WO2011004492A1 - コンバータ制御装置 - Google Patents

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WO2011004492A1
WO2011004492A1 PCT/JP2009/062594 JP2009062594W WO2011004492A1 WO 2011004492 A1 WO2011004492 A1 WO 2011004492A1 JP 2009062594 W JP2009062594 W JP 2009062594W WO 2011004492 A1 WO2011004492 A1 WO 2011004492A1
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voltage
auxiliary circuit
auxiliary
converter
circuit
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長谷川　貴彦
伸之 北村
晃太 真鍋
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トヨタ自動車株式会社
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a converter control device that controls the output voltage of a fuel cell.
  • the output voltage of the fuel cell and the output voltage of the battery are controlled by a DC / DC converter.
  • a DC / DC converter that performs such control a type that performs voltage conversion by causing a switching element such as a power transistor, IGBT, or FET to perform PWM operation is widely used.
  • DC / DC converters are required to have further lower loss, higher efficiency, and lower noise in accordance with power saving, downsizing, and higher performance of electronic devices, and in particular, switching loss and switching surge associated with PWM operation. Reduction is desired.
  • the soft switching is a switching method for realizing ZVS (Zero Voltage Switching) or ZCS (Zero Current Switching), and the switching loss of the power semiconductor device and the stress applied thereto are low.
  • ZVS Zero Voltage Switching
  • ZCS Zero Current Switching
  • hard switching a switching method in which the voltage / current is directly turned on / off by the switching function of the power semiconductor device is called hard switching.
  • soft switching a method in which both or one of ZVS / ZCS is realized is called soft switching, and the other is called hard switching.
  • Soft switching is realized by, for example, a common buck-boost type DC / DC converter including an inductor, a switching element, and a diode to which an auxiliary circuit for reducing switching loss is added (so-called soft switching converter) (for example, a patent) Reference 1).
  • the present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object of the present invention is to provide a converter control device that can easily and quickly detect an abnormality in an auxiliary circuit constituting a soft switching converter.
  • a converter control device is a control device for a soft switching converter including a main booster circuit and an auxiliary circuit for controlling an output voltage of a fuel cell, wherein the auxiliary circuit includes the auxiliary circuit, An auxiliary switch connected in parallel to a main switch constituting a main booster circuit, and a clamp diode connected in parallel to the main switch and connected to a high potential side terminal and a low potential side terminal of the fuel cell And a first series connection body in which a snubber capacitor is connected in series, and the converter control device detects a voltage across the snubber capacitor clamped by the clamp diode when the main switch is turned off.
  • the detection means compares the voltage across the snubber capacitor with a set normal voltage threshold, and the voltage across the snubber capacitor Characterized by comprising a determining means for determining an abnormality in the previous year auxiliary circuit has occurred when it exceeds the threshold.
  • the apparatus further includes a difference deriving unit that obtains a differential voltage between the voltage across the snubber capacitor and the voltage across the main switch, and the determination unit includes the failure determination threshold set as the differential voltage. It is preferable that when the differential voltage exceeds the failure determination value, it is determined that an abnormality has occurred in the auxiliary circuit.
  • the apparatus further includes fail-safe means for stopping the operation of the main booster circuit when it is determined that an abnormality has occurred in the auxiliary circuit.
  • fail-safe means for limiting a change rate of a current flowing through the main switch of the main booster circuit to a threshold change rate or less.
  • the aspect which further comprises is preferable.
  • the fail-safe means has a gate resistance when it is determined that an abnormality has occurred in the auxiliary circuit, and the main switch when the auxiliary circuit is determined to be normal.
  • a mode in which the rate of change of the current is limited to a threshold rate of change or less may be set by setting a value larger than the gate resistance.
  • the fail-safe means has a maximum allowable load value when it is determined that an abnormality has occurred in the auxiliary circuit, and when the auxiliary circuit is determined to be normal. It is also preferable that the current change rate be limited to a threshold change rate or less by setting the load smaller than the maximum allowable value.
  • the auxiliary circuit includes a diode, an auxiliary coil, and the auxiliary switch connected between a connection portion of the clamp diode and the snubber capacitor and one end of the main coil.
  • the aspect further provided with the 2nd serial connection body by which these were connected in series is preferable.
  • the main booster circuit includes a main coil having one end connected to the high potential side terminal of the fuel cell, and a first diode having a cathode connected to the other end of the main coil. And a smoothing capacitor connected to the anode of the first diode and a terminal on the low potential side of the fuel cell, wherein the main switch has one end connected to the other end of the main coil and the other end connected to the fuel.
  • the soft switching converter is a multi-phase soft switching converter provided with the auxiliary circuit for each phase, and the auxiliary coil constituting the auxiliary circuit of each phase is an auxiliary of all phases.
  • a common mode for the circuit is preferable.
  • the present invention it is possible to easily and quickly detect an abnormality in the auxiliary circuit constituting the soft switching converter.
  • FIG. 6 is a diagram showing an operation in mode 1.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an operation in mode 2.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an operation in mode 3.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an operation in mode 4.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an operation in mode 5.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an operation in mode 6.
  • FIG. 1 shows a configuration of an FCHV system mounted on a vehicle according to the present embodiment.
  • a fuel cell vehicle FCHV
  • FCHV fuel cell vehicle
  • the present invention can also be applied to an electric vehicle.
  • the present invention can be applied not only to vehicles but also to various moving bodies (for example, ships, airplanes, robots, etc.), stationary power sources, and portable fuel cell systems.
  • the FCHV system 100 includes an FC converter 2500 between the fuel cell 110 and the inverter 140, and a DC / DC converter (hereinafter referred to as a battery converter) 180 between the battery 120 and the inverter 140. .
  • the fuel cell 110 is a solid polymer electrolyte cell stack in which a plurality of unit cells are stacked in series.
  • the fuel cell 110 is provided with a voltage sensor V0 for detecting the output voltage Vfcmes of the fuel cell 110 and a current sensor I0 for detecting the output current Ifcmes.
  • V0 for detecting the output voltage Vfcmes of the fuel cell 110
  • I0 for detecting the output current Ifcmes.
  • the oxidation reaction of the formula (1) occurs in the anode electrode
  • the reduction reaction of the formula (2) occurs in the cathode electrode
  • the electromotive reaction of the formula (3) occurs in the fuel cell 110 as a whole.
  • the unit cell has a structure in which a MEA in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between two electrodes, a fuel electrode and an air electrode, is sandwiched between separators for supplying fuel gas and oxidizing gas.
  • the anode electrode is provided with an anode electrode catalyst layer on the porous support layer
  • the cathode electrode is provided with a cathode electrode catalyst layer on the porous support layer.
  • the fuel cell 110 is provided with a system for supplying fuel gas to the anode electrode, a system for supplying oxidizing gas to the cathode electrode, and a system for supplying coolant (all not shown). By controlling the supply amount of the fuel gas and the supply amount of the oxidizing gas according to the signal, it is possible to generate desired power.
  • the FC converter 2500 plays a role of controlling the output voltage Vfcmes of the fuel cell 110, and converts the output voltage Vfcmes input to the primary side (input side: fuel cell 110 side) into a voltage value different from the primary side ( Step-up or step-down) and output to the secondary side (output side: inverter 140 side). Conversely, the voltage input to the secondary side is converted to a voltage different from the secondary side and output to the primary side.
  • the FC converter 2500 controls the output voltage Vfcmes of the fuel cell 110 to be a voltage corresponding to the target output.
  • the battery 120 is connected in parallel to the fuel cell 110 with respect to the load 130, and stores a surplus power storage source, a regenerative energy storage source during regenerative braking, and an energy buffer when the load fluctuates due to acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle.
  • a secondary battery such as a nickel / cadmium storage battery, a nickel / hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery is used.
  • the battery converter 180 plays a role of controlling the input voltage of the inverter 140 and has a circuit configuration similar to that of the FC converter 2500, for example. Note that a step-up converter may be employed as the battery converter 180, but a step-up / step-down converter capable of step-up and step-down operations may be employed instead, and the input voltage of the inverter 140 can be controlled. Any configuration can be adopted.
  • the inverter 140 is, for example, a PWM inverter driven by a pulse width modulation method, and converts DC power output from the fuel cell 110 or the battery 120 into three-phase AC power in accordance with a control command from the controller 160, thereby obtaining a traction motor.
  • the rotational torque of 131 is controlled.
  • the traction motor 131 is the main power of the vehicle, and generates regenerative power when decelerating.
  • the differential 132 is a reduction device that reduces the high-speed rotation of the traction motor 131 to a predetermined number of rotations and rotates the shaft on which the tire 133 is provided.
  • the shaft is provided with a wheel speed sensor (not shown) and the like, thereby detecting the vehicle speed of the vehicle.
  • all devices including the traction motor 131 and the differential 132) that can operate by receiving power supplied from the fuel cell 110 are collectively referred to as a load 130.
  • the controller 160 is a computer system for controlling the FCHV system 100 and includes, for example, a CPU, a RAM, a ROM, and the like.
  • the controller 160 inputs various signals (for example, a signal representing the accelerator opening, a signal representing the vehicle speed, a signal representing the output current and output terminal voltage of the fuel cell 110) supplied from the sensor group 170, and the load.
  • the required power of 130 (that is, the required power of the entire system) is obtained.
  • the required power of the load 130 is, for example, the total value of the vehicle travel power and the auxiliary power.
  • Auxiliary power is the power consumed by in-vehicle accessories (humidifiers, air compressors, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.), and equipment required for vehicle travel (transmissions, wheel control devices, steering devices, and suspensions) Power consumed by devices, etc., and power consumed by devices (air conditioners, lighting fixtures, audio, etc.) disposed in the passenger space.
  • the controller 160 determines the distribution of output power between the fuel cell 110 and the battery 120, and calculates a power generation command value.
  • the controller 160 obtains the required power for the fuel cell 110 and the battery 120
  • the controller 160 controls the operations of the FC converter 2500 and the battery converter 180 so that the required power is obtained.
  • the FC converter 2500 has a circuit configuration as a three-phase resonant converter composed of a U phase, a V phase, and a W phase.
  • the circuit configuration of the three-phase resonant converter combines an inverter-like circuit part that once converts an input DC voltage into AC, and a part that rectifies the AC again to convert it to a different DC voltage.
  • a multi-phase soft switching converter hereinafter referred to as a multi-phase FC soft switching converter
  • a freewheel circuit (details will be described later) is employed as the FC converter 2500.
  • A-2-1. 2 is a diagram showing a circuit configuration of a multi-phase FC soft switching converter 2500 mounted on the FCHV system 100
  • FIG. 3 is a diagram of the multi-phase FC soft switching converter 2500. It is a figure which shows the circuit structure for 1 phase.
  • FC soft switching converters 250a, 25b, and 250c the U-phase, V-phase, and W-phase FC soft switching converters constituting the multi-phase FC soft switching converter 2500 are referred to as FC soft switching converters 250a, 25b, and 250c, respectively, and need not be particularly distinguished. In some cases, it is simply called FC soft switching converter 250. Further, the voltage before boosting input to the FC soft switching converter 250 is called a converter input voltage Vin, and the voltage after boosting output from the FC soft switching converter 250 is called a converter output voltage Vout.
  • each FC soft switching converter 250 includes a main boosting circuit 22a for performing a boosting operation, an auxiliary circuit 22b for performing a soft switching operation, and a freewheel circuit 22c. .
  • the main booster circuit 22a switches the energy stored in the coil L1 to the load 130 via the diode D5 by the switching operation of the switching circuit including the first switching element S1 made of IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and the diode D4.
  • the output voltage of the fuel cell 110 is boosted by releasing.
  • one end of the coil L1 is connected to the high potential side terminal of the fuel cell 110, one pole of the first switching element S1 is connected to the other end of the coil L1, and the other end of the first switching element S1. Is connected to the low potential side terminal of the fuel cell 110.
  • the cathode terminal of the diode D5 is connected to the other end of the coil L1, and the capacitor C3 functioning as a smoothing capacitor is connected between the anode terminal of the diode D5 and the other end of the first switching element S1.
  • the main booster circuit 22a is provided with a smoothing capacitor C1 on the fuel cell 110 side, which makes it possible to reduce the ripple of the output current of the fuel cell 110.
  • a voltage sensor Sv1 that detects the voltage across the first switching element S1 is provided.
  • the voltage VH applied to the capacitor C3 becomes the converter output voltage Vout of the FC soft switching converter 150
  • the voltage VL applied to the smoothing capacitor C1 is the output voltage of the fuel cell 110 and the converter input voltage of the FC soft switching converter 150. Vin.
  • the auxiliary circuit 22b includes a first series connection body including a clamp diode D3 connected in parallel to the first switching element S1 and a snubber capacitor C2 connected in series to the clamp diode D3.
  • the cathode terminal of the clamp diode D3 is connected to the other end of the coil L1, and the anode terminal of the clamp diode D3 is connected to one end of the snubber capacitor C2.
  • the other end of the snubber capacitor C2 is connected to a terminal on the low potential side of the fuel cell 110.
  • a voltage sensor Sv2 that detects the voltage across the snubber capacitor C2 is provided.
  • the auxiliary circuit 22b includes a diode D2, a second switching element S2, a diode D1, and a second series connection body configured by an auxiliary coil L2 common to each phase.
  • the anode terminal of the diode D2 is connected to the connection portion between the diode D3 of the first series connection body and the snubber capacitor C2.
  • the cathode terminal of the diode D2 is connected to the pole at one end of the second switching element (auxiliary switch) S2.
  • the pole of the other end of the second switching element S2 is connected to a connection site between the auxiliary coil L2 and the freewheel circuit 22c.
  • the anode terminal of the freewheel diode D6 is connected to the low potential side of the fuel cell 110, while the cathode terminal of the freewheel diode D6 is connected to the auxiliary coil L2.
  • This free wheel circuit 22c includes a common free wheel diode D6 for each phase, and even if the second switching element S2 has an open failure while the auxiliary coil L2 is energized, the second switching element S2 is provided. This is a circuit for realizing a fail-safe function provided in order to prevent the occurrence of a surge voltage that would break down. Note that the present invention can also be applied to a configuration that does not include the freewheel circuit 22c.
  • the controller 160 adjusts the switching duty ratio of the first switching element S1 of each phase, whereby the boost ratio by the FC soft switching converter 250, that is, the converter input voltage Vin is adjusted.
  • the ratio of the converter output voltage Vout is controlled.
  • soft switching is realized by interposing the switching operation of the second switching element S2 of the auxiliary circuit 12b in the switching operation of the first switching element S1.
  • FIG. 4 is a flowchart showing one cycle of processing (hereinafter referred to as soft switching processing) of the FC soft switching converter 25 through the soft switching operation.
  • the controller 160 sequentially executes steps S101 to S106 shown in FIG. Form one cycle.
  • modes representing the current and voltage states of the FC soft switching converter 25 are expressed as modes 1 to 6, respectively, and the states are shown in FIGS. 5 to 10, the current flowing through the circuit is indicated by an arrow.
  • the initial state in which the soft switching process shown in FIG. 4 is performed is a state where power required for the load 130 is supplied from the fuel cell 110, that is, both the first switching element S1 and the second switching element S2 are turned off. Thus, a current is supplied to the load 130 via the coil L1 and the diode D5.
  • step S101 the first switching element S1 is kept turned off while the second switching element S2 is turned on.
  • the current flowing to the load 130 side through the coil L1, the diode D3, the second switching element S2, and the auxiliary coil L2 due to the potential difference between the output voltage VH of the FC soft switching converter 150 and the input voltage VL. Then, it gradually shifts to the auxiliary circuit 12b side.
  • the state of current transfer from the load 130 side to the auxiliary circuit 12b side is indicated by a white arrow.
  • the transition completion time tmode1 from mode 1 to mode 2 is represented by the following equation (4). Ip; phase current L2id; inductance of auxiliary coil L2
  • FIG. 12 is a diagram showing the voltage / current behavior in the transition process from mode 2 to mode 3, wherein the voltage of the fuel cell 110 is a thick solid line, the voltage of the snubber capacitor C2 is a thin solid line, and the current of the snubber capacitor C2 is shown. It is indicated by a broken line.
  • the path Dm21 shown in FIG. 6 is started (see (A) in FIG. 12)
  • the path Dm22 shown in FIG. 6 is caused by the potential difference between the voltage VH of the snubber capacitor C2 and the voltage VL of the fuel cell 110.
  • Energization that is, energization of the auxiliary coil L2 is started (see (B) shown in FIG. 12).
  • the current of the snubber capacitor C ⁇ b> 2 continues to rise until the voltage of the snubber capacitor C ⁇ b> 2 reaches the voltage VL of the battery 110.
  • the electric charge accumulated in the snubber capacitor C2 begins to be regenerated to the power source side due to the potential difference between the voltage VH of the snubber capacitor C2 and the voltage VL of the fuel cell 110 (arrow Dm22 shown in FIG. 6), the original potential difference is ( VH ⁇ VL), the flow of electric charge (discharge) accumulated in the snubber capacitor C2 stops when it reaches the power supply voltage (that is, the voltage VL of the fuel cell 110) (timing Tt1 shown in FIG. 12).
  • the current Il1 flowing in the coil L1 is the sum of the current Idm31 flowing on the auxiliary circuit 12b side indicated by the arrow Dm31 and the current Idm32 flowing through the first switching element S1 indicated by the arrow Dm32 (the following equation (6) reference).
  • the current Idm31 flowing through the first switching element S1 is determined according to the decreasing rate of the current Idm31 flowing through the auxiliary circuit 12b.
  • the current change rate of the current Idm31 flowing to the auxiliary circuit 12b side is expressed by the following equation (7). That is, the current Idm31 flowing to the auxiliary circuit 12b side decreases at the change rate of the following equation (7), so the first switching Even if the element S1 is turned on, the current flowing through the first switching element S1 does not suddenly rise, and ZCS (Zero Current Switching) is realized.
  • step S104 the state of step S103 continues, increasing the amount of current flowing into the coil L1 and gradually increasing the energy stored in the coil L1 (see arrow Dm42 in FIG. 8).
  • the auxiliary circuit 12b includes the diode D2
  • no reverse current flows through the auxiliary coil L2
  • the snubber capacitor C2 is not charged via the second switching element S2.
  • the first switching element S1 since the first switching element S1 is turned on, the snubber capacitor C2 is not charged via the diode D3. Therefore, the current of the coil L1 is equal to the current of the first switching element S1, and the energy stored in the coil L1 is gradually increased.
  • control period means a time period of the soft switching process when a series of processes from step S101 to step S106 is defined as one period (one cycle).
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship among the voltage Vc of the snubber capacitor C2, the voltage Ve applied to the first switching element S1, and the current Ie flowing through the first switching element S1 in mode 5.
  • the charge is removed from the snubber capacitor C2, which is in a low voltage state in mode 2, so that the voltage Vc of the snubber capacitor C2 becomes the converter output voltage of the FC soft switching converter 150. Rise toward VH.
  • the rising speed of the voltage Ve applied to the first switching element S1 is suppressed by charging the snubber capacitor C2 (that is, the rise of the voltage is slowed down), and switching loss at the time of turn-off (see ⁇ shown in FIG. 11). It is possible to perform a ZVS operation for reducing the above.
  • the switching loss of the FC soft switching converter 150 can be suppressed as much as possible, and the output voltage of the fuel cell 110 can be increased to a desired voltage and supplied to the load 130. It becomes.
  • FIG. 13 shows the voltage across the snubber capacitor C2 (solid line), the voltage across the first switching element S1 (broken line), and the first switching element S1 when the auxiliary circuit 22b of the FC soft switching converter 150 is normal.
  • FIG. 14 is a diagram showing current (one-dot chain line), and FIG. 14 shows a snubber when an open failure occurs in the auxiliary circuit 22b of the FC soft switching converter 150 (that is, when the second switching element S2 is always off).
  • the voltage Vc2 across the snubber capacitor C2 and the first switching element S1 The difference voltage ⁇ V from the both-end voltage Vs1 is obtained, and when the obtained difference voltage ⁇ V is equal to or greater than the difference voltage threshold, it is determined that a failure (open failure) has occurred in the auxiliary circuit 22b.
  • the differential voltage threshold value and the normal voltage threshold value may be obtained in advance through experiments or the like.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a failure determination process of the auxiliary circuit 22b executed by the controller 160.
  • the controller (difference deriving means) 160 turns off the first switching element S1 in accordance with the transition from mode 4 shown in FIG. 8 to mode 5 shown in FIG. 9 (step S1), for example, the voltage Vc2 across the snubber capacitor C2
  • the voltage Vs1 across the first switching element S1 is detected to determine the differential voltage ⁇ V.
  • the controller 160 compares the obtained difference voltage ⁇ V with a voltage threshold value stored in a memory (not shown), and determines whether or not the difference voltage ⁇ V is equal to or greater than the difference voltage threshold value (step S2).
  • the controller 160 determines that the auxiliary circuit 22b is normal and ends the process. On the other hand, if the differential voltage ⁇ V is equal to or higher than the differential voltage threshold, the controller (determination means, fail-safe means) 160 determines that a failure (open failure) has occurred in the auxiliary circuit 22b, and the failure shown in step S3. Shift to safe operation and end the process.
  • the fail-safe operation the converter of the phase (for example, U phase) determined to have an open failure in the auxiliary circuit 22b is stopped, and the converter of the remaining phase (for example, V phase, W phase) is used. Then, the load 130 is driven.
  • FIG. 16 is a flowchart showing a failure determination process of the auxiliary circuit 22b according to the first modification.
  • the steps corresponding to FIG. 15 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the controller 160 compares the detected both-end voltage Vc2 of the snubber capacitor C2 with a normal voltage threshold stored in a memory (not shown), and determines whether or not the both-end voltage Vc2 of the snubber capacitor C2 is equal to or higher than the normal voltage threshold. (Step Sa2).
  • the controller 160 determines that the auxiliary circuit 22b is normal and ends the process. On the other hand, if the voltage Vc2 across the snubber capacitor C2 is equal to or higher than the normal voltage threshold, the controller (determination means, failsafe means) 160 determines that a failure (open failure) has occurred in the auxiliary circuit 22b, and the step The process proceeds to the fail-safe operation shown in S3, and the process ends.
  • the fail-safe operation the converter of the phase (for example, U phase) determined to have an open failure in the auxiliary circuit 22b is stopped, and the converter of the remaining phase (for example, V phase, W phase) is used. Then, the load 130 is driven.
  • the phase converter in which it is determined that an open failure has occurred is stopped, and the load 130 is driven using the remaining phase converter. It is not limited to this.
  • hard switching may be performed instead of soft switching.
  • problems such as element destruction may occur with respect to the first switching element S1, and therefore it is only necessary to limit the output in advance so as to suppress the rate of change of current.
  • the controller (fail-safe means) 160 monitors and restricts the change rate of the current flowing through the first switching element S1 to be equal to or less than a preset threshold change rate.
  • the gate resistance of the first switching element S1 when performing hard switching, it is only necessary to limit the output by increasing the gate resistance of the first switching element S1 or by setting the maximum allowable value of the load 130 to be low.
  • the gate resistance of the first switching element S1 for example, when an open failure occurs in the gate resistance (hereinafter referred to as the first gate resistance) R1 used when the auxiliary circuit 22b is normal and the auxiliary circuit 22b.
  • the controller 160 performs selective switching of the gate resistance of the first switching element S1 based on the execution result of the failure determination processing shown in FIGS.
  • step S2 or step S2a; NO when the controller 160 determines that the auxiliary circuit 22b is normal (step S2 or step S2a; NO), the controller 160 selects the first gate resistor R1, while determining that an open failure has occurred in the auxiliary circuit 22b ( Step S2 or Step S2a; YES), the second gate resistor R2 is selected.
  • Such a configuration may prevent problems such as element destruction.
  • the operation when selecting and switching the maximum allowable value of the load 130 can be described in the same manner as when selecting and switching the gate resistance of the first switching element S1, and thus the description thereof is omitted.
  • the gate resistance value of the first switching element S1 and the maximum allowable value of the load 130 may be obtained in advance through experiments or the like.
  • the anode terminal of the diode D2 is connected to the connection portion between the diode D3 of the first series connection body and the snubber capacitor C2, and the diode D2
  • the cathode terminal is connected to the pole of one end of the second switching element (auxiliary switch) S2 (see FIG. 3).
  • the coil L2, the diode D2 A mode in which the series order of the switching circuits by the second switching element S2 or the like is appropriately changed may be employed. Specifically, as shown in FIG. 16 and FIG. 17, the order of the switching circuits including the coil L2 and the second switching element S2 may be changed while the freewheel circuit 22c is excluded.

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Abstract

【課題】ソフトスイッチングコンバータを構成する補助回路の異常を、簡易かつ早期に検知することが可能なコンバータ制御装置を提供する。 【解決手段】コントローラは、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオフすると、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２と第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧Ｖｓ１とを検出し、差分電圧ΔＶを求める。コントローラは、求めた差分電圧ΔＶとメモリ（図示略）に格納された電圧閾値とを比較し、差分電圧ΔＶが電圧閾値以上であるか否かを判断する。コントローラは、差分電圧ΔＶが電圧閾値未満である場合には、補助回路２２ｂは正常であると判断し、処理を終了する一方、差分電圧ΔＶが電圧閾値以上である場合には、補助回路２２ｂに故障（オープン故障）が生じていると判断し、フェールセーフ動作へ移行し、処理を終了する。

Description

コンバータ制御装置
　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。
　ハイブリッド型の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電圧やバッテリの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで制御している。このような制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータとしては、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等のスイッチング素子をＰＷＭ動作させて電圧の変換を行う形式のものが広く利用されている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電子機器の省電力化、小型化及び高性能化に伴い、一層の低損失、高効率及び低ノイズ化が望まれており、特に、ＰＷＭ動作に伴うスイッチング損失やスイッチングサージの低減が望まれている。
　このようなスイッチング損失、スイッチングサージを低減させる技術のひとつにソフトスイッチング技術がある。ここで、ソフトスイッチングは、ＺＶＳ(Zero Voltage Switching)又はＺＣＳ(Zero Current Switching)を実現するためのスイッチング方式であり、パワー半導体デバイスのスイッチング損失やそれに与えるストレスが低い。これに対してパワー半導体デバイスの持つスイッチング機能により電圧・電流を直接ターンオン・オフするスイッチング方式はハードスイッチングと称されている。以下の記述においてはＺＶＳ／ＺＣＳの双方もしくはその一方が実現されている方式をソフトスイッチング、それ以外をハードスイッチングという。
　ソフトスイッチングは、例えばインダクタ、スイッチング素子、ダイオードを備えた一般的な昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータにスイッチング損失を低減するための補助回路を付加したもの（いわゆるソフトスイッチングコンバータ）によって実現される（例えば特許文献１参照）。
特開２００５－１０２４３８号公報
　このようなソフトスイッチングコンバータにおいて、補助回路に異常が生じると、ソフトスイッチングを実現できないため、かかる補助回路の異常を簡易かつ早期に検知する必要があった。
　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、ソフトスイッチングコンバータを構成する補助回路の異常を、簡易かつ早期に検知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主昇圧回路と補助回路とを備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、前記補助回路は、前記主昇圧回路を構成する主スイッチに並列に接続された補助スイッチと、前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記燃料電池の高電位側の端子と低電位側の端子に接続された、クランプダイオードとスナバコンデンサとが直列接続された第一直列接続体とを備え、前記コンバータ制御装置は、前記主スイッチをターンオフした場合に、前記クランプダイオードによってクランプされる前記スナバコンデンサの両端電圧を検知する検知手段と、前記スナバコンデンサの両端電圧と設定された正常電圧閾値とを比較し、該両端電圧が正常電圧閾値を超えている場合に前期補助回路に異常が生じていると判断する判断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、スナバコンデンサの両端電圧が正常電圧閾値を超えている場合には、補助回路に異常（オープン故障など）が生じていると判断する。ここで、主スイッチに大きなサージ電圧Ｖｓｕが発生すると（図１４参照）、主スイッチに大きなエネルギ損失が生じ、最悪の場合には異常過熱により素子破壊を招来する、あるいは素子の絶縁破壊を惹き起こす可能性があるが、上記構成によれば、補助回路の異常を簡易かつ早期に検知することができるため、迅速なフェールセーフ動作への移行が可能となり、これにより素子破壊など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、前記スナバコンデンサ両端電圧と前記主スイッチの両端電圧との差分電圧を求める差分導出手段をさらに備え、前記判断手段は、前記差分電圧と設定された故障判定閾値とを比較し、該差分電圧が該故障判定値を超えている場合に前記補助回路に異常が生じていると判断する態様が好ましい。
　また、上記構成にあっては、前記補助回路に異常が生じていると判断された場合に、前記主昇圧回路の動作を停止するフェールセーフ手段をさらに具備する態様が好ましい。
　また、上記構成にあっては、前記補助回路に異常が生じていると判断された場合に、前記主昇圧回路の前記主スイッチに流れる電流の変化率を閾値変化率以下に制限するフェールセーフ手段をさらに具備する態様が好ましい。
　また、上記構成にあっては、前記フェールセーフ手段は、前記補助回路に異常が生じていると判断された場合のゲート抵抗を、前記補助回路が正常であると判断された場合の前記主スイッチのゲート抵抗よりも大な値に設定することで、前記電流の変化率を閾値変化率以下に制限する態様であっても良い。
　また、上記構成にあっては、前記フェールセーフ手段は、前記補助回路に異常が生じていると判断された場合の負荷の最大許容値を、前記補助回路が正常であると判断された場合の負荷の最大許容値よりも小さく設定することで、前記電流の変化率を閾値変化率以下に制限する態様も好ましい。
　さらにまた、上記構成にあっては、前記補助回路は、前記クランプダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と、前記主コイルの一端との間に接続された、ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとが直列接続された第二直列接続体をさらに備える態様が好ましい。
　また、上記構成にあっては、前記主昇圧回路は、一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、前記第一ダイオードのアノードと前記燃料電池の低電位側の端子に接続された平滑コンデンサとをさらに備え、前記主スイッチは、一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続されている態様が好ましい。
　また、上記構成にあっては、前記ソフトスイッチングコンバータは、前記補助回路を、相毎に備えた多相ソフトスイッチングコンバータであり、前記各相の補助回路を構成する補助コイルは、全相の補助回路について共通化されている態様が好ましい。
　本発明によれば、ソフトスイッチングコンバータを構成する補助回路の異常を、簡易かつ早期に検知することが可能となる。
本実施形態に係るＦＣＨＶシステムのシステム構成図である。 同実施形態に係る多相のＦＣソフトスイッチングコンバータの回路構成を示す図である。 同実施形態に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの１相分の回路構成を示す図である。 同実施形態に係るソフトスイッチング処理を示すフローチャートである。 モード１の動作を示す図である。 モード２の動作を示す図である。 モード３の動作を示す図である。 モード４の動作を示す図である。 モード５の動作を示す図である。 モード６の動作を示す図である。 モード５のスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧Ｖｅ、第１スイッチング素子Ｓ１を流れる電流Ｉｅの関係を例示した図である。 モード２からモード３への遷移過程における電圧・電流挙動を示す図である。 補助回路が正常な場合のスナバコンデンサの両端電圧、第１スイッチング素子の両端電圧、第１スイッチング素子に流れる電流を示す図である。 補助回路がオープン故障している場合のスナバコンデンサの両端電圧、第１スイッチング素子の両端電圧、第１スイッチング素子に流れる電流を示す図である。 補助回路故障判定処理を示すフローチャートである。 変形例に係る補助回路故障判定処理を示すフローチャートである。 補助回路の他の構成を例示した図である。 補助回路の他の構成を例示した図である。
Ａ．本実施形態
　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は本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。
Ａ－１．システムの全体構成
　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２５００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（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２５００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２５００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。
　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１２０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の入力電圧を制御する役割を担っており、例えばＦＣコンバータ２５００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として昇圧型のコンバータを採用しても良いが、これに代えて昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用しても良く、インバータ１４０の入力電圧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と総称している。
　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２５００及びバッテリコンバータ１８０の動作を制御する。
Ａ－２．ＦＣコンバータの構成
　図１に示すように、ＦＣコンバータ２５００は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相によって構成された三相の共振型コンバータとしての回路構成を備えている。三相共振型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。本実施形態では、ＦＣコンバータ２５００としてフリーホイール回路（詳細は後述）を備えた多相のソフトスイッチングコンバータ（以下、多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ）を採用している。
Ａ－２－１．多相のＦＣソフトスイッチングコンバータの説明
　図２は、ＦＣＨＶシステム１００に搭載される多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ２５００の回路構成を示す図であり、図３は、多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ２５００の１相分の回路構成を示す図である。
　以下の説明では、多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ２５００を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相のＦＣソフトスイッチングコンバータを、それぞれＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０ａ、２５ｂ、２５０ｃと呼び、特に区別する必要がない場合には、単にＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０と呼ぶ。また、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０に入力される昇圧前の電圧をコンバータ入力電圧Ｖｉｎと呼び、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０から出力される昇圧後の電圧をコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔと呼ぶ。
　図３に示すように、各ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０は、昇圧動作を行うための主昇圧回路２２ａと、ソフトスイッチング動作を行うための補助回路２２ｂと、フリーホイール回路２２ｃを備えて構成されている。
　主昇圧回路２２ａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などからなる第１スイッチング素子Ｓ１とダイオードＤ４で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルＬ１に蓄えられたエネルギを負荷１３０にダイオードＤ５を介して解放することで燃料電池１１０の出力電圧を昇圧する。
　詳述すると、コイルＬ１の一端が燃料電池１１０の高電位側の端子に接続され、第１スイッチング素子Ｓ１の一端の極がコイルＬ１の他端に接続され、第１のスイッチング素子Ｓ１の他端の極が燃料電池１１０の低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードＤ５のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、さらに、平滑コンデンサとして機能するコンデンサＣ３は、ダイオードＤ５のアノード端子と第１スイッチング素子Ｓ１の他端との間に接続されている。主昇圧回路２２ａには、燃料電池１１０側に平滑コンデンサＣ１が設けられており、これにより燃料電池１１０の出力電流のリップルを低減することが可能となる。なお、第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧を検知する電圧センサＳｖ１が設けられている。
　ここで、コンデンサＣ３にかかる電圧ＶＨは、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔとなり、平滑コンデンサＣ１にかかる電圧ＶＬは、燃料電池１１０の出力電圧であってＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ入力電圧Ｖｉｎとなる。
　補助回路２２ｂには、第１スイッチング素子Ｓ１に並列に接続された、クランプダイオードＤ３とこのクランプダイオードＤ３に直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第１直列接続体が含まれている。第１直列接続体は、クランプダイオードＤ３のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、クランプダイオードＤ３のアノード端子がスナバコンデンサＣ２の一端に接続されている。さらに、スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池１１０の低電位側の端子に接続されている。なお、スナバコンデンサＣ２の両端電圧を検知する電圧センサＳｖ２が設けられている。
　さらに、補助回路２２ｂには、ダイオードＤ２と第２スイッチング素子Ｓ２及びダイオードＤ１と、各相に共通の補助コイルＬ２によって構成された第２直列接続体が含まれる。
　第２直列接続体は、ダイオードＤ２のアノード端子が第１直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続されている。さらに、ダイオードＤ２のカソード端子が第２スイッチング素子（補助スイッチ）Ｓ２の一端の極に接続されている。また、第２スイッチング素子Ｓ２の他端の極は、補助コイルＬ２とフリーホイール回路２２ｃの接続部位に接続されている。フリーホイールダイオードＤ６のアノード端子は、燃料電池１１０の低電位側に接続される一方、フリーホイールダイオードＤ６のカソード端子は補助コイルＬ２に接続されている。このフリーホイール回路２２ｃは、各相に共通のフリーホイールダイオードＤ６を備えており、補助コイルＬ２が通電中に第２スイッチング素子Ｓ２がオープン故障などした場合であっても、第２スイッチング素子Ｓ２を破壊するようなサージ電圧の発生を未然に防ぐために設けられたフェールセーフ機能を実現するための回路である。なお、フリーホイール回路２２ｃを備えていない構成にも本発明を適用可能である。
　このように構成されるＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０においては、コントローラ１６０が各相の第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチングデューティー比を調整することで、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０による昇圧比、すなわちコンバータ入力電圧Ｖｉｎに対するコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔの比が制御される。また、第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作において補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２のスイッチング動作を介在させることで、ソフトスイッチングが実現される。
　次に、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０によるソフトスイッチング動作について、図４等を参照しながら説明する。図４は、ソフトスイッチング動作を介したＦＣソフトスイッチングコンバータ２５の一サイクルの処理（以下、ソフトスイッチング処理）を示すフローチャートであり、コントローラ１６０が図４に示すステップＳ１０１～Ｓ１０６を順次実行することによって一サイクルを形成する。なお、以下の説明では、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５の電流、電圧の状態をあらわすモードをそれぞれモード１～モード６として表現し、その状態を図５～図１０に示す。また、図５～図１０では回路を流れる電流を矢印で示す。
＜ソフトスイッチング動作＞
　まず、図４に示すソフトスイッチング処理が行われる初期状態は、燃料電池１１０から負荷１３０に要求される電力が供給されている状態、すなわち第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２がともにターンオフされることで、コイルＬ１、ダイオードＤ５を介して電流が負荷１３０に供給される状態にある。
（モード１；図５参照）
　ステップＳ１０１においては、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオフを保持する一方、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンする。かかるスイッチング動作を行うと、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の出力電圧ＶＨと入力電圧ＶＬの電位差により、負荷１３０側に流れていた電流がコイルＬ１、ダイオードＤ３、第２スイッチング素子Ｓ２、補助コイルＬ２を介して補助回路１２ｂ側に徐々に移行してゆく。なお、図５中では、負荷１３０側から補助回路１２ｂ側への電流の移行の様子を白抜き矢印で示している。
　また、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンすることにより、図５に示す矢印Ｄｍ１１の向きに電流の循環が発生する。ここで、第２スイッチング素子Ｓ２の電流変化速度は、補助コイルＬ２の両端電圧（ＶＨ－ＶＬ）と補助コイルＬ２のインダクタンスに従い増加していくが、第２スイッチング素子Ｓ２に流れる電流は補助コイルＬ２により抑制されるため、結果としてダイオードＤ５を介して負荷１３０側に流れる電流（図５に示す矢印Ｄｍ１２参照）のソフトターンオフが実現される。
　ここで、モード１からモード２への遷移完了時間ｔｍｏｄｅ１は下記式（４）によって表される。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
Ｉｐ；相電流
Ｌ２ｉｄ；補助コイルＬ２のインダクタンス
（モード２；図６参照）
　上記遷移完了時間が経過し、ステップＳ１０２に移行すると、ダイオードＤ５を流れる電流はゼロとなり、コイルＬ１及びダイオードＤ５を介して補助回路１２ｂ側に電流が流れ込むとともに（図６に示す矢印Ｄｍ２１参照）、代わってスナバコンデンサＣ２と燃料電池１１０の電圧ＶＬとの電位差により、スナバコンデンサＣ２にチャージされていた電荷が補助回路１２ｂ側に流れてゆく（図６に示す矢印Ｄｍ２２参照）。このスナバコンデンサＣ２の容量に応じて、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧が決定される。
　ここで、図１２はモード２からモード３への遷移過程における電圧・電流挙動を示す図であり、燃料電池１１０の電圧を太実線、スナバコンデンサＣ２の電圧を細実線、スナバコンデンサＣ２の電流を破線で示している。
　図６に示すＤｍ２１の経路の通電が開始された後（図１２に示す（Ａ）参照）、スナバコンデンサＣ２の電圧ＶＨと燃料電池１１０の電圧ＶＬとの電位差により、図６に示すＤｍ２２の経路の通電、すなわち補助コイルＬ２への通電が開始される（図１２に示す（Ｂ）参照）。ここで、図１２に示すように、スナバコンデンサＣ２の電流は、スナバコンデンサＣ２の電圧が料電池１１０の電圧ＶＬに到達するまで上昇し続ける。
　詳述すると、スナバコンデンサＣ２の電圧ＶＨと燃料電池１１０の電圧ＶＬの電位差によってスナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷が電源側に回生され始めるが（図６に示す矢印Ｄｍ２２）、もともとの電位差は（ＶＨ－ＶＬ）であるため、スナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷の流れ（放電）は電源電圧（すなわち燃料電池１１０の電圧ＶＬ）に到達したところ（図１２に示すタイミングＴｔ１）でとまってしまうところ、補助コイルＬ２の特性（すなわち、電流を流し続けようとする特性）により、スナバコンデンサＣ２の電圧がＶＬ以下になっても電荷を流し続けようとする（図１２に示す（Ｃ）参照）。このとき、下記式（４）’が成立すれば、スナバコンデンサＣ２の電荷はすべて流れる（放電）ことになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
左辺；補助コイルＬ２に蓄積されたエネルギ
右辺；スナバコンデンサＣ２に残存するエネルギ
　スナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷がなくなると、図６に示すＤｍ２３の経路でフリーホイール動作を行い、通電を継続する（図１２に示す（Ｄ）参照）。これにより、補助コイルＬ２に蓄積されたエネルギが全て放出される。なお、補助コイルＬ２の一端にはダイオードＤ２のアノードが接続されているため、ＬＣ共振は半波で止まる。このため、スナバコンデンサＣ２は、放電後に０Ｖを保持することになる。
　ここで、モード２からモード３への遷移完了時間ｔｍｏｄｅ２は下記式（５）によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
Ｃ２ｄ；コンデンサＣ２の容量
（モード３；図７参照）
　図６に示すＤｍ２２の経路で電流が流れる動作が終了し、スナバコンデンサＣ２の電荷が抜けきる、あるいは最小電圧（ＭＩＮ電圧）となると、第１スイッチング素子Ｓ１がターンオンされ、ステップＳ１０３に移行する。スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなった状態では、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧もゼロとなるため、ＺＶＳ（Zero Voltage Switching）が実現される。かかる状態では、コイルＬ１に流れる電流Ｉｌ１は、矢印Ｄｍ３１に示す補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１と矢印Ｄｍ３２に示す第１スイッチング素子Ｓ１を介して流れる電流Ｉｄｍ３２の和となる（下記式（６）参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　ここで、第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流Ｉｄｍ３１は、補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１の減少速度に応じて決定される。補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１の電流変化速度は下記式（７）によって表わされる、すなわち補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１は下記式（７）の変化速度で減少していくため、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオンしたとしても第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流が急に立ち上がることはなく、ＺＣＳ（Zero Current Switching）が実現される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
（モード４；図８参照）
　そして、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３の状態が継続することで、コイルＬ１に流れ込んでいく電流量を増加させてコイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく（図８に矢印Ｄｍ４２参照）。ここで、補助回路１２ｂにはダイオードＤ２が存在するため、補助コイルＬ２に逆電流は流れず、第２スイッチング素子Ｓ２を介してスナバコンデンサＣ２に充電が行われることはない。また、この時点で第１スイッチング素子Ｓ１はターンオンしているため、ダイオードＤ３を経由してスナバコンデンサＣ２に充電が行われることもない。従って、コイルＬ１の電流＝第１スイッチング素子Ｓ１の電流となり、コイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオン時間Ｔｓ１は、下記式（８）によって近似的に表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　Ｔｃｏｎ；制御周期
　なお、制御周期とは、ステップＳ１０１～ステップＳ１０６までの一連の処理を一周期（一サイクル）としたときのソフトスイッチング処理の時間周期を意味する。
（モード５；図９参照）
　ステップＳ１０４においてコイルＬ１に所望のエネルギが蓄えられると、第１スイッチング素子Ｓ１２がターンオフされ、図９に矢印Ｄｍ５１で示す経路に電流が流れる。ここで、図１１は、モード５におけるスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧Ｖｅ、第１スイッチング素子Ｓ１を流れる電流Ｉｅの関係を例示した図である。上記スイッチング動作が行われると、モード２において電荷が抜かれて低電圧状態となっているスナバコンデンサＣ２に電荷がチャージされ、これにより、スナバコンデンサＣ２の電圧ＶｃはＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ出力電圧ＶＨに向かって上昇する。このとき、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧Ｖｅの上昇速度は、スナバコンデンサＣ２への充電により抑制され（すなわち、電圧の立ち上がりが鈍化され）、ターンオフ時（図１１に示すα参照）のスイッチング損失を低減するＺＶＳ動作をすることが可能となる。
（モード６；図１０参照）
　スナバコンデンサＣ２が電圧ＶＨまで充電されると、コイルＬ１に蓄えられたエネルギが負荷１３０側に解放される（図１０に示す矢印Ｄｍ６１参照）。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオフ時間Ｔｓ２は、下記式（９）によって近似的に表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　以上説明したソフトスイッチング処理を行うことでＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のスイッチング損失を可及的に抑制した上で、燃料電池１１０の出力電圧を所望の電圧に上昇し、負荷１３０に供給することが可能となる。
＜補助回路２２ｂの故障判定＞
　ここで、図１３は、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の補助回路２２ｂが正常な場合のスナバコンデンサＣ２の両端電圧（実線）、第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧（破線）、第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流（一点鎖線）を示す図であり、図１４は、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の補助回路２２ｂにオープン故障が生じている場合（すなわち、第２スイッチング素子Ｓ２が常時オフしている場合）のスナバコンデンサＣ２の両端電圧（実線）、第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧（破線）、第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流（一点鎖線）を示す図である。
　なお、以下では、説明の便宜上、補助回路２２ｂが正常な場合のスナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２、第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧Ｖｓ１をそれぞれソフトスイッチＣ２電圧、ソフトスイッチＳ１電圧と呼び、補助回路２２ｂがオープン故障している場合のスナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２、第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧Ｖｓ１をそれぞれハードスイッチＣ２電圧、ハードスイッチＳ１電圧と呼ぶ。
ａ．補助回路２２ｂが正常な場合（図１３参照）
　補助回路２２ｂが正常な状態において、スイッチング素子をターンオフすると（図８に示すモード４→図９に示すモード５参照）、コイルＬ１に溜まったエネルギーが解放され、図９に矢印Ｄｍ５１で示す経路に電流が流れる。これにより、モード２において電荷が抜かれて低電圧状態となっているスナバコンデンサＣ２に電荷がチャージされ、ソフトスイッチＣ２電圧は上昇してゆく。ここで、ソフトスイッチＳ１電圧はクランプダイオードＤ３によってクランプされ、ソフトスイッチＣ２電圧がソフトスイッチＳ１電圧、すなわち電圧ＶＨに収束してゆく。
ｂ．補助回路２２ｂにオープン故障が生じている場合（図１４参照）
　補助回路２２ｂにオープン故障が生じている場合には、スイッチング素子をターンオフする前にハードスイッチＣ２の両端電圧Ｖｃ２はＶＨを保持する。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１がターンオフされると、補助回路２２ｂが正常に動作しないために第１スイッチング素子Ｓ１にサージ電圧Ｖｓｕが発生する。このサージ電圧ＶｓｕはクランプダイオードＤ３によってクランプされ、スナバコンデンサＣ２によってハードスイッチＣ２電圧としてあらわれる。ハードスイッチＳ１電圧は、最終的にＶＨに収束してゆくが、ハードスイッチＣ２電圧はサージ電圧Ｖｓｕにクランプされるため、本実施形態では、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２と第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧Ｖｓ１との差分電圧ΔＶを求め、求めた差分電圧ΔＶが差分電圧閾値以上である場合に、補助回路２２ｂに故障（オープン故障）が生じていると判断する。もちろん、差分電圧ΔＶを求めることなく、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２のみを検出し、検出したコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２が正常電圧閾値以上である場合に故障（オープン故障）が生じていると判断しても良い（詳細は変形例１参照）。なお、差分電圧閾値や正常電圧閾値については、予め実験などによって求めておけば良い。以下、補助回路２２ｂの故障判定処理について、図１５を参照しながら説明する。
　図１５は、コントローラ１６０によって実行される補助回路２２ｂの故障判定処理を示すフローチャートである。
　コントローラ（差分導出手段）１６０は、例えば図８に示すモード４から図９に示すモード５への移行に伴い、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオフすると（ステップＳ１）、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２と第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧Ｖｓ１とを検出し、差分電圧ΔＶを求める。
　コントローラ１６０は、求めた差分電圧ΔＶとメモリ（図示略）に格納された電圧閾値とを比較し、差分電圧ΔＶが差分電圧閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。
　コントローラ１６０は、差分電圧ΔＶが差分電圧閾値未満である場合には、補助回路２２ｂは正常であると判断し、処理を終了する。
　一方、コントローラ（判断手段、フェールセーフ手段）１６０は、差分電圧ΔＶが差分電圧閾値以上である場合には、補助回路２２ｂに故障（オープン故障）が生じていると判断し、ステップＳ３に示すフェールセーフ動作へ移行し、処理を終了する。ここで、フェールセーフ動作としては、補助回路２２ｂにオープン故障が生じていると判断された相（例えばＵ相）のコンバータを停止し、残りの相（例えばＶ相、Ｗ相）のコンバータを利用して負荷１３０を駆動する。
　周知のとおり、スイッチング素子Ｓ１に大きなサージ電圧Ｖｓｕが発生すると（図１５参照）、スイッチング素子Ｓ１に大きなエネルギ損失が生じ、最悪の場合には異常過熱により素子破壊を招来するなどの問題が発生する。そこで、本実施形態では、上記の如く補助回路２２ｂにオープン故障が生じていると判断された相のコンバータについては、運転を停止し、これにより素子破壊などの問題を未然に防止することが可能となる。
Ｂ．変形例
＜変形例１＞
　図１６は、変形例１に係る補助回路２２ｂの故障判定処理を示すフローチャートである。なお、図１６に示すステップのうち、前掲図１５に対応するステップについては同一符号を付し、詳細な説明は割愛する。
　コントローラ（差分導出手段）１６０は、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオフすると（ステップＳ１）、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２を検知する。
　コントローラ１６０は、検知したスナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２とメモリ（図示略）に格納された正常電圧閾値とを比較し、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２が正常電圧閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳａ２）。
　コントローラ１６０は、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２が正常電圧閾値未満である場合には、補助回路２２ｂは正常であると判断し、処理を終了する。
　一方、コントローラ（判断手段、フェールセーフ手段）１６０は、スナバコンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２が正常電圧閾値以上である場合には、補助回路２２ｂに故障（オープン故障）が生じていると判断し、ステップＳ３に示すフェールセーフ動作へ移行し、処理を終了する。ここで、フェールセーフ動作としては、補助回路２２ｂにオープン故障が生じていると判断された相（例えばＵ相）のコンバータを停止し、残りの相（例えばＶ相、Ｗ相）のコンバータを利用して負荷１３０を駆動する。
＜変形例２＞
　上述した本実施形態では、フェールセーフ動作として、オープン故障が生じていると判断された相のコンバータを停止し、残りの相のコンバータを利用して負荷１３０を駆動する場合について説明したが、これに限る趣旨ではない。例えば、オープン故障が生じていると判断された相についてはソフトスイッチングではなくハードスイッチングを行うようにしても良い。ただし、ハードスイッチングを行う場合には、第１スイッチング素子Ｓ１について素子破壊などの問題が生じ得るため、予め電流の変化率を抑えるように出力制限をかければ良い。具体的には、コントローラ（フェールセーフ手段）１６０は、第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流の変化率が予め設定された閾値変化率以下となるように、監視・制限する。具体的には、ハードスイッチングを行う場合には第１スイッチング素子Ｓ１のゲート抵抗を大きくする、あるいは負荷１３０の最大許容値を低く設定することで、出力制限をかければ良い。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート抵抗については、例えば補助回路２２ｂが正常な場合に利用するゲート抵抗（以下、第１ゲート抵抗）Ｒ１と、補助回路２２ｂにオープン故障が生じている場合に利用する抵抗値の大きなゲート抵抗（以下、第２ゲート抵抗）Ｒ２（＞Ｒ１）を用意しておく。コントローラ１６０は、図１５や図１６に示す故障判定処理を実行結果に基づき、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート抵抗の選択切換を行う。すなわち、コントローラ１６０は、補助回路２２ｂが正常であると判断すると（ステップＳ２またはステップＳ２ａ；ＮＯ）、第１ゲート抵抗Ｒ１を選択する一方、補助回路２２ｂにオープン故障が生じていると判断すると（ステップＳ２またはステップＳ２ａ；ＹＥＳ）、第２ゲート抵抗Ｒ２を選択する。かかる構成によって素子破壊などの問題を未然に防止しても良い。なお、負荷１３０の最大許容値の選択切換を行う場合の動作については、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート抵抗の選択切換を行う場合と同様に説明することができるため、説明を割愛する。また、第１スイッチング素子Ｓ１のゲート抵抗値や負荷１３０の最大許容値については、予め実験などによって求めておければ良い。
　また、差分電圧ΔＶが電圧閾値以上になる原因として、スイッチング素子をターンオフする前にスナバコンデンサＣ２の電荷が十分に抜けきれていないことが考えられる。この場合には、補助回路２２ｂの第２スイッチング素子Ｓのオン、オフタイミングを適宜変化させることで、スナバコンデンサＣ２の電荷が十分に抜けきれているかを確認した上で、もう一度差分電圧ΔＶを求めることで補助回路２２ｂにオープン故障が生じているか否かを判断するようにしても良い。
＜変形例３＞
　また、上述した本実施形態では、補助回路２２ｂに含まれる第２直列接続体として、ダイオードＤ２のアノード端子が第１直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続され、ダイオードＤ２のカソード端子が第２スイッチング素子（補助スイッチ）Ｓ２の一端の極に接続されている例を説明したが（図３参照）、この第２直列接続体の回路トポロジーについて、コイルＬ２、ダイオードＤ２、第２スイッチング素子Ｓ２などによるスイッチング回路の直列順序は適宜入れ替えた態様も採用し得る。具体的には、図１６や図１７に示すように、フリーホイール回路２２ｃを除くとともにコイルＬ２と第２スイッチング素子Ｓ２などによるスイッチング回路の順序を入れ替えても良い。
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、２５００…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、２５０…ＦＣソフトスイッチングコンバータ、２２ａ…主昇圧回路、２２ｂ…補助回路、２２ｃ…フリーホイール回路、Ｓ１,Ｓ２…スイッチング素子、Ｃ１,Ｃ３…平滑コンデンサ、Ｃ２…スナバコンデンサ、Ｌ１,Ｌ２,…コイル、Ｄ１,Ｄ２,Ｄ３,Ｄ４,Ｄ５…ダイオード、Ｄ６…フリーホイールダイオード。

Claims (9)

  1. 　燃料電池の出力電圧を制御する主昇圧回路と補助回路とを備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、
    　前記補助回路は、
    　前記主昇圧回路を構成する主スイッチに並列に接続された補助スイッチと、
    　前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記燃料電池の高電位側の端子と低電位側の端子に接続された、クランプダイオードとスナバコンデンサとが直列接続された第一直列接続体とを備え、
    　前記コンバータ制御装置は、
    　前記主スイッチをターンオフした場合に、前記クランプダイオードによってクランプされる前記スナバコンデンサの両端電圧を検知する検知手段と、
    　前記スナバコンデンサの両端電圧と設定された正常電圧閾値とを比較し、該両端電圧が正常電圧閾値を超えている場合に前期補助回路に異常が生じていると判断する判断手段と
    　を具備する、コンバータ制御装置。
  2. 　前記スナバコンデンサ両端電圧と前記主スイッチの両端電圧との差分電圧を求める差分導出手段をさらに備え、
    　前記判断手段は、前記差分電圧と設定された故障判定閾値とを比較し、該差分電圧が該故障判定値を超えている場合に前記補助回路に異常が生じていると判断する、請求項１に記載のコンバータ制御装置。
  3. 　前記補助回路に異常が生じていると判断された場合に、前記主昇圧回路の動作を停止するフェールセーフ手段をさらに具備する、請求項１または２に記載のコンバータ制御装置。
  4. 　前記補助回路に異常が生じていると判断された場合に、前記主昇圧回路の前記主スイッチに流れる電流の変化率を閾値変化率以下に制限するフェールセーフ手段をさらに具備する、請求項１または２に記載のコンバータ制御装置。
  5. 　前記フェールセーフ手段は、前記補助回路に異常が生じていると判断された場合のゲート抵抗を、前記補助回路が正常であると判断された場合の前記主スイッチのゲート抵抗よりも大な値に設定することで、前記電流の変化率を閾値変化率以下に制限する、請求項４に記載のコンバータ制御装置。
  6. 　前記フェールセーフ手段は、前記補助回路に異常が生じていると判断された場合の負荷の最大許容値を、前記補助回路が正常であると判断された場合の負荷の最大許容値よりも小さく設定することで、前記電流の変化率を閾値変化率以下に制限する、請求項４に記載のコンバータ制御装置。
  7. 　前記補助回路は、
    　前記クランプダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と、前記主コイルの一端との間に接続された、ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとが直列接続された第二直列接続体をさらに備える、請求項１～６のいずれか１の請求項に記載のコンバータ制御装置。
  8. 　前記主昇圧回路は、
    　一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、
    　カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、
    　前記第一ダイオードのアノードと前記燃料電池の低電位側の端子に接続された平滑コンデンサとをさらに備え、
    　前記主スイッチは、一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続されている、請求項１～７のいずれか１の請求項に記載のコンバータ制御装置。
  9. 　前記ソフトスイッチングコンバータは、
    　前記補助回路を、相毎に備えた多相ソフトスイッチングコンバータであり、
    　前記各相の補助回路を構成する補助コイルは、全相の補助回路について共通化されている、請求項１に記載のコンバータ制御装置。
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