WO2017221421A1 - 電源装置、機器及び制御方法 - Google Patents

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良太 北本
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本田技研工業株式会社
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a power supply device, a device, and a control method.
  • the AC component superimposed on the input current (hereinafter also referred to as superimposed AC component) is reduced so that the output voltage becomes the measurement lower limit of the measuring instrument.
  • a method for measuring electrochemical spectroscopic characteristics of a fuel cell based on current perturbation is described.
  • the measured values of the current measuring instrument and the voltage measuring instrument are used.
  • the current voltage (IV) characteristics of the fuel cell include a non-linearly changing point (inflection point), and accurate measurement near this point is extremely difficult.
  • An object of the present invention is to provide a power supply device, a device, and a control method capable of detecting the state of a power supply while maintaining control stability for a conversion unit that performs voltage conversion of power supplied from the power supply.
  • the present invention provides the following aspects.
  • the first aspect is A power source (for example, a fuel cell 101 in an embodiment described later);
  • a converter for example, an FC-VCU 103 in an embodiment described later) that performs voltage conversion of power supplied from the power source;
  • a first control signal for causing the converter to input or output a target voltage or target current by a feedback loop is generated, and a first control signal and a first state for detecting the state of the power source generated outside the feedback loop are generated.
  • control unit for example, ECU 113 in the embodiment described later
  • the control unit feeds a specific parameter of the second control signal (for example, an amplitude value of a current in an embodiment described later) based on an output of the power source (for example, an input current IFC in an embodiment described later).
  • a power source that is set based on a forward term and a feedback term that uses the specific parameter included in at least one of the power output from the power source and input to the converter and the power output from the converter as a feedback component Device.
  • the second aspect is A power supply device according to a first aspect,
  • the control unit superimposes the second control signal on the first control signal outside the feedback loop, and outputs a signal based on the first control signal on which the second control signal is superimposed to the conversion unit.
  • the power supply is A power supply device according to a first aspect,
  • the control unit superimposes the second control signal on the first control signal outside the feedback loop, and outputs a signal based on the first control signal on which the second control signal is superimposed to the conversion unit.
  • the third aspect is A power supply device according to the first or second aspect
  • the feedforward term is a power supply device in which the influence of the second control signal on the specific parameter is larger than the feedback term.
  • the fourth aspect is A power supply device according to any of the first to third aspects,
  • the said control part is a power supply device which correct
  • the fifth aspect is A power supply device according to any one of the first to fourth aspects,
  • the said control part is a power supply device which performs the said feedback control with a control period later than the feedback control for producing
  • the sixth aspect is A power supply device according to any one of the first to fifth aspects,
  • the control unit is a power supply device that corrects an influence on the specific parameter of the second control signal by the feedback term based on at least one of a current input to the conversion unit and a current output from the conversion unit. is there.
  • the seventh aspect is A power supply device according to a sixth aspect, When at least one of the current input to the conversion unit and the current output from the conversion unit belongs to a predetermined range, the control unit affects the specific parameter of the second control signal by the feedback term. It is a power supply that makes it smaller.
  • the eighth aspect is A power supply device according to any one of the first to seventh aspects,
  • the specific parameter is a power supply device including an amplitude value of at least one of a current input to the conversion unit and a current output from the conversion unit.
  • the ninth aspect is A power supply device according to any of the first to eighth aspects,
  • the control unit is a power supply device that measures impedance of the power supply based on an output of the power supply generated by the second control signal.
  • the tenth aspect is A power supply device according to a ninth aspect,
  • the power source is a fuel cell;
  • the said control part is a power supply device which adjusts the humidification amount in the said fuel cell based on the said impedance.
  • the eleventh aspect is A power source (for example, a fuel cell 101 in an embodiment described later); A conversion unit (for example, an FC-VCU 103 in an embodiment described later) configured by electrically connecting a plurality of conversion units capable of voltage conversion of power supplied from the power supply in parallel; A changing unit (for example, ECU 113 in an embodiment described later) that changes the number of operations that is the number of the conversion units that perform the voltage conversion; A first control signal for causing the converter to input or output a target voltage or target current by a feedback loop is generated, and a first control signal and a first state for detecting the state of the power source generated outside the feedback loop are generated.
  • a power source for example, a fuel cell 101 in an embodiment described later
  • a conversion unit for example, an FC-VCU 103 in an embodiment described later
  • a changing unit for example, ECU 113 in an embodiment described later
  • the control unit (for example, ECU 113 in the embodiment described later) that controls the conversion unit
  • the control unit outputs a specific parameter of the second control signal (for example, an amplitude value of a current in an embodiment described later) at least one of the number of operations and the current output from the power source and input to the conversion unit.
  • a feedback term using the specific parameter included in at least one of the power output from the power supply and input to the conversion unit and the power output from the conversion unit as a feedback component It is a power supply device.
  • the twelfth aspect is A device comprising the power supply device according to any one of the first to eleventh aspects.
  • the thirteenth aspect is A power source (for example, a fuel cell 101 in an embodiment described later); A converter (for example, an FC-VCU 103 in an embodiment described later) that performs voltage conversion of power supplied from the power source; A first control signal for causing the converter to input or output a target voltage or target current by a feedback loop is generated, and a first control signal and a first state for detecting the state of the power source generated outside the feedback loop are generated.
  • a power source for example, a fuel cell 101 in an embodiment described later
  • a converter for example, an FC-VCU 103 in an embodiment described later
  • a control method performed by a power supply device including a control unit (for example, ECU 113 in an embodiment described later) that controls the conversion unit based on a control signal,
  • the control unit feeds a specific parameter of the second control signal (for example, an amplitude value of a current in an embodiment described later) based on an output of the power source (for example, an input current IFC in an embodiment described later).
  • a control that is set based on a forward term and a feedback term that uses the specific parameter included in at least one of the power output from the power source and input to the conversion unit and the power output from the conversion unit as a feedback component Is the method.
  • the fourteenth aspect is A power source (for example, a fuel cell 101 in an embodiment described later); A conversion unit (for example, an FC-VCU 103 in an embodiment described later) configured by electrically connecting a plurality of conversion units capable of voltage conversion of power supplied from the power supply in parallel; A changing unit (for example, ECU 113 in an embodiment described later) that changes the number of operations that is the number of the conversion units that perform the voltage conversion; A first control signal for causing the converter to input or output a target voltage or target current by a feedback loop is generated, and a first control signal and a first state for detecting the state of the power source generated outside the feedback loop are generated.
  • a power source for example, a fuel cell 101 in an embodiment described later
  • a conversion unit for example, an FC-VCU 103 in an embodiment described later
  • a changing unit for example, ECU 113 in an embodiment described later
  • a control method performed by a power supply device including a control unit (for example, ECU 113 in an embodiment described later) that controls the conversion unit based on a control signal,
  • the control unit outputs a specific parameter of the second control signal (for example, an amplitude value of a current in an embodiment described later) at least one of the number of operations and the current output from the power source and input to the conversion unit.
  • a feedback term using the specific parameter included in at least one of the power output from the power supply and input to the conversion unit and the power output from the conversion unit as a feedback component This is a control method.
  • the specific parameter of the second control signal for detecting the state of the power supply is set based on the feedforward term and the feedback term. Therefore, the specific parameter of the second control signal is not uniquely fixed to the value determined by the feedforward term based on the output of the power supply, and the correction by the feedback term corresponding to the individual error of the conversion unit is reflected. . In other words, the specific parameter of the second control signal is set not only by feedforward control but also by feedback control.
  • the specific parameter of the second control signal is set in consideration of the individual error of the conversion unit, so that at least one of the power output from the power source and input to the conversion unit and the power output from the conversion unit
  • the waveform is stabilized and the control stability for the converter is improved.
  • the second control signal is generated outside the feedback loop that generates the first control signal. Therefore, since the generation of the second control signal does not affect the speeding up of the feedback loop that generates the first control signal, the state of the power supply can be detected while maintaining the control stability for the conversion unit.
  • the control stability for the conversion unit even if the second control signal is a high frequency. can be maintained.
  • the converter since the converter is driven by a signal based on the first control signal on which the second control signal is superimposed, both voltage conversion and power supply state detection are possible.
  • the feedforward term since the feedforward term has a larger influence on the second control signal, most of the specific parameters of the second control signal are determined by the feedforward term, and the feedback term is merely a feedforward term. Therefore, a decrease in the stability of the second control signal due to the feedback term can be suppressed.
  • the specific parameter of the second control signal derived from the feedforward term is corrected by the feedback term based on the input / output power of the conversion unit, the second parameter cannot be optimally set only by the feedforward term.
  • the specific parameter of the control signal can be set to an appropriate value according to the input / output power of the converter.
  • the control cycle of the first control signal that causes the conversion unit to output the target voltage or the target current and the control cycle of the second control signal for detecting the state of the power source are different from each other. Does not interfere.
  • the second control signal is lower than the followability required for the first control signal that causes the conversion unit to output the target voltage or target current, so that it is relatively slow so that the state of the power supply can be accurately detected. Is preferred. Accordingly, the first control signal and the second control signal having different roles can be generated without interference under an appropriate control cycle in consideration of the roles of each other.
  • the feedback term is based on the input / output current of the conversion unit that directly affects the control stability, it directly contributes to the maintenance of the control stability for the conversion unit.
  • the influence of the feedback term on the specific parameter of the second control signal becomes appropriate, and the second control signal becomes more stable.
  • the amplitude value of the current indicating the second control signal is set, it is possible to effectively avoid the zero crossing or the discontinuous mode of the output current of the power source that causes the instability of the control.
  • the ninth aspect it is possible to accurately measure the impedance of the power supply while maintaining the control stability for the conversion unit.
  • the humidification amount in the fuel cell can be accurately adjusted while maintaining the control stability for the conversion unit, and the life of the fuel cell can be extended.
  • the specific parameter of the second control signal for detecting the state of the power supply is set based on the feedforward term and the feedback term. Therefore, the specific parameter of the second control signal is not fixed to the value determined by the feedforward term based on the number of operations of the conversion unit, and the correction by the feedback term according to the individual error of the conversion unit, the parameter change, etc. Reflected. In other words, the specific parameter of the second control signal is set not only by feedforward control but also by feedback control. As a result, the control stability for the conversion unit having a plurality of conversion units is improved.
  • the second control signal is generated outside the feedback loop that generates the first control signal. Therefore, since the generation of the second control signal does not affect the speedup of the feedback loop that generates the first control signal, the state of the power supply is detected while maintaining the control stability for the conversion unit having a plurality of conversion units. it can.
  • FIG. 1 It is a block diagram showing a schematic structure of an electric vehicle carrying a power supply device of one embodiment concerning the present invention. It is an electric circuit diagram which shows the relationship between the power supply device of one Embodiment, a battery, VCU, PDU, and a motor generator. It is a figure which shows a time-dependent change of the switching signal and the input-output current of FC-VCU in the case of driving only one of the four conversion units (phases) of the FC-VCU. It is a figure which shows the time-dependent change of the switching signal and the input-output current of FC-VCU at the time of driving all the four conversion parts (phase) which FC-VCU has.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a positional relationship of each component of four conversion units (phases) included in the FC-VCU illustrated in FIG. 2 and a smoothing capacitor when viewed from the Z-axis direction.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a positional relationship of each component of four conversion units (phases) included in the FC-VCU illustrated in FIG. 7 and a smoothing capacitor as viewed from the Z-axis direction.
  • FIG. 6 is an enlarged view in the vicinity of 0 (A) of the input current value for explaining the difference in the waveform of the input current IFC depending on the amplitude of the alternating signal superimposed when the FC-VCU is driven in one phase. It is a figure which shows an example of the relationship between coefficient (kappa) and the input current of FC-VCU. It is a figure which shows the other example of the relationship between coefficient (kappa) and the input current of FC-VCU. It is a block diagram which shows schematic structure of the electric vehicle carrying the power supply device of other embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an electric vehicle equipped with a power supply device according to an embodiment of the present invention.
  • a thick solid line in FIG. 1 indicates mechanical connection, a double dotted line indicates power wiring, and a thin solid line arrow indicates a control signal.
  • a 1MOT type electric vehicle shown in FIG. 1 includes a motor generator (MG) 11, a PDU (Power (Drive Unit) 13, a VCU (Voltage Control Unit) 15, a battery 17, and a power supply device 100 according to an embodiment. Prepare.
  • MG motor generator
  • PDU Power (Drive Unit) 13
  • VCU Voltage Control Unit
  • the motor generator 11 is driven by electric power supplied from at least one of the battery 17 and the power supply device 100, and generates power for the electric vehicle to travel. Torque generated by the motor generator 11 is transmitted to the drive wheels W via a gear box GB and a differential gear D including a shift stage or a fixed stage. The motor generator 11 operates as a generator when the electric vehicle is decelerated, and outputs the braking force of the electric vehicle. Note that regenerative power generated by operating the motor generator 11 as a generator is stored in the battery 17.
  • the PDU 13 converts a DC voltage into a three-phase AC voltage and applies it to the motor generator 11. Further, the PDU 13 converts an AC voltage input during the regenerative operation of the motor generator 11 into a DC voltage.
  • the VCU 15 boosts the output voltage of the battery 17 while maintaining a direct current.
  • the VCU 15 steps down the electric power generated by the motor generator 11 and converted into direct current when the electric vehicle is decelerated. Further, the VCU 15 steps down the output voltage of the power supply apparatus 100 while maintaining a direct current. The electric power stepped down by the VCU 15 is charged in the battery 17.
  • the battery 17 has a plurality of power storage cells such as a lithium ion battery and a nickel hydride battery, and supplies high voltage power to the motor generator 11 via the VCU 15.
  • the battery 17 is not limited to a secondary battery such as a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery.
  • a capacitor or a capacitor capable of charging and discharging a large amount of power in a short time, although the capacity that can be stored is small, may be used as the battery 17.
  • the power supply apparatus 100 includes a fuel cell (FC) 101, an FC-VCU (Fuel Cell Voltage Control Unit) 103, a current sensor 105, and phase current sensors 1051 to 1054 (see FIG. 2). , Voltage sensors 1071 and 1072, temperature sensors 1091 to 1094 (see FIG. 2), a power switch 111, and an ECU (Electronic Control Unit) 113.
  • FC fuel cell
  • FC-VCU Fluel Cell Voltage Control Unit
  • the fuel cell 101 has a hydrogen tank, a hydrogen pump, and an FC stack.
  • the hydrogen tank stores hydrogen that is fuel for the electric vehicle to travel.
  • the hydrogen pump adjusts the amount of hydrogen sent from the hydrogen tank to the FC stack.
  • the hydrogen pump can also adjust the amount of humidification of hydrogen by supplying dry hydrogen stored in the hydrogen tank to the FC stack after passing through the water storage tank in the hydrogen pump.
  • the FC stack takes in hydrogen supplied from a hydrogen pump and oxygen in the air, and generates electrical energy through a chemical reaction.
  • the electrical energy generated by the FC stack is supplied to the motor generator 11 or the battery 17.
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
  • MCFC Molten Carbonate
  • the closed circuit voltage of the fuel cell 101 varies depending on the amount of discharge. Further, the characteristics of the fuel cell 101 and the characteristics of the battery 17 described above are different from each other.
  • the fuel cell 101 can continuously discharge a large current as long as hydrogen and oxygen as fuel are supplied. However, it is difficult to discontinuously change the output of the fuel cell 101 in a short time on the principle of generating electricity by the electrochemical reaction of the supplied fuel gas. Considering these characteristics, it can be said that the fuel cell 101 has characteristics as a high-capacity power source.
  • One battery 17 is difficult to continuously discharge a large current on the principle of generating electricity by an electrochemical reaction of an internal active material, but never changes its output discontinuously in a short time. Not difficult. Considering these characteristics, it can be said that the battery 17 has characteristics as a high-output power source.
  • the FC-VCU 103 has four conversion units that can convert the voltage of the electric power (electric energy) output from the fuel cell 101, connect them in parallel, and share the output node and input node. It is a polyphase converter.
  • FIG. 2 is an electric circuit diagram showing the relationship among the power supply device 100, the battery 17, the VCU 15, the PDU 13, and the motor generator 11.
  • each converter included in the FC-VCU 103 has a circuit configuration of a step-up chopper circuit including a reactor, a diode connected in series to the reactor, and a switching element connected between the reactor and the diode.
  • a smoothing capacitor C1 is provided in parallel with the four conversion units on the input side of the FC-VCU 103
  • a smoothing capacitor C2 is provided in parallel with the VCU 15 on the output side of the FC-VCU 103.
  • the four converters of the FC-VCU 103 are electrically connected in parallel, and the switching element of at least one converter is switched on and off at a desired timing, thereby boosting the voltage of the fuel cell 101 while maintaining a direct current. And output.
  • the on / off switching operation of the switching element of the converter is controlled by a switching signal having a predetermined pulse duty ratio from the ECU 113 to the FC-VCU 103.
  • the number of conversion units driven by the control of the ECU 113 affects the ripple of the output current of the FC-VCU 103.
  • the switching element of the converter is switched on / off
  • the input current to the FC-VCU 103 flows to the switching element side during the on operation, the reactor stores energy, and the input current to the FC-VCU 103 is the diode during the off operation.
  • the reactor flows to the side and releases the stored energy. Therefore, when only one of the four conversion units included in the FC-VCU 103 is driven, as shown in FIG. 3, the current that has flowed through the conversion unit during the off operation is output from the FC-VCU 103. Further, when all the four conversion units included in the FC-VCU 103 are driven, as shown in FIG.
  • interleave control is performed to shift the on / off switching phase of each conversion unit by 90 degrees.
  • the ripple of the output current of the FC-VCU 103 is smaller than when only one converter shown in FIG. 3 is driven by combining the output current of each converter at the output node of the FC-VCU 103.
  • interleave control is performed to shift the on / off switching phase of each converter to be driven by 180 degrees.
  • the ripple of the output current of the FC-VCU 103 at this time is larger than that in the case of driving the four converters shown in FIG. 4, but is smaller than that in the case of driving only one converter shown in FIG.
  • the ripple of the output current varies depending on the number of conversion units to be driven. If the phase difference between the converters to be driven is equal to the value obtained by dividing 360 degrees by the number of converters to drive, the ripple of the output current can be minimized.
  • the number of conversion units to be driven affects the loss generated in the FC-VCU 103.
  • the loss generated in the FC-VCU 103 includes a transition loss ⁇ trans that occurs when the switching element transitions between an on state and an off state, a conduction loss ⁇ conduct that occurs from a resistance component of the switching element, and a switching loss ⁇ switch that occurs due to switching. (Fsw) is included.
  • the loss ⁇ total_1 generated in the FC-VCU 103 when only one of the four converters is driven is expressed by the following equation (1).
  • IFC is an input current to the FC-VCU 103
  • V1 is an input voltage of the FC-VCU 103
  • V2 is an output voltage of the FC-VCU 103.
  • Ttrans is the transition time from on to off or off to on in the switching element
  • Fsw is the switching frequency
  • RDSon is the on resistance of the switching element constituting the conversion unit.
  • A is a constant.
  • the conduction loss particularly increases as the input current IFC to the FC-VCU 103 increases, and the heat generation amount of the FC-VCU 103 increases. Therefore, when the number of converters to be driven is increased and N converters (N is an integer of 2 or more) are driven, the loss ⁇ total_N generated in the FC-VCU 103 is expressed by the following equation (2). .
  • the ECU 113 selects the number of conversion units to be driven using a map or the like indicating the energy efficiency of the FC-VCU 103 in consideration of the loss for every N conversion units to be driven.
  • FIG. 5 is a graph showing the energy efficiency of the FC-VCU 103 in consideration of the loss with respect to the input current IFC for every N conversion units to be driven. The ECU 113 selects an appropriate number N corresponding to the input current IFC to the FC-VCU 103 from the map based on the graph of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing the positional relationship of the constituent elements of the four converters and the smoothing capacitors C1 and C2 of the FC-VCU 103 shown in FIG. 2 as viewed from the Z-axis direction.
  • each of the four conversion units included in the FC-VCU 103 is expressed as “phase”. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, the conversion unit including the reactor L1 is “phase 1”, the conversion unit including the reactor L2 is “phase 2”, and the conversion unit including the reactor L3 is “phase 3”.
  • the conversion unit including the reactor L4 is represented as “phase 4”.
  • the number of driving converters (phases) to be driven (hereinafter sometimes referred to as “number of operating phases”) is one, the number of converters (phases) to be driven is two. If so, the number of operating phases is represented as “N phase” by the number N of conversion units (phases) to be driven, such as “two phases”.
  • the phases 1 to 4 are arranged in a line on the XY plane, and the phases 1 and 4 are arranged on the outermost side in the XY plane.
  • Phase 2 is arranged inside and phase 3 is arranged inside phase 4.
  • the iron core of the reactor L1 which comprises the phase 1 and the iron core of the reactor L2 which comprises the phase 2 are shared, and the winding direction with respect to the iron core of the coil of each reactor is mutually opposite.
  • the iron core of reactor L3 and the iron core of reactor L4 are also shared, and the winding directions of the coils of each reactor with respect to the iron core are opposite to each other. For this reason, the reactor L1 and the reactor L2 are magnetically coupled to each other, and the reactor L3 and the reactor L4 are magnetically coupled to each other.
  • FIG. 6 shows that when the same current is passed through the mutually magnetically coupled reactors, the magnetic flux generated in each phase is canceled.
  • Current IL3 flowing through reactor L3 generates magnetic flux 3
  • current IL4 flowing through reactor L4 generates magnetic flux 4 by electromagnetic induction.
  • the magnetic flux 3 and the magnetic flux 4 are reversed and cancel each other. Therefore, the magnetic saturation in the reactor L3 and the reactor L4 can be suppressed.
  • the iron core Coa shared by the reactor L1 and the reactor L2 is arranged on the XY plane over the phases 1 and 2
  • the iron core Cob shared by the reactor L3 and the reactor L4 is the phase 3 and It is arranged on the XY plane over phase 4.
  • the XY plane may be a horizontal plane or a vertical plane.
  • the number of magnetically coupled reactors is not limited to two. As described above, by sharing the iron core, three, four, or more reactors can be magnetically coupled.
  • the induced currents IL1 to IL4 of the reactors L1 to L4 of each phase are input to a node Node2 connected to a node connecting one end of the switching element and one end of the diode.
  • the node Node1 at the other end of the switching element is connected to the ground line.
  • the output current of each phase is output from the node Node3 at the other end of the diode.
  • the current sensor 105 and the phase current sensors 1051 to 1054 included in the power supply apparatus 100 are so-called hall-type current sensors that do not have an electrical contact (node) with a circuit that is a current detection target.
  • Each current sensor has a core and a Hall element, and a Hall element, which is a magnetoelectric conversion element, converts a magnetic field proportional to an input current generated in a gap between the cores into a voltage.
  • the current sensor 105 detects an input current IFC to the FC-VCU 103 that is also an output current of the fuel cell 101. A signal indicating a voltage corresponding to the input current IFC detected by the current sensor 105 is sent to the ECU 113.
  • the voltage sensor 1071 detects the input voltage V1 of the FC-VCU 103, which is also the output voltage of the fuel cell 101. A signal indicating the voltage V1 detected by the voltage sensor 1071 is sent to the ECU 113.
  • the voltage sensor 1072 detects the output voltage V2 of the FC-VCU 103. A signal indicating the voltage V2 detected by the voltage sensor 1072 is sent to the ECU 113.
  • the temperature sensors 1091 to 1094 detect the temperature in the vicinity of the switching element of each phase (each conversion unit) of the FC-VCU 103. Signals indicating the temperatures T1 to T4 detected by the temperature sensors 1091 to 1094 are sent to the ECU 113.
  • the power switch 111 is a switch operated by the driver when starting or stopping the electric vehicle on which the power supply device 100 is mounted.
  • a power switch signal indicating activation is input to the ECU 113.
  • a power switch signal indicating stop is input to the ECU 113.
  • the ECU 113 controls the fuel cell 101, selects a phase to be driven among the four phases constituting the FC-VCU 103, controls on / off switching by a switching signal supplied to the switching element of the selected phase, and controls the PDU 13 and the VCU 15 I do. Further, the ECU 113 performs power distribution control using the VCU 15 so as to make use of the characteristics of the fuel cell 101 and the battery 17 having different characteristics. If this power distribution control is performed, the fuel cell 101 is used to supply constant power to the motor generator 11 during acceleration traveling of the electric vehicle, and the battery 17 has a large driving force for traveling of the electric vehicle. It is used to supply power to the motor generator 11 when necessary. Further, when the electric vehicle travels at a reduced speed, the ECU 113 charges the battery 17 with the regenerative power generated by the motor generator 11.
  • the ECU 113 performs the control described below for the FC-VCU 103.
  • the control will be described in detail with reference to the drawings.
  • ECU 113 is a control signal for on / off switching control of the switching element of FC-VCU 103 output from the feedback loop outside the feedback control loop (hereinafter referred to as “feedback loop”) in ECU 113 that controls FC-VCU 103.
  • An AC signal is superimposed on (hereinafter simply referred to as “control signal”).
  • the ECU 113 generates a pulsed switching signal based on the control signal on which the AC signal is superimposed, and outputs the switching signal to each switching element of the FC-VCU 103.
  • the AC component included in the switching signal is superimposed in order to measure the impedance of the fuel cell 101.
  • the control period of the feedback loop is sufficiently shorter than the period corresponding to the frequency of the AC component.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of an electric vehicle on which the power supply device 100 having the ECU 113 is mounted.
  • the ECU 113 includes a feedback loop including a feedback control unit 121, an AC signal generation unit 123 including a feedback control unit 135, and a switching signal generation unit 125.
  • the FC-VCU 103 of this embodiment is controlled in the current control mode, the ECU 113 receives a target value of the input current IFC of the FC-VCU 103 (hereinafter referred to as “IFC current target value”) as an input, and a feedback control unit.
  • IFC current target value a target value of the input current IFC of the FC-VCU 103
  • the feedback control unit 121 outputs a control signal based on the difference between the IFC current target value and the value of the input current IFC detected by the current sensor 105.
  • the AC signal generator 123 generates an AC signal that is superimposed on the control signal in order to measure the impedance of the fuel cell 101. Details of the AC signal generator 123 will be described later.
  • the AC signal generated by the AC signal generator 123 is superimposed on the control signal output by the feedback controller 121 outside the feedback loop.
  • the switching signal generator 125 generates a pulsed switching signal based on the control signal on which the AC signal is superimposed, and outputs the switching signal to each switching element of the FC-VCU 103.
  • the AC signal generation unit 123 includes a basic AC setting unit 131, an AC amplitude value measurement unit 133, and a feedback control unit 135.
  • the basic AC setting unit 131 sets a basic AC signal having an amplitude ACripFF based on various parameters such as the state of the fuel cell 101 and the detection value (input current IFC) of the current sensor 105.
  • the AC amplitude value measuring unit 133 measures the amplitude value ACrip_sen of the AC component included in the input current IFC based on the detection values of the current sensor 105 and the voltage sensor 1071.
  • the feedback control unit 135 calculates the feedback control amount ACripFB based on the difference (ACrip_tar ⁇ ACrip_sen) between the AC amplitude target value ACrip_tar and the AC component amplitude value ACrip_sen measured by the AC amplitude value measuring unit 133.
  • the feedback control amount AcripFB may be corrected based on the input current IFC in order to efficiently prevent the current discontinuous mode and zero crossing.
  • the AC amplitude target value ACrip_tar is set from various parameters such as the state of the fuel cell 101 and the detection value (input current IFC) of the current sensor 105, and is the same value as the amplitude ACripFF. But it can be a different value.
  • the AC signal generation unit 123 generates an AC signal having an amplitude ACrip by adding the feedback control amount ACripFB that is a calculated value of the feedback term to the amplitude value ACripFF of the basic AC signal that is the calculated value of the feedforward term.
  • control cycle in the feedback loop including the feedback control unit 121 described above and the control cycle in the stage where the AC signal is superimposed on the control signal outside the feedback loop are different from each other so that mutual control does not interfere with each other.
  • the control cycle at the stage where the AC signal including the AC signal generator 123 is superimposed is slower than the control cycle in the feedback loop. This is because a relatively fast control cycle is required in the feedback loop so that the FC-VCU 103 can output a target voltage in a voltage control mode described later and a target current in a current control mode described later.
  • the control cycle in the stage where the alternating current signal including the alternating current signal generation unit 123 is superposed is not required to be so fast, and is preferably relatively slow so that the impedance of the fuel cell 101 can be measured accurately. . Since the control periods of the two feedback loops are different in this way, interference with each other's control is suppressed. Preferably, each control cycle is a different prime number. Furthermore, since an appropriate feedback loop control cycle is set in consideration of each role, an excessive increase in the calculation load of the ECU 113 can be avoided.
  • the feedback loop including the feedback control unit 121 includes The V2 voltage target value is input, and the voltage V2 is fed back.
  • the ECU 113 controls the FC-VCU 103 in the current control mode in which the control of the FC-VCU 103 is stable the target value of the output current of the FC-VCU 103 is input to the feedback loop including the feedback control unit 121.
  • the detected value of the output current may be fed back.
  • the AC signal generated by the AC signal generator 123 is superimposed on the control signal output by the feedback controller 121 outside the feedback loop.
  • the input current IFC may be controlled instead of the output current of the FC-VCU 103.
  • the input voltage V1 may be controlled instead of the output voltage V2.
  • the ECU 113 sets the impedance of the fuel cell 101 by the AC impedance method based on the input current IFC of the FC-VCU 103 that is ON / OFF switched in response to a switching signal including an AC component and the output voltage of the fuel cell 101 that is also the input voltage V1. Measure and indirectly grasp the moisture content inside the fuel cell 101.
  • the ECU 113 samples each detection value of the current sensor 105 and the voltage sensor 1071 at a predetermined sampling rate, and performs a Fourier transform process (FFT operation process or DFT operation process).
  • the impedance of the fuel cell 101 is obtained by, for example, dividing the voltage value after the Fourier transform process by the current value after the Fourier transform process.
  • the moisture content inside the fuel cell 101 affects ion conduction in the electrolyte inside the fuel cell 101, it has a correlation with the impedance of the fuel cell 101. Therefore, by measuring the impedance of the fuel cell 101 by the AC impedance method described above, the moisture content inside the fuel cell 101 can be grasped indirectly.
  • the ECU 113 humidifies the fuel cell 101 in an amount corresponding to the grasped water content state.
  • the timing for superimposing the AC component included in the switching signal for performing on / off switching control of the switching element of the FC-VCU 103 is outside the feedback loop in the ECU 113. If an AC signal is superimposed in the feedback loop, especially when the AC signal is a high frequency, the fluctuation of the input current IFC of the FC-VCU 103 which is a feedback component becomes large, and since this fluctuation is followed, the gain in the feedback loop is increased. There is a possibility that the control stability of the FC-VCU 103 is lowered.
  • the control cycle outside the feedback loop is slower than the control cycle in the feedback loop, the above-described problem does not occur by superimposing the AC signal outside the feedback as in this embodiment, and the FC-VCU 103
  • the impedance of the fuel cell 101 can be measured while ensuring the control stability of the ECU and the suppression of the calculation load of the ECU 113.
  • the humidification amount of the fuel gas supplied to the fuel cell 101 based on the measured impedance of the fuel cell 101, the water content of the fuel cell 101 can always be maintained in an appropriate state. Deterioration and efficiency reduction can be suppressed.
  • the amplitude ACrip of the AC signal superimposed on the control signal for controlling the FC-VCU 103 is fed back from the feedforward term based on the input current IFC and the amplitude of the AC component included in the input current IFC. It is set based on the feedback term as a component. Therefore, the amplitude of the AC signal is not uniquely fixed to the value determined by the feedforward term, and the correction by the feedback term corresponding to the individual error of the FC-VCU 103 is reflected. In other words, the amplitude of the AC signal is set not only by feedforward control but also by feedback control.
  • the amplitude of the AC signal is set in consideration of the individual error of the FC-VCU 103, and therefore, at least one of the power output from the fuel cell 101 and input to the FC-VCU 103 and the power output from the FC-VCU 103. , And the control stability for the FC-VCU 103 is improved.
  • the input current IFC may have a discontinuous waveform that intermittently includes a period in which the value is 0 (zero crossing). Such an input current IFC having a discontinuous waveform is not preferable because the control stability of the FC-VCU 103 is lowered.
  • the amplitude of the AC signal is based on the feedforward term and the feedback term, the amplitude of the AC signal is quickly set to an appropriate value. As a result, maintenance of control stability for the conversion unit is improved.
  • the feedforward term has a larger influence on the setting of the amplitude of the AC signal than the feedback term. For this reason, the amplitude of the AC signal is largely determined by the feedforward term, and the feedback term functions only as a correction amount of the feedforward term, so that the control stability for the FC-VCU 103 is improved.
  • the feedback control amount ACripFB calculated by the feedback control unit 135 may be multiplied by a coefficient ⁇ (IFC) shown in FIG. 11 so as not to affect or reduce the influence.
  • ⁇ coefficient ⁇
  • the load for the AC signal generator 123 to execute the feedback term can be reduced.
  • the feedback term affects the amplitude of the AC signal only when the input current IFC is low, and other than that, the influence does not affect or is small.
  • the feedback control amount ACripFB calculated by the feedback control unit 135 may be multiplied by a coefficient ⁇ (IFC) shown in FIG.
  • each converter included in the FC-VCU 103 is provided with a switching element in parallel with a diode connected in series with the reactor. In other words, the diode becomes a parasitic diode of the switching element.
  • the on / off switching operation of the two switching elements consisting of the high side and the low side boosts and outputs the voltage of the secondary battery provided instead of the fuel cell 101.
  • the electric vehicle described above is a 1MOT type EV (Electrical Vehicle), but even an EV equipped with a plurality of motor generators is an HEV (Hybrid Electrical Vehicle) equipped with an internal combustion engine together with at least one motor generator. Or PHEV (Plug-in Hybrid Electrical Vehicle).
  • the power supply device 100 is mounted in the electric vehicle, the power supply device 100 may be provided in the electric equipment which is not aimed at transport.
  • the power supply apparatus 100 is suitable for a power supply capable of outputting a large current, and is particularly preferably applied to a computer in which a large current has been remarkable in recent years.
  • the VCU 15 of the present embodiment boosts the voltage of the battery 17, but when the voltage of the fuel cell 101 is lower than the voltage of the battery 17, a VCU that steps down the voltage of the battery 17 is used. Further, a VCU capable of increasing / decreasing pressure in both directions may be used.
  • the FC-VCU 103 is not limited to the step-up type, and may be a step-down type or a step-up / step-down type.

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Abstract

電源装置は、電源と、電源が供給する電力の電圧変換を行う変換部と、フィードバックループによって変換部に目標電圧又は目標電流を入力させる又は出力させる第１制御信号を生成し、該第１制御信号及びフィードバックループの外部で生成した電源の状態を検知するための第２制御信号に基づき、変換部を制御する制御部とを備える。制御部は、第２制御信号の特定のパラメータを、電源の出力に基づくフィードフォワード項と、電源が出力し変換部に入力される電力及び変換部が出力する電力の少なくとも一方に含まれる上記特定のパラメータを帰還成分としたフィードバック項とに基づき設定する。

Description

電源装置、機器及び制御方法
　本発明は、電源装置、機器及び制御方法に関する。
　特許文献１には、出力電圧が計測器の測定下限となるように、入力電流に重畳する交流成分（以下、重畳交流成分とも呼ぶ）を絞り、換言すれば交流振幅を絞り、必要最低限の電流摂動に基づき、燃料電池の電気化学的分光特性を計測する方法が記載されている。燃料電池のインピーダンスを計測する際には、電流計測器及び電圧計測器の計測値が用いられる。しかし、燃料電池の電流電圧（Ｉ－Ｖ）特性には、非線形に変化するポイント（変極点）が含まれ、このポイント付近での正確な計測は困難を極める。このため、特許文献１に記載の方法では、燃料電池の出力波形の重畳交流成分である交流振幅をフィードバックし、非線形に変化する変極点近傍では電子負荷装置に与えられる重畳交流成分の振幅を小さくして、非線形な変化による計測結果への影響を抑制しつつ、インピーダンスを計測する。
日本国特開２００７－２５０３６５号公報 日本国特開２００７－０１２４１８号公報 米国特許第６３７６１１１号明細書
　特許文献１に記載された方法では、燃料電池の電流電圧特性が非線形に変化するポイントにおいては、入力電流の重畳交流成分が低減されるため、燃料電池のインピーダンスの計測精度が向上する。しかし、重畳交流成分をフィードバックしているため、電流電圧特性が線形とみなせる領域で重畳される交流成分が高周波の場合には、帰還成分である燃料電池の出力電流の揺れが大きくなる。この揺れに追従するためにはフィードバックループにおけるゲインを高くする必要があり、電子負荷装置の制御安定性が低下する可能性がある。また、フィードバックループにおける制御周期を、重畳交流成分の周波数に応じた周期よりも充分に短くしないと、計測時に重畳交流成分が認識されない。したがって、高周波の交流成分を重畳する場合は、フィードバックループにおける制御周期を超高速とする必要があるため、電子負荷装置を制御するための計算負荷が膨大となり制御安定性が低下する。
　本発明の目的は、電源が供給する電力の電圧変換を行う変換部に対する制御安定性を維持しつつ、電源の状態を検知可能な電源装置、機器及び制御方法を提供することである。
　本発明は以下の態様を提供するものである。
　第１態様は、
　電源（例えば、後述の実施形態での燃料電池１０１）と、
　前記電源が供給する電力の電圧変換を行う変換部（例えば、後述の実施形態でのＦＣ－ＶＣＵ１０３）と、
　フィードバックループによって前記変換部に目標電圧又は目標電流を入力させる又は出力させる第１制御信号を生成し、該第１制御信号及び前記フィードバックループの外部で生成した前記電源の状態を検知するための第２制御信号に基づき、前記変換部を制御する制御部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ１１３）と、を備え、
　前記制御部は、前記第２制御信号の特定のパラメータ（例えば、後述の実施形態での電流の振幅値）を、前記電源の出力（例えば、後述の実施形態での入力電流ＩＦＣ）に基づくフィードフォワード項と、前記電源が出力し前記変換部に入力される電力及び前記変換部が出力する電力の少なくとも一方に含まれる前記特定のパラメータを帰還成分としたフィードバック項と、に基づき設定する、電源装置である。
　第２態様は、
　第１態様の電源装置であって、
　前記制御部は、前記第１制御信号に前記第２制御信号を前記フィードバックループの外部で重畳し、前記第２制御信号が重畳された前記第１制御信号に基づく信号を前記変換部に出力する、電源装置である。
　第３態様は、
　第１又は第２態様の電源装置であって、
　前記フィードフォワード項は、前記第２制御信号の前記特定のパラメータに与える影響が前記フィードバック項よりも大きい、電源装置である。
　第４態様は、
　第１～第３態様のいずれかの電源装置であって、
　前記制御部は、前記フィードフォワード項から導出される前記特定のパラメータを、前記フィードバック項から導出される前記特定のパラメータによって修正して、前記第２制御信号を生成する、電源装置である。
　第５態様は、
　第１～第４態様のいずれかの電源装置であって、
　前記制御部は、前記第１制御信号を生成するためのフィードバック制御よりも遅い制御周期で前記フィードバック制御を実行する、電源装置である。
　第６態様は、
　第１～第５態様のいずれかの電源装置であって、
　前記制御部は、前記変換部に入力される電流及び前記変換部が出力する電流の少なくとも一方に基づき、前記フィードバック項による前記第２制御信号の前記特定のパラメータに対する影響を補正する、電源装置である。
　第７態様は、
　第６態様の電源装置であって、
　前記制御部は、前記変換部に入力される電流及び前記変換部が出力する電流の少なくとも一方が所定の範囲に属する場合は、前記フィードバック項による前記第２制御信号の前記特定のパラメータに対する影響を小さくする、電源装置である。
　第８態様は、
　第１～第７態様のいずれかの電源装置であって、
　前記特定のパラメータは、前記変換部に入力される電流及び前記変換部が出力する電流の少なくとも一方の振幅値を含む、電源装置である。
　第９態様は、
　第１～第８態様のいずれかの電源装置であって、
　前記制御部は、前記第２制御信号により生じる前記電源の出力に基づき、前記電源のインピーダンスを測定する、電源装置である。
　第１０態様は、
　第９態様の電源装置であって、
　前記電源は燃料電池であり、
　前記制御部は、前記インピーダンスに基づき、前記燃料電池における加湿量を調整する、電源装置である。
　第１１態様は、
　電源（例えば、後述の実施形態での燃料電池１０１）と、
　前記電源が供給する電力の電圧変換が可能な複数の変換ユニットを、電気的に並列に接続して構成された変換部（例えば、後述の実施形態でのＦＣ－ＶＣＵ１０３）と、
　前記電圧変換を行う前記変換ユニットの数である動作数を変更する変更部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ１１３）と、
　フィードバックループによって前記変換部に目標電圧又は目標電流を入力させる又は出力させる第１制御信号を生成し、該第１制御信号及び前記フィードバックループの外部で生成した前記電源の状態を検知するための第２制御信号に基づき、前記変換部を制御する制御部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ１１３）と、を備え、
　前記制御部は、前記第２制御信号の特定のパラメータ（例えば、後述の実施形態での電流の振幅値）を、前記動作数と前記電源が出力し前記変換部に入力される電流の少なくとも一方に基づくフィードフォワード項と、前記電源が出力し前記変換部に入力される電力及び前記変換部が出力する電力の少なくとも一方に含まれる前記特定のパラメータを帰還成分としたフィードバック項と、に基づき設定する、電源装置である。
　第１２態様は、
　第１～第１１態様のいずれかの電源装置を有する、機器である。
　第１３態様は、
　電源（例えば、後述の実施形態での燃料電池１０１）と、
　前記電源が供給する電力の電圧変換を行う変換部（例えば、後述の実施形態でのＦＣ－ＶＣＵ１０３）と、
　フィードバックループによって前記変換部に目標電圧又は目標電流を入力させる又は出力させる第１制御信号を生成し、該第１制御信号及び前記フィードバックループの外部で生成した前記電源の状態を検知するための第２制御信号に基づき、前記変換部を制御する制御部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ１１３）と、を備えた電源装置が行う制御方法であって、
　前記制御部は、前記第２制御信号の特定のパラメータ（例えば、後述の実施形態での電流の振幅値）を、前記電源の出力（例えば、後述の実施形態での入力電流ＩＦＣ）に基づくフィードフォワード項と、前記電源が出力し前記変換部に入力される電力及び前記変換部が出力する電力の少なくとも一方に含まれる前記特定のパラメータを帰還成分としたフィードバック項と、に基づき設定する、制御方法である。
　第１４態様は、
　電源（例えば、後述の実施形態での燃料電池１０１）と、
　前記電源が供給する電力の電圧変換が可能な複数の変換ユニットを、電気的に並列に接続して構成された変換部（例えば、後述の実施形態でのＦＣ－ＶＣＵ１０３）と、
　前記電圧変換を行う前記変換ユニットの数である動作数を変更する変更部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ１１３）と、
　フィードバックループによって前記変換部に目標電圧又は目標電流を入力させる又は出力させる第１制御信号を生成し、該第１制御信号及び前記フィードバックループの外部で生成した前記電源の状態を検知するための第２制御信号に基づき、前記変換部を制御する制御部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ１１３）と、を備えた電源装置が行う制御方法であって、
　前記制御部は、前記第２制御信号の特定のパラメータ（例えば、後述の実施形態での電流の振幅値）を、前記動作数と前記電源が出力し前記変換部に入力される電流の少なくとも一方に基づくフィードフォワード項と、前記電源が出力し前記変換部に入力される電力及び前記変換部が出力する電力の少なくとも一方に含まれる前記特定のパラメータを帰還成分としたフィードバック項と、に基づき設定する、制御方法である。
　第１態様、第１２態様及び第１３態様では、電源の状態を検知するための第２制御信号の特定のパラメータはフィードフォワード項とフィードバック項とに基づき設定される。従って、第２制御信号の特定のパラメータは、電源の出力に基づくフィードフォワード項によって決定された値に一義的に固定されず、変換部の個体誤差等に応じたフィードバック項による修正が反映される。言い換えれば、第２制御信号の特定のパラメータは、フィードフォワード制御だけでなく、フィードバック制御によっても設定される。その結果、第２制御信号の特定のパラメータは、変換部の個体誤差等も考慮して設定されるため、電源が出力し変換部に入力される電力及び変換部が出力する電力の少なくとも一方の波形が安定し、変換部に対する制御安定性が向上する。そして、第２制御信号は、第１制御信号を生成するフィードバックループの外部で生成される。したがって、第２制御信号の生成は第１制御信号を生成するフィードバックループの高速化に影響を及ぼさないため、変換部に対する制御安定性を維持しつつ、電源の状態を検知できる。
　第２態様によれば、第１制御信号を生成するフィードバックループの外部で第２制御信号を第１制御信号に重畳するため、第２制御信号が高周波であっても、変換部に対する制御安定性を維持できる。また、第２制御信号が重畳された第１制御信号に基づく信号によって変換部が駆動されるため、電圧変換と電源の状態検知の双方が可能である。
　第３態様によれば、フィードフォワード項の方が第２制御信号に与える影響が大きいため、フィードフォワード項によって第２制御信号の特定のパラメータの大部分が決定され、フィードバック項はあくまでフィードフォワード項の補正量として機能するため、フィードバック項による第２制御信号の安定性の低下を抑制できる。
　第４態様によれば、フィードフォワード項から導出された第２制御信号の特定のパラメータは、変換部の入出力電力に基づくフィードバック項によって修正されるため、フィードフォワード項だけでは最適に設定できない第２制御信号の特定のパラメータを、変換部の入出力電力に応じた適当な値に設定できる。
　第５態様によれば、変換部に目標電圧又は目標電流を出力させる第１制御信号の制御周期と、電源の状態を検知するための第２制御信号の制御周期とが異なることで互いの制御が干渉しない。また、第２制御信号は、変換部に目標電圧又は目標電流を出力させる第１制御信号に求められる追従性よりも低くて十分であるため、電源の状態を正確に検知できるよう比較的遅い方が好ましい。これにより役割の異なる第１制御信号と第２制御信号を、互いの役割を考慮した適切な制御周期の下、干渉せずに生成できる。
　第６態様によれば、フィードバック項は、制御安定性に直接に影響する変換部の入出力電流に基づくため、変換部に対する制御安定性の維持に直接的に寄与する。
　第７態様によれば、変換部に入出力する電流に基づき、フィードバック項による第２制御信号の特定のパラメータに対する影響が適切なものとなり、第２制御信号がより安定なものとなる。
　第８態様によれば、第２制御信号を示す電流の振幅値が設定されるため、制御の不安定さの原因となる電源の出力電流のゼロクロスや不連続モードを効果的に回避できる。
　第９態様によれば、変換部に対する制御安定性を維持しつつ、電源のインピーダンスを精度良く測定できる。
　第１０態様によれば、変換部に対する制御安定性を維持しつつ、燃料電池における加湿量を精度良く調整でき、燃料電池の高寿命化が図れる。
　第１１態様、第１２態様及び第１４態様では、電源の状態を検知するための第２制御信号の特定のパラメータはフィードフォワード項とフィードバック項とに基づき設定される。従って、第２制御信号の特定のパラメータは、変換ユニットの動作数に基づくフィードフォワード項によって決定された値に固定されず、変換部の個体誤差やパラメータの変更等に応じたフィードバック項による修正が反映される。言い換えれば、第２制御信号の特定のパラメータは、フィードフォワード制御だけでなく、フィードバック制御によっても設定される。その結果、複数の変換ユニットを有する変換部に対する制御安定性が向上する。そして、第２制御信号は、第１制御信号を生成するフィードバックループの外部で生成される。したがって、第２制御信号の生成は第１制御信号を生成するフィードバックループの高速化に影響を及ぼさないため、複数の変換ユニットを有する変換部に対する制御安定性を維持しつつ、電源の状態を検知できる。
本発明に係る一実施形態の電源装置を搭載した電動車両の概略構成を示すブロック図である。 一実施形態の電源装置、バッテリ、ＶＣＵ、ＰＤＵ及びモータジェネレータの関係を示す電気回路図である。 ＦＣ－ＶＣＵが有する４つの変換部（相）のうち１つのみを駆動する場合のスイッチング信号及びＦＣ－ＶＣＵの入出力電流の経時変化を示す図である。 ＦＣ－ＶＣＵが有する４つの変換部（相）の全てを駆動する場合のスイッチング信号及びＦＣ－ＶＣＵの入出力電流の経時変化を示す図である。 駆動する変換部（相）の数Ｎ毎の入力電流に対する損失を考慮したＦＣ－ＶＣＵのエネルギー効率を示すグラフである。 図２に示すＦＣ－ＶＣＵが有する４つの変換部（相）の各構成要素及び平滑コンデンサの、Ｚ軸方向から見た位置関係を示す図である。 他の実施形態の電源装置、バッテリ、ＶＣＵ、ＰＤＵ及びモータジェネレータの関係を示す電気回路図である。 図７に示すＦＣ－ＶＣＵが有する４つの変換部（相）の各構成要素及び平滑コンデンサの、Ｚ軸方向から見た位置関係を示す図である。 ＥＣＵを有する電源装置を搭載した電動車両の概略構成を示すブロック図である。 ＦＣ－ＶＣＵを１相で駆動する際に重畳する交流信号の振幅の大小による入力電流ＩＦＣの波形の違いを説明するための、入力電流の値が０（Ａ）近傍の拡大図である。 係数κとＦＣ－ＶＣＵの入力電流との関係の一例を示す図である。 係数κとＦＣ－ＶＣＵの入力電流との関係の他の例を示す図である。 他の実施形態の電源装置を搭載した電動車両の概略構成を示すブロック図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、本発明に係る一実施形態の電源装置を搭載した電動車両の概略構成を示すブロック図である。図１中の太い実線は機械連結を示し、二重点線は電力配線を示し、細い実線の矢印は制御信号を示す。図１に示す１ＭＯＴ型の電動車両は、モータジェネレータ（MG）１１と、ＰＤＵ（Power Drive Unit）１３と、ＶＣＵ（Voltage Control Unit）１５と、バッテリ１７と、一実施形態の電源装置１００とを備える。以下、電動車両が備える各構成要素について説明する。
　モータジェネレータ１１は、バッテリ１７及び電源装置１００の少なくとも一方から供給される電力によって駆動され、電動車両が走行するための動力を発生する。モータジェネレータ１１で発生したトルクは、変速段又は固定段を含むギヤボックスＧＢ及びデファレンシャル・ギアＤを介して駆動輪Ｗに伝達される。また、モータジェネレータ１１は、電動車両の減速時には発電機として動作して、電動車両の制動力を出力する。なお、モータジェネレータ１１を発電機として動作させることで生じた回生電力は、バッテリ１７に蓄えられる。
　ＰＤＵ１３は、直流電圧を三相交流電圧に変換してモータジェネレータ１１に印加する。また、ＰＤＵ１３は、モータジェネレータ１１の回生動作時に入力される交流電圧を直流電圧に変換する。
　ＶＣＵ１５は、バッテリ１７の出力電圧を直流のまま昇圧する。また、ＶＣＵ１５は、電動車両の減速時にモータジェネレータ１１が発電して直流に変換された電力を降圧する。さらに、ＶＣＵ１５は、電源装置１００の出力電圧を直流のまま降圧する。ＶＣＵ１５によって降圧された電力は、バッテリ１７に充電される。
　バッテリ１７は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等といった複数の蓄電セルを有し、ＶＣＵ１５を介してモータジェネレータ１１に高電圧の電力を供給する。なお、バッテリ１７は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池といった二次電池に限定される訳ではない。例えば、蓄電可能容量は少ないものの、短時間に大量の電力を充放電可能なコンデンサやキャパシタをバッテリ１７として用いても構わない。
　電源装置１００は、図１に示すように、燃料電池（FC）１０１と、ＦＣ－ＶＣＵ（Fuel Cell Voltage Control Unit）１０３と、電流センサ１０５と、相電流センサ１０５１～１０５４（図２参照）と、電圧センサ１０７１，１０７２と、温度センサ１０９１～１０９４（図２参照）と、パワースイッチ１１１と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１３とを備える。
　燃料電池１０１は、水素タンク、水素ポンプ及びＦＣスタックを有する。水素タンクは、電動車両が走行するための燃料である水素を蓄える。水素ポンプは、水素タンクからＦＣスタックに送られる水素量を調整する。また、水素ポンプは、水素タンクが蓄えている乾燥した水素を、水素ポンプ内の貯水槽に経由してから、ＦＣスタックに供給することで、水素の加湿量も調整できる。ＦＣスタックは、水素ポンプから供給される水素と空気中の酸素を取り込み、化学反応により電気エネルギーを生成する。ＦＣスタックで生成された電気エネルギーは、モータジェネレータ１１又はバッテリ１７に供給される。
　燃料電池１０１には、固体高分子化型燃料電池（PEFC = Polymer Electrolyte Fuel Cell）以外にも、りん酸型燃料電池（PAFC = Phosphoric Acid Fuel Cell）や溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物型燃料電池（SOFC = Solid  Oxide Fuel Cell）など様々な種類の燃料電池が適用できる。
　なお、燃料電池１０１の閉回路電圧は、放電量に応じて変動する。また、燃料電池１０１の特性と上述したバッテリ１７の特性は互いに異なる。燃料電池１０１は、燃料である水素と酸素を供給する限り大電流を継続して放電できる。しかし、供給される燃料ガスの電気化学反応により電気を生成する原理上、燃料電池１０１の出力を短時間に不連続的に変動させることは難しい。これらの特性を考慮すると、燃料電池１０１は高容量型の電源としての特性を備えていると言える。一方のバッテリ１７は、内部の活物質の電気化学反応により電気を生成する原理上、大電流を継続して放電することは難しいが、その出力を短時間に不連続的に変動させることは決して難しくない。これらの特性を考慮すると、バッテリ１７は、高出力型の電源としての特性を備えていると言える。
　ＦＣ－ＶＣＵ１０３は、燃料電池１０１が出力した電力（電気エネルギー）の電圧変換が可能な変換部を４つ有し、これらを互いに並列に接続し、その出力ノードと入力ノードを共通化した、いわゆる多相コンバータである。図２は、電源装置１００、バッテリ１７、ＶＣＵ１５、ＰＤＵ１３及びモータジェネレータ１１の関係を示す電気回路図である。図２に示すように、ＦＣ－ＶＣＵ１０３が有する各変換部は、リアクトルと、当該リアクトルに直列接続されたダイオードと、リアクトルとダイオードの間に接続されたスイッチング素子を含む昇圧チョッパ回路の回路構成を有する。なお、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の入力側には、４つの変換部と並列に平滑コンデンサＣ１が設けられ、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の出力側には、ＶＣＵ１５と並列に平滑コンデンサＣ２が設けられる。
　ＦＣ－ＶＣＵ１０３が有する４つの変換部は電気的に並列に接続されており、少なくとも１つの変換部のスイッチング素子を所望のタイミングでオンオフ切換動作することによって、燃料電池１０１の電圧を直流のまま昇圧して出力する。変換部のスイッチング素子のオンオフ切換動作は、ＥＣＵ１１３からＦＣ－ＶＣＵ１０３へのパルス状の所定のデューティ比を有するスイッチング信号によって制御される。
　ＥＣＵ１１３の制御によって駆動する変換部の数は、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の出力電流のリプルに影響する。変換部のスイッチング素子をオンオフ切換制御すると、オン動作中にはＦＣ－ＶＣＵ１０３への入力電流がスイッチング素子側に流れてリアクトルはエネルギーを蓄え、オフ動作中にはＦＣ－ＶＣＵ１０３への入力電流がダイオード側に流れてリアクトルは蓄えたエネルギーを放出する。このため、ＦＣ－ＶＣＵ１０３が有する４つの変換部のうち１つのみを駆動すると、図３に示すように、ＦＣ－ＶＣＵ１０３からはオフ動作中の変換部を流れた電流が出力される。また、ＦＣ－ＶＣＵ１０３が有する４つの変換部の全てを駆動する場合には、図４に示すように、各変換部のオンオフ切換位相を９０度ずつずらすインターリーブ制御が行われる。この場合、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の出力電流のリプルは、各変換部の出力電流がＦＣ－ＶＣＵ１０３の出力ノードで合成させることにより、図３に示す１つの変換部のみを駆動する場合と比べて小さい。また、ＦＣ－ＶＣＵ１０３が有する４つの変換部のうち２つを駆動する場合には、駆動する各変換部のオンオフ切換位相を１８０度ずつずらすインターリーブ制御が行われる。このときのＦＣ－ＶＣＵ１０３の出力電流のリプルは、図４に示す４つの変換部を駆動する場合と比べると大きいが、図３に示す１つの変換部のみを駆動する場合と比べると小さい。このように、駆動する変換部の数によって出力電流のリプルは変化する。駆動する変換部の間の位相差を、３６０度を駆動する変換部の数で割った値と等しくすると、出力電流のリプルを最小化できる。
　また、駆動する変換部の数は、ＦＣ－ＶＣＵ１０３で発生する損失にも影響する。ＦＣ－ＶＣＵ１０３で発生する損失には、スイッチング素子がオンとオフ状態の間を遷移する際に生じる遷移損失ηtransと、スイッチング素子などが有する抵抗成分から生じる導通損失ηconductと、スイッチングによって生じるスイッチング損失ηswitch(Fsw)の３つが含まれる。
　４つの変換部のうち１つのみを駆動する場合にＦＣ－ＶＣＵ１０３で発生する損失ηtotal_1は以下の式（１）によって表される。但し、「IFC」はＦＣ－ＶＣＵ１０３への入力電流であり、「V1」はＦＣ－ＶＣＵ１０３の入力電圧であり、「V2」はＦＣ－ＶＣＵ１０３の出力電圧である。また、「Ttrans」は、スイッチング素子におけるオンからオフ又はオフからオンへの遷移時間であり、「Fsw」はスイッチング周波数であり、「RDSon」は変換部を構成するスイッチング素子のオン抵抗である。また、「A」は定数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）に示す損失ηtotal_1に基づくと、ＦＣ－ＶＣＵ１０３への入力電流ＩＦＣが大きくなるほど特に導通損失が増大し、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の発熱量が増加する。そこで、駆動する変換部の数を増やし、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の変換部を駆動する場合には、ＦＣ－ＶＣＵ１０３で発生する損失ηtotal_Nは以下の式（２）によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）に示す損失ηtotal_Nに基づくと、駆動する変換部の数の増加によってスイッチング損失は増大するが、導通損失は減少する。このため、ＥＣＵ１１３は、駆動する変換部の数Ｎ毎の損失を考慮したＦＣ－ＶＣＵ１０３のエネルギー効率を示すマップ等を用いて、駆動する変換部の数を選択する。図５は、駆動する変換部の数Ｎ毎の入力電流ＩＦＣに対する損失を考慮したＦＣ－ＶＣＵ１０３のエネルギー効率を示すグラフである。ＥＣＵ１１３は、図５のグラフに基づくマップから、ＦＣ－ＶＣＵ１０３への入力電流ＩＦＣに応じた適切な数Ｎを選択する。
　図６は、図２に示したＦＣ－ＶＣＵ１０３が有する４つの変換部の各構成要素及び平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の、Ｚ軸方向から見た位置関係を示す図である。以下の説明では、ＦＣ－ＶＣＵ１０３が有する４つの変換部の各々を「相」と表現する。したがって、本実施形態では、図６に示すように、リアクトルＬ１を含む変換部を「相１」、リアクトルＬ２を含む変換部を「相２」、リアクトルＬ３を含む変換部を「相３」、リアクトルＬ４を含む変換部を「相４」と表す。また、駆動する変換部（相）の数（以下、「動作相数」と記載することもある。）が１つであれば「１相」、駆動する変換部（相）の数が２つであれば「２相」といったように、駆動する変換部（相）の数Ｎによって動作相数を「Ｎ相」と表す。
　図６に示すように、本実施形態では、相１～相４がＸＹ平面上に一列に並んで配置されており、ＸＹ平面での最も外側に相１及び相４が配置され、相１の内側には相２が配置され、相４の内側には相３が配置されている。また、相１を構成するリアクトルＬ１の鉄芯と相２を構成するリアクトルＬ２の鉄芯が共用化され、各リアクトルのコイルの鉄芯に対する巻線方向は互いに逆である。同様に、リアクトルＬ３の鉄芯とリアクトルＬ４の鉄芯も共用化され、各リアクトルのコイルの鉄芯に対する巻線方向は互いに逆である。このため、リアクトルＬ１とリアクトルＬ２は互いに磁気結合し、リアクトルＬ３とリアクトルＬ４は互いに磁気結合する。
　さらに図６においては、互いに磁気結合したリアクトルに同一の電流を流した場合、それぞれの相に生じる磁束が相殺される点を示している。リアクトルＬ３に流れる電流ＩＬ３は磁束３を、リアクトルＬ４に流れる電流ＩＬ４は磁束４をそれぞれ電磁誘導によって生じさせる。前述したようにリアクトルＬ３の鉄芯とリアクトルＬ４の鉄芯は共用化されているので、磁束３と磁束４は逆向きとなって互いに相殺する。したがって、リアクトルＬ３とリアクトルＬ４における磁気飽和を抑制できる。また、リアクトルＬ１とリアクトルＬ２においても同様である。
　また、リアクトルＬ１とリアクトルＬ２とで共用化された鉄芯Ｃｏａは、相１及び相２にわたってＸＹ平面上に配置され、リアクトルＬ３とリアクトルＬ４とで共用化された鉄芯Ｃｏｂは、相３及び相４にわたってＸＹ平面上に配置される。ＸＹ平面は、水平面であっても、鉛直面であっても良い。なお、磁気結合するリアクトルの数は２に限られない。前述したように鉄芯を共用化することで、３や４またはそれ以上のリアクトルを磁気結合させることができる。
　各相のリアクトルＬ１～Ｌ４の誘導電流ＩＬ１～ＩＬ４は、スイッチング素子の一端とダイオードの一端を接続したノードにつながるノードＮｏｄｅ２に入力される。スイッチング素子の他端のノードＮｏｄｅ１は、グランド線に接続される。また、各相の出力電流は、ダイオードの他端のノードＮｏｄｅ３より出力される。
　なお、図７に示すように、相１～相４を構成する各リアクトルの鉄芯が独立した構成であっても良い。但し、この場合であっても、図８に示すように、相１～相４がＸＹ平面上に一列に並んで配置されており、ＸＹ平面での最も外側に相１及び相４が配置され、相１の内側には相２が配置され、相４の内側には相３が配置される。
　電源装置１００が有する電流センサ１０５及び相電流センサ１０５１～１０５４は、電流の検出対象である回路と電気的接点（ノード）を有さない、いわゆるホール型の電流センサである。各電流センサは、コア及びホール素子を有し、コアのギャップに発生する入力電流に比例した磁界を磁電変換素子であるホール素子が電圧に変換する。電流センサ１０５は、燃料電池１０１の出力電流でもあるＦＣ－ＶＣＵ１０３への入力電流ＩＦＣを検出する。電流センサ１０５が検出した入力電流ＩＦＣに応じた電圧を示す信号はＥＣＵ１１３に送られる。図２に示される相電流センサ１０５１～１０５４は、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の各相（各変換部）を流れる相電流ＩＬ１～ＩＬ４を検出する。相電流センサ１０５１～１０５４が検出した相電流ＩＬ１～ＩＬ４に応じた電圧を示す信号はＥＣＵ１１３に送られる。なお、電流センサ１０５の制御周期と相電流センサ１０５１～１０５４の制御周期は、ＥＣＵ１１３での制御の干渉を防止するために互いに異なる。本実施形態では、電流センサ１０５の制御周期の方が相電流センサ１０５１～１０５４の制御周期よりも早い。これは、その検出値を用いて動作相数の変更という、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の効率に大きな影響を与える電流センサ１０５と、その検出値を用いて駆動している各相の電流値のバランスを図るという補助的な相電流センサ１０５１～１０５４の役割の違いに起因するものである。
　電圧センサ１０７１は、燃料電池１０１の出力電圧でもあるＦＣ－ＶＣＵ１０３の入力電圧Ｖ１を検出する。電圧センサ１０７１が検出した電圧Ｖ１を示す信号は、ＥＣＵ１１３に送られる。電圧センサ１０７２は、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の出力電圧Ｖ２を検出する。電圧センサ１０７２が検出した電圧Ｖ２を示す信号は、ＥＣＵ１１３に送られる。
　温度センサ１０９１～１０９４は、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の特に各相（各変換部）のスイッチング素子近辺の温度を検出する。温度センサ１０９１～１０９４が検出した温度Ｔ１～Ｔ４を示す信号はＥＣＵ１１３に送られる。
　パワースイッチ１１１は、電源装置１００を搭載する電動車両を起動又は停止する際に運転者によって操作されるスイッチである。電動車両が停止した状態のときにパワースイッチ１１１が操作（オン操作）されると、ＥＣＵ１１３には起動を示すパワースイッチ信号が入力される。一方、電動車両が作動した状態のときにパワースイッチ１１１が操作（オフ操作）されると、ＥＣＵ１１３には停止を示すパワースイッチ信号が入力される。
　ＥＣＵ１１３は、燃料電池１０１の制御、ＦＣ－ＶＣＵ１０３を構成する４つの相のうち駆動する相の選択、及び選択した相のスイッチング素子に供給するスイッチング信号によるオンオフ切換制御、並びに、ＰＤＵ１３及びＶＣＵ１５の制御を行う。また、ＥＣＵ１１３は、特性の異なる燃料電池１０１とバッテリ１７の各々の特性を活かすよう、ＶＣＵ１５を用いた電力分配制御を行う。この電力分配制御を行えば、燃料電池１０１は、電動車両の加速走行時に一定の電力をモータジェネレータ１１に電力を供給するよう用いられ、バッテリ１７は、電動車両の走行のために大きな駆動力が必要なときに、モータジェネレータ１１に電力を供給するよう用いられる。また、電動車両の減速走行時には、ＥＣＵ１１３は、モータジェネレータ１１が発電した回生電力によってバッテリ１７を充電する。
　さらに、ＥＣＵ１１３は、ＦＣ－ＶＣＵ１０３に対して以下説明する制御を行う。以下、当該制御について、図面を参照して詳細に説明する。
　ＥＣＵ１１３は、ＦＣ－ＶＣＵ１０３を制御する当該ＥＣＵ１１３におけるフィードバック制御のループ（以下「フィードバックループ」という。）の外部で、フィードバックループから出力されたＦＣ－ＶＣＵ１０３のスイッチング素子をオンオフ切換制御するための制御信号（以下、単に「制御信号」という。）に交流信号を重畳する。さらに、ＥＣＵ１１３は、交流信号が重畳された制御信号に基づきパルス状のスイッチング信号を生成し、当該スイッチング信号をＦＣ－ＶＣＵ１０３の各スイッチング素子に出力する。なお、スイッチング信号に含まれる交流成分は、燃料電池１０１のインピーダンスを測定するために重畳される。また、フィードバックループの制御周期は、上記交流成分の周波数に応じた周期よりも十分に短い。
　図９は、ＥＣＵ１１３を有する電源装置１００を搭載した電動車両の概略構成を示すブロック図である。図９に示すように、ＥＣＵ１１３は、フィードバック制御部１２１を含むフィードバックループと、フィードバック制御部１３５を含む交流信号発生部１２３と、スイッチング信号生成部１２５とを有する。なお、本実施形態のＦＣ－ＶＣＵ１０３は電流制御モードで制御されるため、ＥＣＵ１１３には、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の入力電流ＩＦＣの目標値（以下「ＩＦＣ電流目標値」という。）を入力としてフィードバック制御部１２１が出力した結果、つまり電流センサ１０５の検出値（入力電流ＩＦＣ）を帰還するフィードバックループが形成されている。
　フィードバック制御部１２１は、ＩＦＣ電流目標値と電流センサ１０５が検出した入力電流ＩＦＣの値の差分に基づく制御信号を出力する。交流信号発生部１２３は、燃料電池１０１のインピーダンスを測定するために制御信号に重畳する交流信号を発生する。交流信号発生部１２３の詳細については後述する。交流信号発生部１２３が発生した交流信号は、フィードバックループの外部で、フィードバック制御部１２１が出力した制御信号に重畳される。スイッチング信号生成部１２５は、交流信号が重畳された制御信号に基づきパルス状のスイッチング信号を生成し、当該スイッチング信号をＦＣ－ＶＣＵ１０３の各スイッチング素子に出力する。
　以下、交流信号発生部１２３について詳細に説明する。図９に示すように、交流信号発生部１２３は、基本交流設定部１３１と、交流振幅値計測部１３３と、フィードバック制御部１３５とを有する。
　基本交流設定部１３１は、燃料電池１０１の状態や電流センサ１０５の検出値（入力電流ＩＦＣ）などの種々のパラメータに基づいて、振幅ACripFFの基本交流信号を設定する。
　交流振幅値計測部１３３は、電流センサ１０５及び電圧センサ１０７１の検出値に基づき、入力電流ＩＦＣに含まれる交流成分の振幅値ACrip_senを計測する。
　フィードバック制御部１３５は、交流振幅目標値ACrip_tarと、交流振幅値計測部１３３が計測した交流成分の振幅値ACrip_senとの差分（ACrip_tar - ACrip_sen）に基づき、フィードバック制御量ACripFBを算出する。なお、電流不連続モードやゼロクロスを効率的に防止するため、入力電流ＩＦＣに基づきフィードバック制御量AcripFBを修正しても良い。なお、交流振幅目標値ACrip_tarは、振幅ACripFFと同様に、燃料電池１０１の状態や電流センサ１０５の検出値（入力電流ＩＦＣ）などの種々のパラメータから設定されるものであり、振幅ACripFFと同じ値でも違う値でも良い。
　交流信号発生部１２３は、フィードフォワード項の算出値である基本交流信号の振幅値ACripFFに、フィードバック項の算出値であるフィードバック制御量ACripFBを加算した、振幅ACripの交流信号を発生する。
　なお、上述のフィードバック制御部１２１が含まれるフィードバックループでの制御周期と、当該フィードバックループの外部で制御信号に交流信号を重畳する段での制御周期とは、互いの制御が干渉しないようそれぞれ異なる。本実施形態では、フィードバックループでの制御周期に比べて、交流信号発生部１２３を含む交流信号を重畳する段での制御周期の方が遅い。これはＦＣ－ＶＣＵ１０３が後述する電圧制御モードにおいては目標電圧を、後述する電流制御モードにおいては目標電流を出力できるように、フィードバックループにおいては比較的が早い制御周期が求められるためである。一方、交流信号発生部１２３を含む交流信号を重畳する段での制御周期には、そこまでの早い制御周期に対する要請がなく、正確に燃料電池１０１のインピーダンスを測定できるように比較的遅いほうが好ましい。このように２つのフィードバックループの制御周期が異なるため、互いの制御に対する干渉が抑制される。好ましくは、それぞれの制御周期を異なる素数とする。さらに、それぞれの役割を考慮して適切なフィードバックループの制御周期を設定しているため、ＥＣＵ１１３の計算負荷の過剰な増大を回避できる。
　なお、ＥＣＵ１１３は、電圧Ｖ２がモータジェネレータ１１の駆動効率がしきい値以上となる最適電圧となるよう駆動する電圧制御モードでＦＣ－ＶＣＵ１０３を制御する場合、フィードバック制御部１２１を含むフィードバックループにはＶ２電圧目標値を入力し、電圧Ｖ２を帰還させる。また、ＥＣＵ１１３は、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の制御が安定する電流制御モードでＦＣ－ＶＣＵ１０３を制御する場合、フィードバック制御部１２１を含むフィードバックループには、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の出力電流の目標値が入力され、当該出力電流の検出値が帰還されても良い。この場合においても、交流信号発生部１２３が発生した交流信号は、フィードバックループの外部で、フィードバック制御部１２１が出力した制御信号に重畳される。なお、電流制御モードにおいてＦＣ－ＶＣＵ１０３の出力電流に代えて、入力電流ＩＦＣを制御しても良い。また、電圧制御モードにおいて出力電圧Ｖ２に代えて、入力電圧Ｖ１を制御しても良い。
　ＥＣＵ１１３は、交流成分を含むスイッチング信号に応じてオンオフ切換制御されたＦＣ－ＶＣＵ１０３の入力電流ＩＦＣ及び入力電圧Ｖ１でもある燃料電池１０１の出力電圧に基づいて、交流インピーダンス法により燃料電池１０１のインピーダンスを測定し、間接的に燃料電池１０１内部の含水状態を把握する。なお、交流インピーダンス法によれば、ＥＣＵ１１３は、電流センサ１０５及び電圧センサ１０７１の各検出値を所定のサンプリングレートでサンプリングし、フーリエ変換処理（ＦＦＴ演算処理やＤＦＴ演算処理）などを施した後、フーリエ変換処理後の電圧値をフーリエ変換処理後の電流値で除するなどして燃料電池１０１のインピーダンスを求める。燃料電池１０１内部の含水状態は、燃料電池１０１内部の電解質におけるイオン伝導に影響を与えるため、燃料電池１０１のインピーダンスとの間に相関関係を有する。従って、前述した交流インピーダンス法により燃料電池１０１のインピーダンスを測定することで、間接的に燃料電池１０１内部の含水状態を把握できる。ＥＣＵ１１３は、把握した含水状態に応じた量の加湿を燃料電池１０１に対して行う。
　以上説明したように、本実施形態によれば、ＦＣ－ＶＣＵ１０３のスイッチング素子をオンオフ切換制御するスイッチング信号に含まれる交流成分を重畳するタイミングは、ＥＣＵ１１３におけるフィードバックループの外部である。仮にフィードバックループ内で交流信号を重畳すると、特に交流信号が高周波の場合には帰還成分であるＦＣ－ＶＣＵ１０３の入力電流ＩＦＣの揺れが大きくなり、この揺れに追従されるためフィードバックループにおけるゲインを高くする必要があり、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の制御安定性が低下する可能性がある。
　加えて原理上、重畳させる交流信号よりフィードバックループにおける制御周期を充分に早くしないと、ＥＣＵ１１３が交流信号を認識できないため、交流重畳が行えない。従って、特に交流信号が高周波の場合にはフィードバックループにおける制御周期が超高速となり、ＥＣＵ１１３の計算負荷が膨大なものとなってしまう。
　しかし、フィードバックループの外部での制御周期はフィードバックループにおける制御周期よりも遅いため、本実施形態のようにフィードバックの外部で交流信号を重畳することによって、上述した問題は発生せず、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の制御安定性とＥＣＵ１１３の計算負荷の抑制を担保しつつ、燃料電池１０１のインピーダンスを測定することができる。当該測定した燃料電池１０１のインピーダンスに基づいて、燃料電池１０１に供給する燃料ガスの加湿量を調整することで、燃料電池１０１の含水状態を適切な状態に常に保持することができ、燃料電池１０１の劣化や効率低下を抑制できる。
　さらに、本実施形態では、ＦＣ－ＶＣＵ１０３を制御するための制御信号に重畳される交流信号の振幅ACripは、入力電流ＩＦＣに基づくフィードフォワード項と、入力電流ＩＦＣに含まれる交流成分の振幅を帰還成分としたフィードバック項とに基づき設定される。したがって、交流信号の振幅は、フィードフォワード項によって決定された値に一義的に固定されず、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の個体誤差等に応じたフィードバック項による修正が反映される。言い換えれば、交流信号の振幅は、フィードフォワード制御だけでなく、フィードバック制御によっても設定される。その結果、交流信号の振幅は、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の個体誤差等も考慮して設定されるため、燃料電池１０１が出力しＦＣ－ＶＣＵ１０３に入力される電力及びＦＣ－ＶＣＵ１０３が出力する電力の少なくとも一方の波形が安定し、ＦＣ－ＶＣＵ１０３に対する制御安定性が向上する。
　仮に、フィードフォワード項に基づき交流信号の振幅が設定される構成では、特に入力電流ＩＦＣが低いときには、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の個体誤差などにより交流信号の振幅が目標値となるまでに時間を要する、または目標値に収束しない。従って、図１０に示すように、交流信号が適正な値だけ重畳されないため、入力電流ＩＦＣは値が０となる期間を間欠的に含む（ゼロクロスする）不連続な波形になる場合がある。こういった不連続な波形の入力電流ＩＦＣはＦＣ－ＶＣＵ１０３の制御安定性を低下させるため好ましくない。しかし、本実施形態では、交流信号の振幅がフィードフォワード項とフィードバック項に基づくため、交流信号の振幅が適正な値に迅速に設定される。その結果、変換部に対する制御安定性の維持が向上する。なお、交流信号の振幅の設定に与える影響は、フィードバック項よりもフィードフォワード項の方が大きい。このため、交流信号の振幅は、フィードフォワード項によって大部分が決定され、フィードバック項はあくまでフィードフォワード項の補正量として機能するため、ＦＣ－ＶＣＵ１０３に対する制御安定性が向上する。
　なお、入力電流ＩＦＣが低い場合及びＦＣ－ＶＣＵ１０３の各相（各変換部）を流れる相電流が低い場合は、交流信号によるゼロクロスや不連続モードの発生が懸念されるために、フィードフォワード項とフィードバック項の双方によって交流信号の振幅を設定する効果があるが、入力電流ＩＦＣ又は相電流が高い場合は交流信号によるゼロクロスや不連続モードは発生しにくい。このため、入力電流ＩＦＣが低いときと、入力電流ＩＦＣが高くＦＣ－ＶＣＵ１０３が多相で駆動されるため相電流が低いときに限って、フィードバック項が交流信号の振幅に影響し、それ以外は影響しないよう又は影響が小さくなるよう、フィードバック制御部１３５が算出するフィードバック制御量ACripFBに、図１１に示す係数κ(IFC)を乗算しても良い。係数κ(IFC)を小さくすることによって、交流信号発生部１２３がフィードバック項を実行するための負荷を軽減できる。
　また、ＦＣ－ＶＣＵ１０３の代わりに単相のＶＣＵが用いられる場合には、入力電流ＩＦＣが低いときに限って、フィードバック項が交流信号の振幅に影響し、それ以外は影響しないよう又は影響が小さくなるよう、フィードバック制御部１３５が算出するフィードバック制御量ACripFBに、図１２に示す係数κ(IFC)を乗算しても良い。
　なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上述の第１～第１１実施例はそれぞれ独立に説明したが、２つ以上の実施例を組み合わせた電源装置としても良い。また、上記説明した電動車両は、エネルギー源として燃料電池１０１及びバッテリ１７を備えるが、燃料電池１０１の代わりに、バッテリ１７よりもエネルギー重量密度が高いリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池を用いても良い。この場合、図１３に示すように、ＦＣ－ＶＣＵ１０３が有する各変換部には、リアクトルに直列接続されたダイオードと並列にスイッチング素子が設けられ、換言すればダイオードがスイッチング素子の寄生ダイオードとなり、ＥＣＵ１１３がハイサイドとローサイドから成る２つのスイッチング素子をオンオフ切換動作することによって、燃料電池１０１の代わりに設けられた二次電池の電圧を昇圧して出力する。
　また、上記説明した電動車両は、１ＭＯＴ型のＥＶ（Electrical Vehicle）であるが、複数のモータジェネレータを搭載したＥＶであっても、少なくとも１つのモータジェネレータと共に内燃機関を搭載したＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle）又はＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electrical Vehicle）であっても良い。また、本実施形態では、電源装置１００が電動車両に搭載されているが、輸送を目的としない電気機器に電源装置１００が設けられても良い。電源装置１００は大電流が出力可能な電源に対して好適であり、近年大電流化が著しいコンピュータへの適用が特に好ましい。
　本実施形態のＶＣＵ１５は、バッテリ１７の電圧を昇圧するが、燃料電池１０１の電圧がバッテリ１７の電圧よりも低い場合、バッテリ１７の電圧を降圧するＶＣＵが用いられる。また、双方向に昇降圧が可能なＶＣＵを用いても良い。また、ＦＣ－ＶＣＵ１０３は、昇圧型に限らず、降圧型又は昇降圧型であっても良い。
１１　モータジェネレータ（MG）
１３　ＰＤＵ
１５　ＶＣＵ
１７　バッテリ
１００　電源装置
１０１　燃料電池（FC）
１０３　ＦＣ－ＶＣＵ
１０５　電流センサ
１０５１～１０５４　相電流センサ
１０７１，１０７２　電圧センサ
１０９１～１０９４　温度センサ
１１１　パワースイッチ
１１３　ＥＣＵ
１２１　フィードバック制御部
１２３　交流信号発生部
１２５　スイッチング信号生成部
１３１　基本交流設定部
１３３　交流振幅値計測部
１３５　フィードバック制御部
Ｃ１，Ｃ２　平滑コンデンサ
Ｌ１～Ｌ４　リアクトル
Ｃｏａ，Ｃｏｂ　鉄芯

Claims (14)

  1. 　電源と、
    　前記電源が供給する電力の電圧変換を行う変換部と、
    　フィードバックループによって前記変換部に目標電圧又は目標電流を入力させる又は出力させる第１制御信号を生成し、該第１制御信号及び前記フィードバックループの外部で生成した前記電源の状態を検知するための第２制御信号に基づき、前記変換部を制御する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、前記第２制御信号の特定のパラメータを、前記電源の出力に基づくフィードフォワード項と、前記電源が出力し前記変換部に入力される電力及び前記変換部が出力する電力の少なくとも一方に含まれる前記特定のパラメータを帰還成分としたフィードバック項と、に基づき設定する、電源装置。
  2. 　請求項１に記載の電源装置であって、
    　前記制御部は、前記第１制御信号に前記第２制御信号を前記フィードバックループの外部で重畳し、前記第２制御信号が重畳された前記第１制御信号に基づく信号を前記変換部に出力する、電源装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の電源装置であって、
    　前記フィードフォワード項は、前記第２制御信号の前記特定のパラメータに与える影響が前記フィードバック項よりも大きい、電源装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の電源装置であって、
    　前記制御部は、前記フィードフォワード項から導出される前記特定のパラメータを、前記フィードバック項から導出される前記特定のパラメータによって修正して、前記第２制御信号を生成する、電源装置。
  5. 　請求項１から４のいずれか１項に記載の電源装置であって、
    　前記制御部は、前記第１制御信号を生成するためのフィードバック制御よりも遅い制御周期で前記フィードバック制御を実行する、電源装置。
  6. 　請求項１から５のいずれか１項に記載の電源装置であって、
    　前記制御部は、前記変換部に入力される電流及び前記変換部が出力する電流の少なくとも一方に基づき、前記フィードバック項による前記第２制御信号の前記特定のパラメータに対する影響を補正する、電源装置。
  7. 　請求項６に記載の電源装置であって、
    　前記制御部は、前記変換部に入力される電流及び前記変換部が出力する電流の少なくとも一方が所定の範囲に属する場合は、前記フィードバック項による前記第２制御信号の前記特定のパラメータに対する影響を小さくする、電源装置。
  8. 　請求項１から７のいずれか１項に記載の電源装置であって、
    　前記特定のパラメータは、前記変換部に入力される電流及び前記変換部が出力する電流の少なくとも一方の振幅値を含む、電源装置。
  9. 　請求項１から８のいずれか１項に記載の電源装置であって、
    　前記制御部は、前記第２制御信号により生じる前記電源の出力に基づき、前記電源のインピーダンスを測定する、電源装置。
  10. 　請求項９に記載の電源装置であって、
    　前記電源は燃料電池であり、
    　前記制御部は、前記インピーダンスに基づき、前記燃料電池における加湿量を調整する、電源装置。
  11. 　電源と、
    　前記電源が供給する電力の電圧変換が可能な複数の変換ユニットを、電気的に並列に接続して構成された変換部と、
    　前記電圧変換を行う前記変換ユニットの数である動作数を変更する変更部と、
    　フィードバックループによって前記変換部に目標電圧又は目標電流を入力させる又は出力させる第１制御信号を生成し、該第１制御信号及び前記フィードバックループの外部で生成した前記電源の状態を検知するための第２制御信号に基づき、前記変換部を制御する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、前記第２制御信号の特定のパラメータを、前記動作数と前記電源が出力し前記変換部に入力される電流の少なくとも一方に基づくフィードフォワード項と、前記電源が出力し前記変換部に入力される電力及び前記変換部が出力する電力の少なくとも一方に含まれる前記特定のパラメータを帰還成分としたフィードバック項と、に基づき設定する、電源装置。
  12. 　請求項１から１１のいずれか１項に記載の電源装置を有する、機器。
  13. 　電源と、
    　前記電源が供給する電力の電圧変換を行う変換部と、
    　フィードバックループによって前記変換部に目標電圧又は目標電流を入力させる又は出力させる第１制御信号を生成し、該第１制御信号及び前記フィードバックループの外部で生成した前記電源の状態を検知するための第２制御信号に基づき、前記変換部を制御する制御部と、を備えた電源装置が行う制御方法であって、
    　前記制御部は、前記第２制御信号の特定のパラメータを、前記電源の出力に基づくフィードフォワード項と、前記電源が出力し前記変換部に入力される電力及び前記変換部が出力する電力の少なくとも一方に含まれる前記特定のパラメータを帰還成分としたフィードバック項と、に基づき設定する、制御方法。
  14. 　電源と、
    　前記電源が供給する電力の電圧変換が可能な複数の変換ユニットを、電気的に並列に接続して構成された変換部と、
    　前記電圧変換を行う前記変換ユニットの数である動作数を変更する変更部と、
    　フィードバックループによって前記変換部に目標電圧又は目標電流を入力させる又は出力させる第１制御信号を生成し、該第１制御信号及び前記フィードバックループの外部で生成した前記電源の状態を検知するための第２制御信号に基づき、前記変換部を制御する制御部と、を備えた電源装置が行う制御方法であって、
    　前記制御部は、前記第２制御信号の特定のパラメータを、前記動作数と前記電源が出力し前記変換部に入力される電流の少なくとも一方に基づくフィードフォワード項と、前記電源が出力し前記変換部に入力される電力及び前記変換部が出力する電力の少なくとも一方に含まれる前記特定のパラメータを帰還成分としたフィードバック項と、に基づき設定する、制御方法。
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