JP5228258B2 - コンバータ制御装置 - Google Patents

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。このような燃料電池システムでは、燃料電池の出力電圧とバッテリの入出力電圧とが相違しているため、ＤＣ−ＤＣコンバータを介してバッテリが接続される一次側の電圧を燃料電池が接続される二次側の電圧にまで昇圧または降圧し、または、二次側の電圧を一次側の電圧にまで降圧または昇圧して、電力供給するように構成されている。

近年、複数の相回路が並列接続され、駆動する相数を切り替え可能に構成されたＤＣ−ＤＣコンバータが開発されている。例えば、特開２００６−３３９３４号公報には、システムの負荷量の変化を予測して、予測された負荷量に応じてＤＣ−ＤＣコンバータの相数を切替え可能に構成された提案が開示されている（特許文献１参照）。

また、特開２００３−２３５２５２公報には、マスター・スレーブ式の多段のＤＣ−ＤＣコンバータを備え、このＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電力（Ｐｉｎ）及び出力電力（Ｐｏｕｔ）を計測器で計測して出力電力（Ｐｏｕｔ）に応じてＤＣ−ＤＣコンバータの並列代数を決定すると共に、指示出力電圧の増分に応じたＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率（Ｐｉｎ／Ｐｏｕｔ）を算出することで、最大効率を与える指示出力電圧を決定する電源回路が提案されている（特許文献２参照）。

なお、多相ＤＣ−ＤＣコンバータ自体に関する提案として、例えば特開２００６−３１１７７６公報には、コストを削減すると共に製品寿命を長くした多相ＤＣ−ＤＣコンバータが提案されている（特許文献３参照）。

特開２００６−３３９３４号公報 特開２００３−２３５２５２号公報 特開２００６−３１１７７６号公報

しかしながら、上記公知の技術では、システムの負荷量やＤＣ−ＤＣコンバータの入出力電力に応じて多相のＤＣ−ＤＣコンバータを切り替え、効率等を向上することは可能であるが、システムの運転状態、例えば、燃料電池の電流・電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）や電流・電力特性（Ｉ−Ｐ特性）が急激に変化する場合（すなわち出力パワーまたは出力電流に対する出力電圧の変化率が大きい場合）に、例えばＤＣ−ＤＣコンバータに過電流が流れてしまうといった問題までは考慮されていない。ここで、出力パワーまたは出力電流に対する出力電圧の変化率が大きく、ＤＣ−ＤＣコンバータに過電流が流れてしまうと、ＤＣ−ＤＣコンバータのシャットダウンによるシステムの停止や、素子破壊といった問題が生じてしまう。

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、燃料電池の出力パワーまたは出力電流に対する出力電圧の変化率が大きい場合であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータの過電流の発生を抑制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、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を制御することによって該燃料電池の出力電力を間接的に制御する多相コンバータと、前記多相コンバータの駆動相数を切換制御する駆動制御手段と、前記燃料電池に対する出力電力要求と、前記燃料電池の出力電力・出力電圧特性とに基づいて、前記多相コンバータへ指令する電圧の最大変化速度を演算する演算手段と、前記多相コンバータへ指令する電圧の最大変化速度と、前記多相コンバータが安定に動作できる駆動相数毎の安定動作限界値との比較結果に基づき、該多相コンバータの駆動相数を決定する決定手段とを備え、前記駆動制御手段は、決定された前記駆動相数にて前記多相コンバータの駆動を制御することを特徴とする。

かかる構成によれば、コンバータの指令電圧の最大変化速度と、駆動相数毎の安定限界値とを比較し、比較結果に基づいて多相コンバータの駆動相数を決定するため、例えば燃料電池に対する要求パワーが急変した場合など、過渡性能を要求されるケースにおいても、エネルギー効率のみを求めるために多相コンバータを小さな相数（例えば１相のみ）で駆動してしまい、その結果として多相コンバータに過電流が生じ、多相コンバータのシャットダウンによるシステムの停止や、素子破壊が生じてしまう等の問題を未然に防止することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記演算手段は、前記燃料電池の出力電力に対する出力電圧の変化率を求める第１演算手段と、前記燃料電池へ指令する出力電力の最大変化速度を求める第２演算出段と、前記出力電圧の変化率に前記出力電力の最大変化速度を乗じることにより、前記多相コンバータへ指令する電圧の最大変化速度を求める第３演算手段とを備える態様が好ましい。

さらに、上記構成にあっては前記燃料電池の出力電流を検知する電流センサ、該燃料電池の出力電圧を検知する電圧センサをさらに備え、前記第１演算手段は、前記電流センサ及び前記電圧センサの検知結果に基づいて前記燃料電池の出力電力に対する出力電圧の変化率を求める態様も好ましい。

本発明によれば、燃料電池の出力パワーまたは出力電流に対する出力電圧の変化率が大きい場合であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータの過電流の発生を抑制することが可能なコンバータ制御装置を提供することが可能となる。

本実施形態に係るハイブリッド燃料電池システムの構成を示す図である。 同実施形態に係るＤＣ−ＤＣ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ＤＣ−ＤＣコンバータを主体とする回路の主要経路における電流、電圧、および電力の流れを説明するための回路ブロック図である。 同実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの駆動相数決定動作を説明するための図である。 同実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの駆動相数決定動作を説明するための図である。 同実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの駆動相数決定動作を説明するための図である。 同実施形態に係るハイブリッド制御部のコンバータ制御動作を示すフローチャートである。

Ａ．本実施形態
（システム構成）
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムのシステム全体図である。
本実施形態に係るハイブリッド型燃料電池システム（ハイブリッド燃料電池システム１）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０、蓄電装置に相当する高圧バッテリ２１、燃料電池２２、逆流防止用ダイオード２３、インバータ２４、トラクションモータ２５、ディファレンシャル２６、シャフト２７、車輪２９、ハイブリッド制御部１０、および電源制御部１１を備えている。

高圧バッテリ２１は、充放電自在なニッケル−水素電池等のバッテリーユニットを複数積層し直列接続することによって所定の電圧を出力するようになっている。高圧バッテリ２１の出力端子には電源制御部１０と通信可能なバッテリコンピュータ１４が設けられており、高圧バッテリ２１の充電状態を過充電や過放電に至らない適正な値に維持するとともに、万が一高圧バッテリに異常が生じた場合に安全を保つように動作するようになっている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ（多相コンバータ）２０は、燃料電池２２の出力電圧を制御することによって、該燃料電池２２の出力パワーまたは出力電流を制御する電圧変換装置であり、一次側（入力側：バッテリ２１側）に入力された電力を、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：燃料電池２２側）出力し、また逆に、二次側に入力された電力を、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。当該実施形態では、高圧バッテリ２１の直流出力電圧（例えば約２００Ｖ）をさらに高い直流電圧（例えば約５００Ｖ）に昇圧することによって、トラクションモータ２５を小電流・高電圧で駆動することを可能とし、電力供給による電力損失を抑制し、トラクションモータ２５の高出力化を可能としている。

当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、複数の相回路を備えており、駆動する相数が切り替え可能に構成されている。すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、三相運転方式が採用されており、具体的な回路方式としては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。図１に示すように、当該三相ブリッジ形コンバータの回路構成は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三つのブリッジ形コンバータ相回路（Ｕ−ＣＯＮ、Ｖ−ＣＯＮ、Ｗ−ＣＯＮ）が並列接続された構成をしている。それぞれの相回路は、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。具体的には、一次側入力端子間及び二次側出力端子間のそれぞれに、スイッチング素子Ｔｒ及び整流器Ｄの並列接続構造が二段重ねされており、一次側と二次側とのそれぞれの二段重ね構造の中間点同士がリアクトルＬで連結された構造をしている。スイッチング素子Ｔｒとしては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を利用可能であり、整流器Ｄとしてはダイオードを利用可能である。当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は相回路間の位相差が１２０度（２π／３）ごとになるように調整されたタイミングでスイッチングされるようになっている。

ここで、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、電源制御部１１からの相切換制御信号Ｃphに基づいて、駆動する相が任意に変更可能に構成されている。本実施形態では、実測された負荷または負荷予測に基づき、一相のみの単相運転と二相または三相の多相運転との切り換えが行われる。

また当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０では、三相ブリッジ形回路構成で直流電流を一旦交流電流に変換するが、その交流電流のデューティー比を、電源制御部１１からのデューティー比制御信号Ｃｄに対応させてこの交流電流のデューティー比を変化させることが可能になっている。この交流電流のデューティー比は、当該コンバータを通過する電力の実効値を変化させることになるため、コンバータの出力電力や出力電圧を変化させることになる。デューティー比の変更によって瞬時の出力調整が可能になっているのである。このようなデューティー比の一時的な変更は、特に当該コンバータが恒常的に行う制御動作の過渡期において有効である。

なお、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の入力電流は電流センサ１５により、また入力電圧Ｖｉは電圧センサ１６により実測可能になっている。また、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力電流は電流センサ１７により、出力電圧Ｖｏは電圧センサ１８により実測可能になっている。さらに各相のリアクトルＬには、リアクトルを流れる電流（以下、リアクトル電流）を検出可能に構成された電流センサ１９（１９−１、１９−２、１９−３）が設けられている。ただし、各相のリアクトル電流を検知する電流センサは設けなくても良い。

また、このＤＣ−ＤＣコンバータ２０は軽負荷運転時やブレーキ動作時には、トラクションモータ２５を逆にジェネレータとして発電を行い、コンバータの二次側から一次側へ直流電圧を変換して、高圧バッテリ２１に充電を行う回生動作が可能なようになっている。

燃料電池スタック２２は、複数の単位セルをスタックし、直列接続して構成されている。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狭み込んだＭＥＡという構造物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。

燃料電池スタック２２には、図示しない、燃料ガスを供給する系統、酸化ガスを提供する系統、及び冷却液を提供する系統が設けられており、ハイブリッド制御部１０からの制御信号Ｃｆｃ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、任意の発電量で発電可能になっている。

インバータ２４は、走行モータ用インバータであり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０によって昇圧された高圧直流を互いの位相差が１２０度の三相交流に変換するようになっている。当該インバータ２４は、ハイブリッド制御部１０からのインバータ制御信号Ｃｉによって電流制御がされるようになっている。

トラクションモータ２５は、本電気自動車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２６は減速装置であり、トラクションモータ２５の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ２９が設けられたシャフト２７を回転させる。シャフト２７には車輪速センサ２８が設けてあり、車輪速パルスＳｒをハイブリッド制御部１０に出力可能になっている。

ハイブリッド制御部（駆動制御手段）１０は、システム全体の制御用のコンピュータシステムであり、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）１０１、ＲＡＭ１０２、ＲＯＭ１０３等を備えている。当該ハイブリッド制御部１０は、アクセル位置信号Ｓａやシフト位置信号Ｓｓ、車輪速センサ２８からの車輪速信号Ｓｒその他の各種センサからの信号を入力して、運転状態に応じた燃料電池スタック２２の発電量及びトラクションモータ２５におけるトルクを求めて、燃料電池スタック２２、トラクションモータ２５、及び高圧バッテリ２１の電力収支を計算し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０やインバータ２４における損失を加算したシステム動作の全体制御を行うようにプログラムされている。また、ハイブリッド制御部１０は、電流センサ１５の検出する入力電流および電圧センサ１６の検出する入力電圧によりＤＣ−ＤＣコンバータ２０の一次側に流通する電力を認識し、電流センサ１７の検出する出力電流および電圧センサ１８の検出する出力電圧によりＤＣ−ＤＣコンバータ２０の二次側に流通する電力を認識することが可能になっている。さらに電力制御部１０は、電流センサ１９−１〜１９−３の検出信号に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ２０の各相別の通過電流を認識することが可能になっている。

電源制御部（駆動制御手段）１１は、電源、特にコンバータ制御用のコンピュータシステムであり、図示しないが、ハイブリッド制御部１０と同様に、中央処理装置（ＣＰＵ）、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。当該電源制御部１１は、ハイブリッド制御部１０から供給されるコンバータ制御信号Ｃｃに基づいて、相切換制御信号ＣphをＤＣ−ＤＣコンバータ２０に出力し、駆動する相数を変更可能する。また、コンバータ制御信号Ｃｃに基づいて、デューティー比制御信号ＣｄをＤＣ−ＤＣコンバータ２０に出力し、交流電流のデューティー比を変化させることが可能になっている。

図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の１相分の回路を抜き出した回路構成図である。なお、以下の説明では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれの相のＤＣ−ＤＣコンバータであるかを特に区別する必要がない場合には、単にＤＣ−ＤＣコンバータ２０と呼ぶ。
図２に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、スイッチング素子Ｔｒ１〜４、ダイオードＤ１〜４、およびリアクトルＬを有し、燃料電池２２の出力側（二次側）では、スイッチング素子Ｔｒ１とダイオードＤ１の並列接続回路と、スイッチング素子Ｔｒ２とダイオードＤ２との並列接続回路とが直列接続（２段重ね）された構成となっている。また、高圧バッテリ２１の出力側（一次側）では、スイッチング素子Ｔｒ３とダイオードＤ３の並列接続回路と、スイッチング素子Ｔｒ４とダイオードＤ４との並列接続回路とが直列接続（２段重ね）された構成となっている。

このＤＣ−ＤＣコンバータ２０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機能を有する回路部分と、得られた交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する回路部分とが組み合わされたものである。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０において、前記直列接続の接点は燃料電池２１の出力側に１箇所、バッテリ２１の出力側に１箇所存在し、この２箇所の接点はリアクトルＬを介して電気的に接続されており、この電流センサ１９によって、リアクトルＬを通過する電流を計測することが可能になっている。

図２では、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の入力側に高圧補機用インバータ８４（図１には図示せず）が接続されており、出力側には走行モータ用トラクションモータ２５のためのインバータ２４が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の一次側に接続する負荷装置、二次側に接続する負荷装置は任意に選択することが可能であるが、一次側の電圧および二次側の電圧に応じて定めることが妥当である。消費電力の多い負荷装置は高電圧側（本実施形態では二次側）に接続して、高電圧―低電流で電力制御することが効率がよい。

図３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を主体とする回路の主要経路における電流、電圧、および電力の流れを説明するための回路ブロック図である。
図３に示すのは電力の流れの一例であり、トラクションモータ２５に対し、バッテリ２１と燃料電池２２とから電力が供給される場合を示している。図３に示すように、高圧バッテリ２１からの出力電力が、インバータ８４への駆動電力とＤＣ−ＤＣコンバータ２０への入力電力へ分岐し、インバータ８４からは高圧補機８５へ駆動電力（補機損失）が供給される。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力電力Ｐｉは走行モータ用インバータ２４経由でトランクションモータ２５に出力される。

間欠運転モードなど、燃料電池２２が発電動作を中止する期間中は、バッテリ２１からの電力のみがＤＣ−ＤＣコンバータ２０を介して走行モータ用インバータ２４に供給される。

一方、燃料電池２２の発電余力がある場合には、燃料電池の出力電力が走行モータ用インバータ２４に供給されるとともに、図３の白抜き矢印とは逆の方向にＤＣ−ＤＣコンバータ２０の二次側から一次側に電力が供給され、高圧補機用インバータ８４への高圧補機損失を除いた電力がバッテリ２１に充電されるようになっている。

また、制動動作中にはトラクションモータ２５で生成された回生電力が、インバータ２４経由で、上記と同様にＤＣ−ＤＣコンバータ２０の二次側から一次側へ供給され、高圧補機用インバータ８４への高圧補機損失を除いた電力がバッテリ２１に充電されるようになっている。

ハイブリッド制御部１０は、本発明の検出部およびコンバータ制御部を含んでいる。ハイブリッド制御部１０の検出部は、各センサ等からの入力情報に基づいてシステム状態を監視する。この監視項目には、前述の電源の全体制御の際に、燃料電池２２のＩ−Ｖ特性またはＰ−Ｖ特性の傾きが大きくなる（すなわち、燃料電池の出力パワーまたは出力電流に対する出力電圧の変化率が大きくなる）急変システム状態の検出も含まれている。

ハイブリッド制御部１０のコンバータ制御部は、急変システム状態が検出されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の駆動相数を所定値以下（例えば２相以下）にすることを禁止するためのコンバータ制御信号Ｃｃを電源制御部１１に出力する。ここで、燃料電池の常用域では、エネルギー損失を小さくするためにできるだけ少ない相数でＤＣ−ＤＣコンバータ２０を駆動するが、上記の如く急変システム状態が検出された場合に少ない相数でＤＣ−ＤＣコンバータ２０を駆動すると、燃料電池の出力パワーまたは出力電流に対する出力電圧の変化率が大きくなるためにＤＣ−ＤＣコンバータ２０に過電流が生じ、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０のシャットダウンによるシステムの停止や、素子破壊といった問題が生じてしまう。

そこで、本実施形態では、急変システム状態が検出されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の駆動相数を所定値以下（例えば２相以下）にすることを禁止することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０のシャットダウンによるシステムの停止や、素子破壊といった問題を未然に防止することを可能とする。

＜ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の駆動相数決定動作＞
図４は、ハイブリッド制御部１０によって実行されるＤＣ−ＤＣコンバータ２０の駆動相数決定動作を説明するための図であり、図４Ａは燃料電池２２の出力パワーと出力電圧の関係（Ｐ−Ｖ特性）を示す図、図４Ｂは燃料電池２２の出力パワーに対する出力電圧の変化率を示す図、図４Ｃは燃料電池２２の出力パワーに対するＤＣ−ＤＣコンバータ２０への指令電圧の最大変化速度を示す図である。
なお、以下に示す燃料電池２２の出力パワー、出力電流、出力電圧については、指令値と実測値のいずれを用いても良い。

ハイブリッド制御部１０の検出部（以下、単に検出部と略称）は、電流センサ１５により燃料電池２２の出力電流（ＦＣ電流）を検出するとともに、電圧センサ１６により燃料電池２２の出力電圧（ＦＣ電圧）を検出する。検出部は、測定されたＦＣ電流およびＦＣ電圧をもとに、燃料電池２２の出力パワー（ＦＣパワー）を求め、図４Ａに示すようなＰ−Ｖ特性を逐次演算する。

そして検出部（第１演算手段）は、求めたＰ−Ｖ特性をもとに、図４Ｂに示すようなＦＣパワーに対するＦＣ電圧の変化率（絶対値）Ｒｖｐをもとめる。さらに検出部（第２演算手段）は、アクセル位置信号Ｓａやシフト位置信号Ｓｓ、車輪速センサ２８からの車輪速信号Ｓｒその他の各種センサからの信号、さらにはブレーキ信号やバッテリの充電状態（State Of Charge）をあらわすＳＯＣ信号などから、当該時点でのシステム状態を把握し、燃料電池２２へ指令するＦＣパワーの最大変化速度Ｖｐｍａｘを推定する。

そして検出部（演算手段、第３演算手段）は、上記の如く求めたＦＣ電圧の変化率Ｒｖｐに、ＦＣパワーの最大変化速度Ｖｐｍａｘを乗じることで、システム状態から推定したＤＣ−ＤＣコンバータ２０へ指令する電圧（以下、コンバータ指令電圧）の最大変化速度Ｖｃｍａｘを算出する（図４Ｃ参照）。

検出部は、このようにコンバータ指令電圧の最大変化速度Ｖｃｍａｘを求めると、予めメモリ（図示略）などに設定されている駆動相数毎の安定電圧変化速度の限界値（安定限界値）Ｖｓｓとを比較する。ここで、駆動相数毎の安定限界値とは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が安定に動作できる相毎の電圧変化速度の限界値であり、予め実験などにより求めてメモリに格納する、あるいはシステムメンテナンス等を担当する担当者が手動で入力してメモリに格納すれば良い。もちろん、これに限る趣旨ではなく、いずれの方法によって駆動相数毎の安定限界値をメモリに格納するかは任意である。

次に、検出部は、図４Ｃに示すように、１相駆動の安定限界値Ｖｓｓ１及び２相駆動の安定限界値Ｖｓｓ２と、コンバータ指令電圧の最大変化速度Ｖｃｍａｘをあらわす速度カーブＣ１との交点（Ｐｓｓ１，Ｖｓｓ１）、（Ｐｓｓ２，Ｖｓｓ２）とを求める。これらの動作点をもとに、検出部は図４Ｂに示す１相と２相での相切換判定閾値となる第１相切換判定変化速度Ｖｃｓ１２、２相と３相での相切換判定閾値となる第２相切換判定変化速度Ｖｃｓ２３を求める。さらに、検出部は、図４Ａに示す駆動相数毎の動作領域、すなわち１相駆動領域Ａ１（０≦ＦＣパワーＰ≦Ｐｓｓ１）、２相駆動領域Ａ２（Ｐｓｓ１＜ＦＣパワーＰ≦Ｐｓｓ２）、３相駆動領域Ａ３（Ｐｓｓ２＜ＦＣパワーＰ）を求める。

そして検出部（決定手段）は、推定したコンバータ指令電圧の最大変化速度Ｖｃｍａｘと、１相駆動の安定限界値Ｖｓｓ１及び２相駆動の安定限界値Ｖｓｓ２とを比較することで、いずれの相駆動領域に属するかを判断する。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を２相で駆動している場合に、推定したコンバータ指令電圧の最大変化速度Ｖｃｍａｘが、２相駆動の安定限界値Ｖｓｓ２を超えてしまうことを検知すると、ハイブリッド制御部１０のコンバータ制御部（以下、単にコンバータ制御部と略称；決定手段）は、相数３以上でＤＣ−ＤＣコンバータ２０を駆動するように（すなわち、駆動相数が２以下となることを禁止して）、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の駆動を制御するコンバータ制御信号Ｃｃを電源制御部１１に出力する。

ここで、本実施形態では、システム状態からＦＣパワーの最大変化速度Ｖｐｍａｘを推定するため、例えば低負荷の定常運転時のようにＦＣパワーの最大変化速度Ｖｐｍａｘが遅い場合には、推定されるコンバータ指令電圧の最大変化速度Ｖｃｍａｘも遅くなる。このため、コンバータ指令電圧の最大変化速度Ｖｃｍａｘは、対応する相駆動の安定限界値Ｖｓｓ（例えば１相駆動の安定限界値Ｖｓｓ１）を上回ることはなく、小さな駆動相数（例えば１相）でＤＣ−ＤＣコンバータ２０が駆動されることとなり、エネルギーの損失が小さい効率的な運転が可能となる。別言すれば、燃料電池の常用域である低負荷領域のときにまで、不必要にＤＣ−ＤＣコンバータ２０を小さい相数（例えば１相）で駆動することが禁止されるわけではないため、燃費が悪化する等の問題も生じることはない。

さらに、ＦＣパワーの最大変化速度Ｖｐｍａｘは、増加側では燃料電池２２に対する反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）の供給の応答性で律速されるため、増加側のＦＣパワーの最大変化速度Ｖｐｍａｘは減少側のＦＣパワーの最大変化速度Ｖｐｍａｘよりも遅くなる。これを考慮すると、燃料電池２２のＩ−Ｖ特性が同じであってもＦＣパワーの増加側でのコンバータ指令電圧の最大変化速度Ｖｃｍａｘは、減少側でのコンバータ指令電圧の最大変化速度Ｖｃｍａｘよりも遅くなる。これにより、ＦＣパワーの増加側においてより少ない駆動相数での運転可能な領域が拡がり、エネルギー損失を低減すること（すなわち燃費の向上）が可能となる。

次に、図５を参照しながら、ハイブリッド制御部１０のコンバータ制御動作について説明する。
図５は、ハイブリッド制御部１０のコンバータ制御動作を示すフローチャートである。
ハイブリッド制御部１０の検出部は、上記のようにしてコンバータ指令電圧の最大変化速度Ｖｃｍａｘを求める。そして、予めメモリ（図示略）などに設定されている駆動相数毎の安定電圧変化速度の限界値（安定限界値）Ｖｓｓと比較する（ステップＳ１）。

検出部は、推定したコンバータ指令電圧の最大変化速度Ｖｃｍａｘと、対応する相数（例えば２相）の安定限界値よりも大きいと判断した場合には（ステップＳ１；ＹＥＳ）、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の駆動相数を所定値以下にすることを禁止する（ステップＳ２）。これを受け、ハイブリッド制御部１０のコンバータ制御部は、所定値よりも大きな相数でＤＣ−ＤＣコンバータ２０を駆動すべきコンバータ制御信号Ｃｃを生成し（ステップＳ３）、これを電源制御部１１に出力した後、処理を終了する。

一方、検出部は、ステップＳ１での判断結果に基づき、対応する相数（例えば２相）の安定限界値以下であると判断した場合には（ステップＳ１；ＮＯ）、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の駆動相数を所定値以下にすることなく、この結果をコンバータ制御部に通知する。コンバータ制御部は、この通知を受け、エネルギー損失の小さな所定値以下の相数でＤＣ−ＤＣコンバータ２０を駆動すべきコンバータ制御信号Ｃｃを生成し（ステップＳ３）、これを電源制御部１１に出力した後、処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、推定したコンバータの指令電圧の最大変化速度と、駆動相数毎の安定限界値とを比較し、比較結果に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータの駆動相数を所定値以下にすることを禁止する。これにより、燃料電池に対する要求パワーが急変した場合など、過渡性能を要求されるケースにおいても制御破綻を招来することはなく、出力パワーに対する出力電圧の変化率が大きいためにＤＣ−ＤＣコンバータに過電流が生じ、ＤＣ−ＤＣコンバータのシャットダウンによるシステムの停止や、素子破壊が生ずるといった問題を未然に防止することが可能となる。

なお、上述した本実施形態では、燃料電池２２の出力パワー（ＦＣパワー）を求め、図４Ａに示すようなＰ−Ｖ特性を逐次演算する場合について説明したが、ＦＣパワーの代わりにＦＣ電流を用いても良い。かかる場合には、Ｐ−Ｖ特性の代わりにＩ−Ｖ特性を逐次演算等行い、ＦＣ電流に対する出力電圧の変化率に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ２０の駆動相数を所定値以下にすることを禁止する等の判断を行っても良い。なお、かかる判断ロジックなどは、燃料電池２２のＦＣパワーを求めた場合と同様に説明することできるため、説明を割愛する。

Ｓａ…アクセル位置信号、Ｓｓ…シフト位置信号、Ｓｒ…車輪速信号、Ｃｉ…インバータ制御信号、Ｃｄ…デューティー比制御信号、Ｃｐｈ…相数切換制御信号、Ｖｉ…入力電圧、Ｖｏ…出力電圧、１…ハイブリッド燃料電池システム、１０…電源制御部、１４…バッテリコンピュータ、１５、１７、１９…電流センサ、１６、１８…電圧センサ、２０…ＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧変換器）、２２…燃料電池スタック、２３…逆流防止用ダイオード、２４…インバータ、２５…トラクションモータ、２６…減速機、２７…シャフト、２８…車輪速センサ、２９…車輪、Ｌ…リアクトル。

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電圧を制御することによって該燃料電池の出力電力を間接的に制御する多相コンバータと、
   前記多相コンバータの駆動相数を切換制御する駆動制御手段と、
   前記燃料電池に対する出力電力要求と、前記燃料電池の出力電力・出力電圧特性とに基づいて、前記多相コンバータへ指令する電圧の最大変化速度を演算する演算手段と、
   前記多相コンバータへ指令する電圧の最大変化速度と、前記多相コンバータが安定に動作できる駆動相数毎の安定動作限界値との比較結果に基づき、該多相コンバータの駆動相数を決定する決定手段とを備え、
   前記駆動制御手段は、決定された前記駆動相数にて前記多相コンバータの駆動を制御する、コンバータ制御装置。
2. 前記演算手段は、前記燃料電池の出力電力に対する出力電圧の変化率を求める第１演算手段と、前記燃料電池へ指令する出力電力の最大変化速度を求める第２演算出段と、前記出力電圧の変化率に前記出力電力の最大変化速度を乗じることにより、前記多相コンバータへ指令する電圧の最大変化速度を求める第３演算手段とを備え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。
3. 前記燃料電池の出力電流を検知する電流センサ、該燃料電池の出力電圧を検知する電圧センサをさらに備え、
   前記第１演算手段は、前記電流センサ及び前記電圧センサの検知結果に基づいて前記燃料電池の出力電力に対する出力電圧の変化率を求める、請求項２に記載のコンバータ制御装置。

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