JP6505062B2 - 電圧変換装置及び機器 - Google Patents

Description

本発明は、電源から入力される電力の電圧を変換して出力可能な電圧変換部を制御する機能を有する電圧変換装置に関する。

スイッチング方式のＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換部は、その出力電圧もしくは出力電流、あるいは、入力電圧もしくは入力電流を所要の目標値に制御することが可能である。

この種の電圧変換部を備える装置では、電圧変換部の出力電圧もしくは入力電圧を目標値に制御する電圧制御モードと、電圧変換部の出力電流もしくは入力電流を目標値に制御する電流制御モードとのそれぞれの制御モードで選択的に電圧変換部を動作させ得るようにしたものが従来より知られている。

例えば、特許文献１には、電圧制御帰還ループと電流制御帰還ループとを用いてＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング回路を制御する装置が記載されている。

また、例えば特許文献２には、電流制御信号から得られる電圧と電圧制御信号とを加算することにより生成した帰還電圧を基準電圧と比較し、その比較結果に応じて生成した制御信号により電圧変換部のスイッチングを制御する装置が記載されている。

特開昭６３−２５７４６１号公報 特開２０１０−１１０１４８号公報

特許文献１に見られる装置では、電圧制御帰還ループと電流制御帰還ループとのそれぞれで生成される信号を合成してなる制御信号により電圧変換部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）のスイッチング回路を制御するようにしている。

また、特許文献２に見られる装置では、電流制御信号から得られる電圧と電圧制御信号とを加算することにより生成した帰還電圧に応じて電圧変換部のスイッチ制御を行うようにしている。

しかしながら、これらの装置では、電圧制御を行う状態と、電流制御を行う状態との一方から他方への切替え時に、電圧変換部を制御する制御信号が急激に変化する虞がある。このため、電圧変換部の動作の安定性、ひいては、電圧変換部の出力電力の安定性が一時的に損なわれる虞がある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、電圧変換部の動作の安定性を保ちつつ、電圧制御を行う状態と電流制御を行う状態との切替を円滑に行うことができる電圧変換装置を提供することを目的とする。

また、かかる電圧変換装置を備える機器を提供することを目的とする。

本発明の電圧変換装置は、上記の目的を達成するために、電源に接続され、該電源から入力された電力の電圧を変換してなる電力を出力可能に構成された電圧変換部と、
前記電圧変換部の入力電流又は出力電流を制御するように前記電圧変換部を動作させる電流制御モードの制御処理と、該電圧変換部の入力電圧又は出力電圧を制御するように該電圧変換部を動作させる電圧制御モードの制御処理とを選択的に実行し得るように構成された制御部とを備えており、
前記制御部は、前記電流制御モードでは、前記電圧変換部の入力電流又は出力電流の計測値と目標電流との偏差である電流偏差に応じて電流制御用フィードバック制御処理を実行することより、該電流偏差をゼロに近づけるように前記電圧変換部を動作させ、前記電圧制御モードでは、前記電圧変換部の入力電圧又は出力電圧の計測値と目標電圧との偏差である電圧偏差に応じて決定した目標電流であって、前記電圧変換部の入力側と出力側とのうちの前記電流制御用フィードバック制御処理に用いる電流偏差と同じ側の目標電流である電圧制御用目標電流を用いて前記電流偏差を算出し、当該算出した電流偏差に応じて前記電流制御用フィードバック制御処理と同じ制御処理を実行することにより、前記電圧偏差をゼロに近づけるように前記電圧変換部を動作させるように構成されていることを特徴とする（第１発明）。

かかる第１発明によれば、前記電圧制御モードでは、前記電圧偏差に応じて電圧制御用目標電流を決定するので、該電圧偏差をゼロに近づけるための目標電流として、電圧制御用目標電流を決定できる。そして、かかる電圧制御用目標電流を用いることで、電流制御用フィードバック制御処理と同じ制御処理によって前記電圧変換部の動作を規定する操作量（制御入力）を決定できることとなる。

このため、制御モードの切替時に、電圧変換部の動作が不連続的に変化する（急激に変化する）のが防止される。

よって、第１発明によれば、電圧変換部の動作の安定性を保ちつつ、電圧制御を行う状態と電流制御を行う状態との切替を円滑に行うことができる。

上記第１発明では、前記制御部は、前記電圧制御モードでは、前記電圧偏差に応じて電圧制御用フィードバック制御処理を実行することにより該電圧偏差をゼロに近づける操作量を算出し、該操作量を用いて前記電圧制御用目標電流を決定するように構成され得る（第２発明）。

これによれば、前記操作量を用いて前記電圧制御用目標電流を決定することで、前記電圧偏差を適切にゼロに近づけ得るように電圧制御用目標電流を決定できる。

上記第２発明では、前記制御部が前記電圧制御モードで算出する前記操作量は、例えば前記電源の出力電流の補正量であり得る。この場合、前記制御部は、前記電源の出力電流と出力電圧との関係を表すあらかじめ作成された電流電圧特性データと前記電源の出力電圧の計測値とから規定される電流値、又は前記電源の出力電流の計測値を、前記補正量により補正することにより前記電圧制御用目標電流を決定するように構成されていることが好ましい（第３発明）。

なお、第３発明において、「前記電源の出力電流と出力電圧との関係を表すあらかじめ作成された電流電圧特性データに基づいて前記電源の出力電圧の計測値に対応して規定される電流値」というのは、換言すれば、前記電源の出力電圧の計測値に対して、前記電流電圧特性データにより示される前記電源の出力電流と出力電圧との関係に従って規定される電流値（出力電圧の計測値に対して当該関係を有する電流値）である。

上記第３発明によれば、前記電圧偏差を適切にゼロに近づけ得るように電圧制御用目標電流を決定する処理を好適に実現できる。

上記第３発明では、前記電源は、例えば、その出力電圧が出力電流の増加に伴い減少するという電流電圧特性を有する電源であり得る。この場合には、前記制御部は、前記電圧制御モードにおいて、前記電圧変換部の入力電圧又は出力電圧の計測値が前記目標電圧よりも大きい場合には、前記電源の出力電流を増加させる前記補正量を算出し、前記電圧変換部の入力電圧又は出力電圧の計測値が前記目標電圧よりも小さい場合には、前記電源の出力電流を減少させる前記補正量を算出するように構成されていることが好ましい（第４発明）。

これによれば、前記電圧偏差をゼロに近づけるための前記補正量を、前記電源の電流電圧特性に適合するように算出することができる。

上記第１〜第４発明では、前記電源は、その出力電流の変化に対する出力電圧の変化率である電圧変化率が該出力電流に応じて変化するという電流電圧特性を有する電源であり得る。この場合、前記制御部は、前記電源の動作領域のうち、前記電圧変化率が、前記電源の出力電圧の変化に対する該電源の出力電流の変化率である電流変化率よりも大きくなる領域で前記電圧制御モードの制御処理を実行するように構成されていることが好ましい（第５発明）。

これによれば、前記電圧制御モードの制御処理が、前記電源の出力電流の変化に対して出力電圧が感度よく変化する状態で実行される。このため、前記電圧偏差に対する前記補正量を小さくできる。ひいては、電圧制御モードでの目標電流の変化を極力抑制することが可能となる。この結果、電圧変換部の動作の安定性をより一層高めることが可能となる。

上記第１〜第５発明では、前記電源として、例えば燃料電池を使用し得る（第６発明）。

これによれば、燃料電池に好適に適用し得る電圧変換装置を提供できる。なお、この場合、燃料電池の電流電圧特性は、出力電圧が出力電流の増加に伴い減少すると共に、該出力電流の変化に対する該出力電圧の変化率が該出力電流の増加に伴い減少するという特性となる。

また、本発明の機器は、前記第１〜第６発明のいずれかの発明の電圧変換装置を備えることを特徴とする（第７発明）。

これによれば、前記第１〜第６発明に関して説明した効果を奏する機器を提供できる。なお、機器の一例としては、車両等の輸送機器を採用し得る。

本発明の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す図。 図２Ａは実施形態における電源（燃料電池）の出力電流に対する出力電圧の変化の特性を示すグラフ、図２Ｂは実施形態における電源（燃料電池）の出力電流に対する電圧変化率の変化の特性を示すグラフ、図２Ｃは電圧制御及び電流制御のそれぞれにおけるゲインが電源（燃料電池）の出力電流に応じて変化する特性を示すグラフ。 実施形態における電圧制御モードの制御処理を説明するためのグラフ。

本発明の一実施形態を図１〜図３を参照して以下に説明する。図１に示すように、本実施形態の電圧変換装置１は、電源２から入力される電力（直流電力）の電圧を変換してなる電力（直流電力）を出力する電圧変換部３と、電圧変換部３を制御する制御部１０とを備える。

この電圧変換装置１は、電源２の電力を使用して動作するアクチュエータ等を備える機器（図示省略）に搭載される。例えば、電圧変換装置１は、電源２の電力を使用して動作する走行用電動機を備える車両（電動車両又はハイブリッド車両）等に搭載され得る。

電源２は、本実施形態では、例えば燃料電池である。この電源２（以降、燃料電池２という）は、図２Ａ及び図２Ｂのグラフで例示する如きパターンの電流電圧特性を有する。

図２Ａは、燃料電池２の出力電圧が、出力電流の変化に対してどのように変化するかの特性を示すグラフである。図示の如く、燃料電池２の出力電圧は、出力電流の増加に伴い単調に減少していく。

また、図２Ｂは、燃料電池２の出力電流の変化に対する出力電圧の変化率である電圧変化率が、出力電流の変化に対してどのように変化するかの特性を示すグラフである。なお、電圧変化率は、より詳しくは、燃料電池２の出力電流の単位変化量（単位増加量）当たりの出力電圧の変化量（換言すれば、出力電圧Ｖを出力電流Ｉで微分してなる値dV/dI）の絶対値である。図示の如く、燃料電池２の電圧変化率は、出力電流の増加に伴い単調に減少していく。

なお、本明細書において、任意の状態量Ａが状態量Ｂの増加に対して単調に減少するというのは、状態量Ａが一定に維持される区間を部分的に含み得る形態での単調減少（広義の単調減少）を意味する。

図２Ａ及び図２Ｂのグラフから判るように、燃料電池２の出力電流及び出力電圧の組がある値（Ｉ0，Ｖ0）となる動作点Ｐ0での電圧変化率が「１」となる。換言すれば、その動作点（Ｉ0，Ｖ0）では、燃料電池２の電圧変化率は、その逆数値と一致する。

ここで、電圧変化率の逆数値は、燃料電池２の出力電圧の変化に対する出力電流の変化率（詳しくは、出力電圧の単位変化量当たりの出力電流の変化量の絶対値。以降、電流変化率という）に相当する。従って、上記動作点Ｐ0では、燃料電池２の電圧変化率と電流変化率とが互いに同一の値となる。以降、燃料電池２の上記動作点Ｐ0を基準動作点Ｐ0という。

なお、燃料電池２の上記の電流電圧特性は、本実施形態のものに限らず、一般の燃料電池で見られる特性である。

電圧変換部３は、スイッチング方式の公知の構成のＤＣ／ＤＣコンバータであり、その入力側（一次側）が、燃料電池２の正極端子及び負極端子に接続され、出力側（二次側）が電動アクチュエータ等の電気負荷Ｌに接続されている。

なお、電気負荷Ｌは、直流電力により動作可能なものに限られない。例えば、電圧変換部３と電気負荷Ｌとの間にインバータを介装することで、電気負荷Ｌとして、交流電力により動作可能もの（例えば誘導機、同期機等の電動機）を使用し得る。

上記電圧変換部３は、燃料電池２から入力される直流電力の電圧を変換（昇圧又は降圧）してなる直流電力を電気負荷Ｌ側に出力することが可能である。より詳しくは、電圧変換部３は、燃料電池２から直流電力が入力された状態で、該電圧変換部３に含まれるスイッチ素子（図示省略）のオンオフのデューティを制御することで、該デューティに応じた昇圧率（又は降圧率）で、入力された直流電力の電圧を昇圧（又は降圧）し、その昇圧（又は降圧）後の直流電力を電気負荷Ｌ側に出力する。

この電圧変換部３の動作制御のために、電圧変換部３の実際の入力電流Ｉ1_act（換言すれば、燃料電池２の出力電流）を検出する電流検出器４と、電圧変換部３の実際の入力電圧Ｖ1_act（換言すれば、燃料電池２の出力電圧）を検出する電圧検出器５とが電圧変換部３の入力側（一次側）に備えられている。

なお、本実施形態では、電圧変換部３の入力電流Ｉ1_act及び入力電圧Ｖ1_actのそれぞれは、燃料電池２の出力電流及び出力電圧のそれぞれに一致する。このため、本実施形態の説明では、電圧変換部３の入力電流と燃料電池２の出力電流とを同じ参照符号Ｉ1_actで表し、電圧変換部３の入力電圧と燃料電池２の出力電圧とを同じ参照符号Ｖ1_actで表す。

補足すると、電圧変換部３の入力側に、燃料電池２の以外の電源（例えば二次電池）がさらに接続されていてもよい。その場合、電圧変換部３の入力電流Ｉ1_act又は入力電圧Ｖ1_actを検出する検出器とは別に、燃料電池２の出力電流又は出力電圧を検出する検出器を備えてもよい。

制御部１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を含む１つ又は複数の電子回路ユニットにより構成されている。この制御部１０には、前記電流検出器４及び電圧検出器５のそれぞれの検出データが入力される。また、制御部１０には、電気負荷Ｌの動作状態を示す検出データ、あるいは、電気負荷Ｌの動作目標を示すデータ等も入力される。

そして、制御部１０は、実装されたハードウェア構成又はプログラム（ソフトウェア構成）によって実現される機能によって、電圧変換部３を制御する。

本実施形態では、制御部１０は、電圧変換部３の入力電圧Ｖ1_actを制御する電圧制御モードと、電圧変換部３の入力電流Ｉ1_actを制御する電流制御モードとの２種類の制御モードで選択的に電圧変換部３を制御する。

電圧制御モードは、より詳しくは、電圧変換部３の実際の入力電圧Ｖ1_actを所要の目標電圧に近づける（ひいては、収束させる）ように電圧変換部３を制御するモードである。また、電流制御モードは、より詳しくは、電圧変換部３の実際の入力電流Ｉ1_actを所要の目標電流に近づける（ひいては、収束させる）ように電圧変換部３を制御するモードである。

これらの制御モードの制御処理を行うために、制御部１０は、その機能として、制御モードの決定（選定）と各制御モードでの制御目標値（目標電圧Ｖ1_cmd又は目標電流Ｉ1_cmd1）とを決定する処理を実行する管理制御部１１と、電圧制御モードの制御処理を実行する電圧制御部１２と、電流制御モードの制御処理を実行する電流制御部１３と、電圧変換部３の動作を規定する制御信号を生成する制御信号生成部１４と、電流制御部１３に与える目標電流を制御モードに応じて切替える処理を実行する切替部１５とを備える。

ここで、本実施形態では、電圧制御モードでは、制御部１０は、電流制御モードにて電流制御部１３が実行するフィードバック制御処理と同じ制御処理を使用して、制御信号生成部１４に与える制御入力（操作量）を決定する。このため、電圧制御モードでは、電圧制御部１２は、電圧制御用の目標電流Ｉ1_cmd2を逐次生成する。

そして、切替部１５は、電圧制御モードでは、電圧制御部１２が生成した電圧制御用の目標電流Ｉ1_cmd2を電流制御部１３に出力する一方、電流制御モードでは、ゼロを電流制御部１３に出力する。

また、制御信号生成部１４が生成する制御信号は、本実施形態では、電圧変換部３のスイッチ素子のオンオフのデューティを規定するデューティ信号である。

以下に、制御部１０の処理の詳細を説明する。

制御部１０は、管理制御部１１の処理により制御モードを決定する。該管理制御部１１は、燃料電池２の出力電流Ｉ1_act及び出力電圧Ｖ1_actのいずれか一方、例えば、出力電流Ｉ1_actの計測値に応じて、制御モードを決定する。

ここで、図２Ａに示した電流電圧特性により規定される燃料電池２の動作領域のうち、出力電流Ｉ1_actが前記基準動作点Ｐ0での電流値Ｉ0よりも小さい領域（＝出力電圧Ｖ1_actが基準動作点Ｐ0での電圧値Ｖ0よりも大きい領域）と、出力電流Ｉ1_actが前記基準動作点Ｐ0での電流値Ｉ0よりも大きい領域（＝出力電圧Ｖ1_actが基準動作点Ｐ0での電圧値Ｖ0よりも小さい領域）とに着目した場合、Ｉ1_act＜Ｉ0となる領域（Ｖ1_act＞Ｖ0となる領域）は、換言すれば、燃料電池２の電流電圧特性により規定される電圧変化率が電流変化率よりも大きいものとなる領域である。従って、この領域では、出力電流Ｉ1_actの変化に対して出力電圧Ｖ1_actが感度よく変化する。このため、当該領域は、電圧制御モードの制御処理に適した領域である。

一方、Ｉ1_act＞Ｉ0となる領域（Ｖ1_act＜Ｖ0となる領域）は、換言すれば、燃料電池２の電流電圧特性により規定される電流変化率が電圧変化率よりも大きいものとなる領域である。従って、この領域では、出力電圧Ｖ1_actの変化に対して出力電流Ｉ1_actが感度よく変化する。このため、当該領域は、電流制御モードの制御処理に適した領域である。

そこで、管理制御部１１は、基本的には、Ｉ1_act＜Ｉ0となる領域（Ｖ1_act＞Ｖ0となる領域）では、電圧制御モードを実行対象の制御モードとして選定し、Ｉ1_act＞Ｉ0となる領域（Ｖ1_act＜Ｖ0となる領域）では、電流制御モードを実行対象の制御モードとして選定する。

ただし、Ｉ1_actが基準動作点Ｐ0での電流値Ｉ0よりも大きいか否か（又はＶ1_actが基準動作点Ｐ0での電圧値Ｖ0よりも大きいか否か）に応じて制御モードを決定すると、燃料電池２が基準動作点Ｐ0の近辺で電力供給を行っている状況で、制御モードが過剰に頻繁に切替わる虞がある。

そこで、本実施形態では、管理制御部１１は、基準動作点Ｐ0での電流値Ｉ0よりも若干小さい値にあらかじめ設定された下側閾値ＩthLと、電流値Ｉ0よりも若干大きい値にあらかじめ設定された上側閾値ＩthHとを用い、これらの閾値ＩthL，ＩthHと燃料電池２の出力電流Ｉ1_actとの大小関係に応じて、ヒステリシス特性を持たせるように制御モードの決定及び切替えを行う。

具体的には、管理制御部１１は、燃料電池２の出力電流Ｉ1_actの計測値が、下側閾値ＩthL以下の値である場合には、実行する制御モードとして電圧制御モードを選定し、Ｉ1_actの計測値が、上側閾値ＩthH以上の値である場合には、実行する制御モードとして電流制御モードを選定する。

また、管理制御部１１は、Ｉ1_actの計測値が、下側閾値ＩthLと上側閾値ＩthHとの間の範囲を逸脱した値から、該範囲内の値に変化した場合には、当該変化後の制御モードとして、当該変化の直前の制御モードと同じ制御モードを選定する。すなわち、Ｉ1_actの計測値が、Ｉ1_act≦ＩthLとなる状態から、ＩthL＜Ｉ1_act＜ＩthHとなる状態に変化した場合には、当該変化後の制御モードとして、電圧制御モードが選定され、Ｉ1_act≧ＩthHとなる状態から、ＩthL＜Ｉ1_act＜ＩthHとなる状態に変化した場合には、当該変化後の制御モードとして、電流制御モードが選定される。

このようにすることにより、制御モードの切替えが頻繁に生じるのを防止することができる。

なお、上記下側閾値ＩthL及び上側閾値ＩthHは、例えば図２ＣのＣ部の拡大図で示す如く設定され得る。これについては、後述する。

補足すると、上記では、燃料電池２の出力電流Ｉ1_actの計測値に応じて制御モードを決定する場合について説明したが、出力電圧Ｖ1_actの計測値に応じて制御モードを決定してもよい。

例えば、基準動作点Ｐ0での電圧値Ｖ0よりも若干小さい下側閾値ＶthLと、電圧値Ｖ0よりも若干大きい上側閾値ＶthHとを用いて、上記と同様に制御モードを決定することができる。

この場合、出力電圧Ｖ1_actに係る下側閾値ＶthL及び上側閾値ＶthHに関しては、燃料電池２の電流電圧特性において、出力電流Ｉ1_actが前記上側閾値ＩthHであるときの出力電圧Ｖ1_actの値と、出力電流Ｉ1_actが前記下側閾値ＩthLであるときの出力電圧Ｖ1_actの値とを、それぞれ、出力電圧Ｖ1_actに関する下側閾値ＶthL、上側閾値ＶthHとして採用し得る。

そして、燃料電池２の出力電圧Ｖ1_actの計測値が、Ｖ1_act≧ＶtHである場合に、電圧制御モードが選定され、Ｖ1_act≦ＶthLである場合に、電流制御モードが選定される。また、Ｖ1_actの計測値が、ＶthL＜Ｖ1_act＜ＶthHとなる範囲から逸脱した値から、該範囲内の値に変化した場合には、当該変化後の制御モードは、当該変化の直前の制御モードに維持される。

また、例えば、燃料電池２の電流電圧特性により規定される電圧変化率又は電流変化率と、燃料電池２の出力電流又は出力電圧との関係を表す相関データ（マップデータあるいは関数式等）をあらかじめ作成して制御部１０のメモリに記憶保持しておいてもよい。そして、出力電流又は出力電圧の計測値から、上記相関データにより求めた電圧変化率又は電流変化率を、前記基準動作点Ｐ0での電圧変化率又は電流変化率の値（＝１）の上下に設定した上側閾値及び下側閾値と比較することで、制御モードを選定するようにしてもよい。

管理制御部１１は、上記の如く選定した制御モードのそれぞれにおいて、制御目標値を逐次決定する。この場合、管理制御部１１は、電流制御モードでは、電圧変換部３の入力電流に関する目標電流Ｉ1_cmd1を決定し、電圧制御モードでは、電圧変換部３の入力電圧に関する目標電圧Ｖ1_cmdを決定する。

これらの目標電流Ｉ1_cmd1又は目標電圧Ｖ1_cmdは、例えば電気負荷Ｌの実際の動作状態、あるいは、目標とする動作状態等に応じて決定され得る。

管理制御部１１が電流制御モードを選定した状態では、制御部１０は、電流制御部１３の処理を実行し、さらに、制御信号生成部１４の処理を実行することで、電圧変換部３の制御信号（デューティ信号）を生成する。そして、制御部１０は、制御信号生成部１４で生成した制御信号により電圧変換部３のスイッチ素子のオンオフのデューティを制御する。

この場合、電流制御部１３の処理は、次のように実行される。電流制御モードでは、電流制御部１３には、管理制御部１１から目標電流Ｉ1_cmd1が入力されると共に、電流検出器４から電圧変換部３の入力電流Ｉ1_actの計測値が入力される。また、切替部１５から電流制御部１３への入力値はゼロである。

そして、電流制御部１３は、図１に示す如く、目標電流Ｉ1_cmd1と入力電流Ｉ1_actの計測値との偏差（＝Ｉ1_cmd1−Ｉ1_act。以降、電流偏差という）に応じて、フィードバック制御部１３ａにより、制御信号生成部１４に与える制御入力（操作量）を逐次決定する。

この場合、フィードバック制御部１３ａは、所定のフィードバック制御則により、上記電流偏差をゼロに近づけるように、制御入力を決定する。該フィードバック制御則としては、例えば、比例則、比例・微分則（ＰＤ制御則）、比例・積分則（ＰＩ制御則）、比例・微分・積分則（ＰＩＤ制御則）等を使用することができる。

そして、このフィードバック制御部１３ａの処理では、フィードバック制御のゲイン（電流制御用ゲイン）が、図２Ｃに例示する如く、燃料電池２の出力電流Ｉ1_actの計測値に応じて可変的に設定される。該電流制御用ゲインは、より詳しくは、前記電流偏差の変化に対する制御入力（操作量）の変化の感度（電流偏差の単位変化量当たりの制御入力の変化量）であり、例えば、フィードバック制御処理の演算処理における比例項（電流偏差に比例する項）の係数が該当する。

この場合、電流制御用ゲインは、図２Ｂに示した電圧変化率と同様の傾向で、出力電流Ｉ1_actに応じて変化するように、すなわち、出力電流Ｉ1_actの増加に伴い単調に減少していくように、あらかじめ作成されたマップ又は演算式等により設定される。

補足すると、電流制御用ゲインは、燃料電池２の出力電圧Ｖ1_actの計測値に応じて設定してもよい。この場合には、電流制御用ゲインは出力電圧Ｖ1_actの増加に伴い単調に増加していくように設定される。

電流制御部１３が上記の如く決定した制御入力に応じて制御信号生成部１４が生成する制御信号により、電圧変換部３のスイッチ素子のオンオフのデューティが制御される。これにより、電圧変換部３の実際の入力電流Ｉ1_actが、管理制御部１１で決定された目標電流Ｉ1_cmdに近づく（ひいては、収束する）ように、電圧変換部３の昇圧率（又は降圧率）が制御される。

次に、管理制御部１１が電圧制御モードを選定した状態では、制御部１０は、電圧制御部１２の処理を実行することで、電圧制御用の目標電流Ｉ1_cmd2を逐次決定し、この目標電流Ｉ1_cmd2を切替部１５を介して電流制御部１３に入力する。

また、電圧制御モードでは、制御部１０は、管理制御部１１が決定する目標電流Ｉ1_cmd1を、定常的にゼロ、又は、電流制御モードで使用した最終値に固定する。すなわち、電圧制御モードでは、電圧制御用の目標電流Ｉ1_cmd2、及び管理制御部１１が決定する目標電流Ｉ1_cmd1の両者が変動するのではなく、管理制御部１１から入力される目標電圧Ｖ1_cmdに基づき目標電流Ｉ1_cmd2が変動することとなる。

このため、電圧制御モードでは、電流制御部１３は、管理制御部１１が決定する固定値の目標電流Ｉ1_cmd1と、電圧制御部１２で決定された目標電流Ｉ1_cmd2とを用いて算出した電流偏差（＝Ｉ1_cmd1＋Ｉ1_cmd2−Ｉ1_act）に応じて、前記フィードバック制御部１３ａの処理を実行することで、制御入力（操作量）を決定する。

この電圧制御モードでの電圧制御部１２の処理は、次のように実行される。電圧制御モードでは、電圧制御部１２には、管理制御部１１から目標電圧Ｖ1_cmdが入力されると共に、電圧検出器５から電圧変換部３の入力電圧Ｖ1_actの計測値が入力される。

そして、電圧制御部１２は、目標電圧Ｖ1_cmdと入力電圧Ｖ1_actの計測値との偏差（＝Ｖ1_cmd−Ｖ1_act。以降、電圧偏差という）に応じて、フィードバック制御部１２ａにより、電圧変換部３の入力電流Ｉ1_actの電流調整量ΔＩ（入力電流Ｉ1_actの増減量）を逐次決定する。該電流調整量ΔＩは、本発明における補正量に相当する。

この場合、フィードバック制御部１２ａは、所定のフィードバック制御則により、上記電圧偏差をゼロに近づけるように、制御入力（操作量）としての電流調整量ΔＩを決定する。該フィードバック制御則としては、例えば、比例則、比例・微分則（ＰＤ制御則）、比例・積分則（ＰＩ制御則）、比例・微分・積分則（ＰＩＤ制御則）等を使用することができる。

そして、このフィードバック制御部１２ａの処理では、フィードバック制御のゲイン（電圧制御用ゲイン）が、図２Ｃに例示する如く、燃料電池２の出力電流Ｉ1_actの計測値に応じて可変的に設定される。該電圧制御用ゲインは、より詳しくは、前記電圧偏差の変化に対する電流調整量ΔＩの変化の感度（電圧偏差の単位変化量当たりの電流調整量ΔＩの変化量）であり、例えば、フィードバック制御処理の演算処理における比例項（電圧偏差に比例する項）の係数が該当する。

この場合、電圧制御用ゲインは、図２Ｂに示した電圧変化率の逆数値（すなわち、電流変化率）と同様の傾向で、出力電流Ｉ1_actに応じて変化するように、すなわち、出力電流Ｉ1_actの増加に伴い単調に増加していくように、あらかじめ作成されたマップ又は演算式等により設定される。

また、前記基準動作点Ｐ0での電圧制御用ゲインの値が、基準動作点Ｐ0での前記電流制御用ゲインの値と同じになるように、電圧制御用ゲイン及び電流制御用ゲインをそれぞれ決定するためのマップ又は演算式が設定されている。

補足すると、電圧制御用ゲインは、燃料電池２の出力電圧Ｖ1_actの計測値に応じて設定してもよい。この場合には、電圧制御用のゲインは出力電圧Ｖ1_actの増加に伴い単調に減少していくように設定される。

上記のようにフィードバック制御部１２ａの処理を実行することで、電圧変換部３の実際の入力電圧Ｖ1_actを、管理制御部１１で決定された目標電圧Ｖ1_cmdに近づける（ひいては、収束させる）ように、電流調整量ΔＩが逐次決定される。

図３は、このようにして決定される電流調整量ΔＩを例示している。図３において、ΔＩaは、電圧変換部３の入力電圧Ｖ1_actの計測値が、目標電圧Ｖ1_cmd_aよりも低い場合に決定される電流調整量ΔＩを例示している。この場合、電流調整量ΔＩaは、入力電圧Ｖ1_actを上昇させるために、燃料電池２の出力電流（電圧変換部３の入力電流）Ｉ1_actを減らす方向の値（＜０）となる。

また、図３において、ΔＩbは、電圧変換部３の入力電圧Ｖ1_actの計測値が、目標電圧Ｖ1_cmd_bよりも高い場合に決定される電流調整量ΔＩを例示している。この場合、電流調整量ΔＩbは、入力電圧Ｖ1_actを低下させるために、燃料電池２の出力電流（電圧変換部３の入力電流）Ｉ1_actを増やす方向の値（＞０）となる。

次いで、電圧制御部１２は、上記の如く決定した電流調整量ΔＩと、燃料電池２の出力電圧Ｖ1_actの現在の計測値とを用いて目標電流Ｉ1_cmd2を決定する処理を電圧制御用目標電流決定部１２ｂにより実行する。

この場合、図２Ａに示した燃料電池２の電流電圧特性を示すデータが、マップあるいはは関数式の形態で制御部１０にあらかじめ記憶保持されている。そして、電圧制御用目標電流決定部１２ｂは、出力電圧Ｖ1_actの計測値に対応する出力電流Ｉ1_actの値を、上記データに基づいて求め、この電流値に、電流調整量ΔＩを加算することで、目標電流Ｉ1_cmd2を決定する。

例えば、図３に例示した電流調整量ΔＩa，ΔＩbに対応して、それぞれ、図示の如く目標電流Ｉ1_cmd2_a，Ｉ1_cmd2_bが決定される。

なお、電流調整量ΔＩを、燃料電池２の出力電流Ｉ1_actの現在の計測値に加算することで、目標電流Ｉ1_cmd2を決定してもよい。

電圧制御モードでは、上記の如く電圧制御部１２により逐次決定される目標電流Ｉ1_cmd2が電流制御部１３に切替部１５を介して与えられる。そして、電流制御部１３は、この目標電流Ｉ1_cmd2を用いて電流制御モードと同じ処理を実行することで、電圧変換部３の入力電流Ｉ1_actを目標電流Ｉ1_cmd2に近づける（ひいては収束させる）ように制御入力を逐次決定する。さらに、この制御入力に応じて制御信号生成部１４が生成した制御信号によって、電圧変換部３のスイッチ素子のオンオフのデューティが制御される。

これにより、電圧変換部３の実際の入力電圧Ｖ1_actが、管理制御部１１で決定された目標電圧Ｖ1_cmdに近づく（ひいては、収束する）ように、電圧変換部３の昇圧率（又は降圧率）が制御される。

ここで、本実施形態における前記上側閾値ＩthH及び下側閾値ＩthLの設定態様について図２Ｃを参照して補足する。

本実施形態では、電流制御モードでの電流制御用ゲインと、電圧制御モードでの電圧制御用ゲインとが、燃料電池２の出力電流Ｉ1_actの計測値（又は出力電圧Ｖ1_actの計測値）に応じて前記した如く可変的に設定される。そして、本実施形態では、図２ＣのＣ部の拡大図で示す如く、燃料電池２の出力電流Ｉ1_actが上側閾値ＩthHに一致する場合の電圧制御用ゲイン（下側制御用ゲイン）の値と、燃料電池２の出力電流Ｉ1_actが下側閾値ＩthLに一致する場合の電流制御用ゲイン（上側制御用ゲイン）の値とが一致するように上側閾値ＩthH及び下側閾値ＩthLが設定されている。

以上説明した実施形態によれば、上記の如く、制御モードの選定及び切替えを行うので、燃料電池２の基準動作点Ｐ0の近辺の動作領域（ＩthL＜Ｉ1_act＜ＩthHとなる領域）を除いて、電圧制御モードの制御処理は、燃料電池２の電圧変化率が電流変化率よりも大きいものとなる領域で行われ、電流制御モードの制御処理は、燃料電池２の電流変化率が電圧変化率よりも大きいものとなる領域で行われる。このため、電圧制御モードの制御処理による電圧制御と、電流制御モードの制御処理による電流制御とをそれぞれ高い安定性で行うことができる。

そして、電圧変化率と電流変化率とが互いに同一となる基準動作点Ｐ0の近辺で制御モードが切替えられると共に、各制御モードでのゲイン（電圧制御用ゲイン及び電流制御用ゲイン）が上記の如く設定されるので、制御モードの切替えの前後における電圧変換部３の動作が大きく変化するのが防止され、該電圧変換部３の動作、ひいては、該電圧変換部３から出力される電力の安定性を高めることができる。

特に、本実施形態では、電圧制御モードと電流制御モードとのいずれの制御モードでも、共通のフィードバック制御部１３ａの制御処理により、制御信号生成部１４に与える制御入力（操作量）を決定するので、制御モードの切替えの前後で、制御信号生成部１４に与える制御入力（操作量）を滑らかに変化させることができる。ひいては、電圧変換部３の動作の安定性を高めることができる。

なお、以上説明した実施形態では、電圧制御モードでは、電圧変換部３の入力電圧Ｖ1_actを制御したが、入力電圧Ｖ1_actの代わりに、電圧変換部３の出力電圧を制御してもよい。

また、電流制御モードでは、電圧変換部３の入力電流Ｉ1_actを制御したが、入力電流Ｉ1_actの代わりに、電圧変換部３の出力電流Ｉ1_actを制御してもよい。

また、前記実施形態では、制御モードの切替のために上側閾値ＩthH及び下側閾値ＩthLを用いたが、基準動作点Ｐ0における燃料電池２の出力電流値Ｉ0又は出力電圧値V0を閾値として用いて、制御モードの切替えを行うようにしてもよい。この場合には、出力電流Ｉ1_actの計測値が閾値Ｉ0よりも大きい場合、あるいは、出力電圧Ｖ1_actの計測値が閾値Ｖ0よりも小さい場合に、電流制御モードを選定し、出力電流Ｉ1_actの計測値が閾値Ｉ0よりも小さい場合、あるいは、出力電圧Ｖ1_actの計測値が閾値Ｖ0よりも大きい場合に、電圧制御モードを選定するようにすればよい。

また、前記実施形態では、制御モードの切替えを、電源２の基準動作点Ｐ0の近辺で行うようにしたが、制御モードの切替えは、例えば、電気負荷Ｌの実際の動作状態、あるいは、目標とする動作状態に応じて行うようにしてもよい。あるいは、例えば、電源２を含む複数の電源から電圧変換部３に電力を供給し得る場合には、それらの各電源の状態等に応じて制御モードの切替えを行うようにしてもよい。

また、前記実施形態では、電源２が燃料電池である場合を例にとって説明したが、電源２は燃料電池以外の電源（例えば二次電池もしくはキャパシタにより構成される電源等）であってもよい。そして、電源２の電流電圧特性は、図２Ａ及び図２Ｂに示したパターンと異なるパターンの特性であってもよい。

１…電圧変換装置、２…電源（燃料電池）、３…電圧変換部、１０…制御部。

Claims (7)

1. 電源に接続され、該電源から入力された電力の電圧を変換してなる電力を出力可能に構成された電圧変換部と、
   前記電圧変換部の入力電流又は出力電流を制御するように前記電圧変換部を動作させる電流制御モードの制御処理と、該電圧変換部の入力電圧又は出力電圧を制御するように該電圧変換部を動作させる電圧制御モードの制御処理とを選択的に実行し得るように構成された制御部とを備えており、
   前記制御部は、前記電流制御モードでは、前記電圧変換部の入力電流又は出力電流の計測値と目標電流との偏差である電流偏差に応じて電流制御用フィードバック制御処理を実行することより、該電流偏差をゼロに近づけるように前記電圧変換部を動作させ、前記電圧制御モードでは、前記電圧変換部の入力電圧又は出力電圧の計測値と目標電圧との偏差である電圧偏差に応じて決定した目標電流であって、前記電圧変換部の入力側と出力側とのうちの前記電流制御用フィードバック制御処理に用いる電流偏差と同じ側の目標電流である電圧制御用目標電流を用いて前記電流偏差を算出し、当該算出した電流偏差に応じて前記電流制御用フィードバック制御処理と同じ制御処理を実行することにより、前記電圧偏差をゼロに近づけるように前記電圧変換部を動作させるように構成されていることを特徴とする電圧変換装置。
2. 請求項１記載の電圧変換装置において、
   前記制御部は、前記電圧制御モードでは、前記電圧偏差に応じて電圧制御用フィードバック制御処理を実行することにより該電圧偏差をゼロに近づける操作量を算出し、該操作量を用いて前記電圧制御用目標電流を決定するように構成されていることを特徴とする電圧変換装置。
3. 請求項２記載の電圧変換装置において、
   前記制御部が前記電圧制御モードで算出する前記操作量は、前記電源の出力電流の補正量であり、前記制御部は、前記電源の出力電流と出力電圧との関係を表すあらかじめ作成された電流電圧特性データに基づいて前記電源の出力電圧の計測値に対応して規定される電流値、又は前記電源の出力電流の計測値を、前記補正量により補正することにより前記電圧制御用目標電流を決定するように構成されていることを特徴とする電圧変換装置。
4. 請求項３記載の電圧変換装置において、
   前記電源は、その出力電圧が出力電流の増加に伴い減少するという電流電圧特性を有する電源であり、
   前記制御部は、前記電圧制御モードにおいて、前記電圧変換部の入力電圧又は出力電圧の計測値が前記目標電圧よりも大きい場合には、前記電源の出力電流を増加させる前記補正量を算出し、前記電圧変換部の入力電圧又は出力電圧の計測値が前記目標電圧よりも小さい場合には、前記電源の出力電流を減少させる前記補正量を算出するように構成されていることを特徴とする電圧変換装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電圧変換装置において、
   前記電源は、その出力電流の変化に対する出力電圧の変化率である電圧変化率が該出力電流に応じて変化するという電流電圧特性を有する電源であり、
   前記制御部は、前記電源の動作領域のうち、前記電圧変化率が、前記電源の出力電圧の変化に対する該電源の出力電流の変化率である電流変化率よりも大きくなる領域で前記電圧制御モードの制御処理を実行するように構成されていることを特徴とする電圧変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電圧変換装置において、
   前記電源は、燃料電池であることを特徴とする電圧変換装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電圧変換装置を備えることを特徴とする機器。