し、
前記第１加算手段は、
生成された前記出力電流指令値に、前記第１演算手段による前記出力電流指令値の補正量または前記第３演算手段による前記出力電流指令値の補正量のいずれかを加算し、修正出力電流指令値として出力するものであって、
前記上限電圧閾値と前記出力電圧測定値とを比較し、比較結果に基づき、前記第１演算手段による出力電流指令値の補正量を前記第１加算手段に出力するか、前記第３演算手段による出力電流指令値の補正量を前記第１加算手段に出力するかを切り換える切換制御手段を更に具備することを特徴とする、請求項１又は請求項５に記載のコンバータ制御装置。