JP2006033934A - ハイブリッド燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 システムの負荷状態や電圧変換器の運転状態の変化に伴う効率改善を図り、安定した出力が可能なハイブリッド燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池（２２）と蓄電装置（２１）とを電圧変換器（２０）を介して接続するハイブリッド燃料電池システム（１）において、電圧変換器（２０）は複数相を備えるものであって、当該システム（１）の負荷量の変化を予測して、電圧変換器（２０）において稼働させる相数を変更可能に構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ハイブリッド燃料電池システムに係り、特に高圧コンバータ（電圧変換器）の効率を高めることが可能な燃料電池システムに関する。

電気自動車等に搭載される燃料電池システムでは、燃料電池の発電能力を超える急な負荷量の変化に対応するため、バッテリの出力を昇圧しまたは降圧して燃料電池の出力端子に接続し、電力を補給するハイブリッドシステムを利用する場合がある。

このようなハイブリッド燃料電池システムで運転効率を考慮した技術として、例えば、特開２００２―１１８９７９号公報には、燃料電池とバッテリとの最大出力比を、燃料電池が全体出力の６５〜８０％になる範囲で設定し、ＤＣ−ＤＣコンバータでの損失を抑制することが開示されている（特許文献１）。
特開２００２―１１８９７９号公報

しかしながら、上記従来の技術では、システムの負荷状態や電圧変換器の運転状態の変化が生じた場合に一時的に生ずる効率悪化に対応していなかった。そのため、効率の悪い状態での運転を含んでしまっていたので、全体的には最善の効率が追求されてはいなかった。

そこで本発明は、システムの負荷状態や電圧変換器の運転状態の変化に伴う効率改善を図り、安定した出力が可能なハイブリッド燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、電圧変換器は複数相を備えるものであって、当該システムの負荷量の変化を予測して、電圧変換器において稼働させる相数を変更可能に構成されていることを特徴とする。

アクセルが踏み込まれた等、急激に負荷量が変動すると、燃料電池がその急激な負荷量変動に応じて電力量を上昇させることができないため、一時的に蓄電装置から電圧変換器に過電流が流れる。上記構成によれば、システムの負荷量の変化を予測して、例えばアクセルの操作状態に対応した入力変動に基づいて、電圧変換器の稼働相数を変更するので、一部に過電流を生ずることなく瞬時に出力を追従させることが可能である。従って急な負荷変動が生じても過電流を防止することができ、電圧変換器などの耐久性を上昇させることができる。

ここで本発明において、「蓄電装置」には限定はなく、燃料電池を補うことが可能な量の電力容量があるものが利用できる。例えば、ニッケルー水素電池や鉛蓄電池を単数または複数積層したものである。

また「電圧変換器」は複数相から構成される直流電圧変換機能を有するコンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）である。このような電圧変換器は、例えば、三相運転と一相運転との切換が可能な三相ブリッジタイプの電圧変換器が利用できる。

具体的には、本発明では、負荷量が大きくなると予測された場合に稼働させる相数を増加することが好ましい。相数を増やせば同一の出力電圧であっても電流値を増えた相数に応じて調整することが可能である。

このような負荷量の変化の予測は、当該ハイブリッド燃料電池システムへの出力要求に基づいて行われるように構成することができる。このように構成すれば、システムの負荷量の変化が例えば操作者の入力装置の操作等によって変化するので、この出力要求に基づいて将来の負荷変動を予測して、電圧変換器の相数を変更し、負荷変動に対応するように処理することが可能である。

また、本発明は、燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、電圧変換器は複数相を備えるものであって、稼働させる相数を変更可能に構成されており、相数を変更する場合に、前記電圧変換器の電圧変換のために生成された交流信号のデューティー比を変更可能に構成されている。

相数を切り換えた場合に、電圧変換器は位相等が異なるため出力が変動することがある。この点、上記構成によれば、相数を変更する場合に前記電圧変換器の電圧変換のために生成された交流信号のデューティー比を変更するので、デューティー比の調整により過不足となる電力変動を補完し、相数変化に伴う出力電圧値の変動を抑制することができる。

ここで、相数がより少ない相数に変更される場合に、当該相数を変更した後の交流信号によって供給される電力の不足分を補うように、デューティー比が変更される。すなわち、電圧変換器における相数変化が生ずると、一時的に電力不足が生じ出力電圧の低下が生じる場合があるが、当該発明によれば、電力不足がデューティー比変化で補われるので、出力電圧の低下を抑制することができる。

本発明は、燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、電圧変換器は複数相を備えるものであって、ハイブリッド燃料電池システムへの出力要求に基づいて当該システムの負荷量の変化を予測し、電圧変換器において稼働させる相数を変更可能に構成されており、相数を変更する場合に、電圧変換器の電圧変換のために生成された交流信号のデューティー比を変更可能に構成されており、相数が、より少ない相数に変更される場合に、相数を変更した後の交流信号によって供給される電力の不足分を補うように前記デューティー比が変更されることを特徴とする。

また、本発明において、複数の相は、互いに所定の位相差で稼働されるものである。例えば相数が三である場合には、いわゆる三相交流が該当する。

燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、電圧変換器は互いに並列に接続された複数の電圧変換回路を備えるものであって、システムの負荷量の変化を予測して、電圧変換器において稼働させる電圧変換回路数を変更可能に構成されている。各電圧変換回路がそれぞれ並行して動作をする場合であって、複数の電圧変換回路の運転状態を制御することで本発明の目的が達成できる構成である。

本発明は、上記のハイブリッド燃料電池システムを動力源として備えたことを特徴とする移動体である。「移動体」には燃料電池システムを搭載する車両等が考えられる。

以上本発明によれば、システムの負荷状態や電圧変換器の運転状態の変化を予測して、電圧変換器において稼働させる相数を変更可能に構成されているので、燃料電池システム全体の効率改善を図り、安定した出力を維持することが可能である。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載するハイブリッド燃料電池システムに本発明を適用したものである。
（システム構成）
図１に、本ハイブリッド燃料電池システム１のシステム全体図を示す。当該ハイブリッド燃料電池システム１は、本発明の電圧変換器に係るＤＣ−ＤＣコンバータ２０、本発明の蓄電装置に係る高圧バッテリ２１、燃料電池２２、逆流防止用ダイオード２３、インバータ２４、トラクションモータ２５、ディファレンシャル２６、シャフト２７、車輪２９、電源制御部１０を備えている。

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

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、一次側（入力側）に入力された電力を、一次側と異なる電圧値に変換して出力する電圧変換器である。当該実施形態では、高圧バッテリ２１の直流出力電圧（例えば約２００Ｖ）をさらに高い直流電圧（例えば約５００Ｖ）に昇圧することによって、トラクションモータ２５を小電流・高電圧で駆動することを可能とし、電力供給による電力損失を抑制し、トラクションモータ２５の高出力化を可能としている。当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、三相運転方式を取っており、具体的な回路方式としては三相ブリッジ形コンバータとしての回路構成を備えている。当該三相ブリッジ形コンバータの回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分とその交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされている。図１に示すように、当該コンバータは一次側入力端子間及び二次側出力端子間のそれぞれに、スイッチング素子Ｔｒ及び整流器Ｄの並列接続構造を二段重ねしたものを三相（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）並列接続して構成されている。そして一次側と二次側とのそれぞれの二段重ね構造の中間点同士をリアクトルＬで連結した構造をしている。スイッチング素子Ｔｒとしては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を利用可能であり、整流器Ｄとしてはダイオードを利用可能である。当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は相間の位相差が１２０度（２π／３）ごとになるように調整されたタイミングでスイッチングされるようになっている。

ここで、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０においていずれの相を稼働させるかについては、電源制御部１０からの相切換制御信号Ｃphに基づいて任意に変更可能に構成されている。本実施形態では、実測された負荷または負荷予測に基づき、三相運転と単相運転とを切り換えるようになっている。

また当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０では、三相ブリッジ形回路構成で直流電流を一旦交流電流に変換するが、その交流電流のデューティー比を、電源制御部１０からのデューティー比制御信号Ｃｄに対応させてこの交流電流のデューティー比を変化させることが可能になっている。この交流電流のデューティー比は、当該コンバータを通過する電力の実効値を変化させることになるため、コンバータの出力電力や出力電圧を変化させることになる。デューティー比の変更によって瞬時の出力調整が可能になっているのである。

このようなデューティー比の一時的な変更は、特に当該コンバータが恒常的に行う制御動作の過渡期において有効である。このＤＣ−ＤＣコンバータは、出力電力や出力電圧を目標値に制御するため、恒常的に公知の制御動作を行っている。そのような目標値に出力を収束させる制御は、例えば入力に比例する大きさで出力を変化さえるＰ動作、入力の時間積分値に比例する大きさで出力を変化させ、Ｐ動作のオフセットを解消するＩ動作、入力の時間微分値に比例する大きさで出力を変化させ、急激な外乱に対応するＤ動作がある。当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０では、これらＰ動作、Ｉ動作、Ｄ動作を組み合わせたＰＩＤ制御を実行可能に構成されている。しかし、このようなＰＩＤ制御においても相数を切り換えた直後では、その出力状態が目標値に収束するまで若干の時間が必要である。このため、本実施形態では、インバータ２４に入力させるために支障の無い範囲にこのコンバータの出力電圧変動を抑えるため、予測される出力変動を一時的に緩和する方向にデューティー比を変えて対応するよう構成されている。

なお、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の入力電流は電流センサ１５により、また入力電圧Ｖｉは電圧センサ１６により実測可能になっている。また、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力電流は電流センサ１７により、出力電圧Ｖｏは電圧センサ１８により実測可能になっている。

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

燃料電池スタック２２は、複数の単位セルをスタックし、直列接続して構成されている。単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の二つの電極で狭み込んだＭＥＡという構造物を燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造をしている。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。

燃料電池スタック２２には、図示しない、燃料ガスを供給する系統、酸化ガスを提供する系統、及び冷却液を提供する系統が設けられており、電源制御部１０からの制御信号Ｃｆｃに応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量を制御することにより、任意の発電量で発電可能になっている。

インバータ２４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０によって昇圧された高圧直流を互いの位相差が１２０度の三相交流に変換するようになっている。当該インバータ２４は、コンバータ２０と同様に電源制御部１０からのインバータ制御信号Ｃｉによって電流制御がされるようになっている。

トラクションモータ２５は、本電気自動車の主動力となるものであり、減速時には回生電力を発生するようにもなっている。ディファレンシャル２６は減速装置であり、トラクションモータ２５の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ２９が設けられたシャフト２７を回転させる。シャフト２７には車輪速センサ２８が設けてあり、車輪速パルスＳｒを電源制御部１０に出力可能になっている。

電源制御部１０は、電源制御用のコンピュータシステムであり、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）１０１、ＲＡＭ１０２、ＲＯＭ１０３等を備えている。当該電源制御部１０は、アクセル位置信号Ｓａやシフト位置信号Ｓｓ、車輪速センサ２８からの車輪速信号Ｓｒその他の各種センサからの信号を入力して、運転状態に応じた燃料電池スタック２２の発電量及びトラクションモータ２５におけるトルクを求めて、燃料電池スタック２２、トラクションモータ２５、及び高圧バッテリ２１の電力収支を計算し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０やインバータ２４における損失を加算した電源の全体制御を行うようにプログラムされている。

（機能ブロックの構成）
すなわち、当該電源制御部１０は、本発明に係る燃料電池制御を実行させるためのプログラムによって、図２に示すような機能ブロックを実現可能になっている。

モータ制御部１１０は、トラクションモータ２５の制御に必要な演算を実施する。トルク計算部１１１は、アクセル位置信号Ｓａと車輪速信号Ｓｒとに基づいて、損失も考慮してトルクを演算し、トラクションモータ２５にそのトルクを発生させる三相交流をインバータ２４に発生させるためのインバータ制御信号Ｃｉを出力する。

加算部１１２は図示しない燃料電池の補機類からの補機出力Ｐｓと上記トルクとを合成して、燃料電池システムにおいて発生させなければならない電力である要求出力Ｐrefを出力する。

ヒステリシス判定部１１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０における三相―単相運転切換にヒステリシスを持たせるために、毎回の稼働相数に基づいて運転切換のためのコンバータ通過電力値を特定する。

目標電圧計算部１１４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０に出力させる出力電力の目標値Ｖo＿refを、要求出力Ｐrefと燃料電池スタック２２のその時のＩ−Ｖ特性とに基づいて定める。

デューティー比切換部１１５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の入力電圧実測値Ｖｉと、出力電圧目標値Ｖo＿refとに基づいて、毎回のデューティー比を演算し、そのデューティー比でＤＣ−ＤＣコンバータ２０を駆動させるためのデューティー比制御信号Ｃｄを出力する。

コンバータ制御部１１６の相数切換判定部１１７は、ＤＣ―ＤＣコンバータ２０の出力電圧実測値Ｖo＿mesを参照してヒステリシス判定部１１３で判定した条件に鑑み、現在三相／単相のいずれで運転すべきかを判定する。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０における運転相数を制御する相数制御信号Ｃphを出力可能になっている。

また、負荷急変対応部１１８では、アクセル開度変化率計算部１１９が、アクセル位置信号Ｓａと車輪速信号Ｓｒとに基づいてアクセル開度の変化率を求め、その変化率に応じて推測される電力不足分ΔＰを算出する。

相数判定部１２０では、負荷急変対応部１１８で算出された電力不足分ΔＰに応じてＤＣ−ＤＣコンバータ２０における稼働相数を変更するか否かを判定し、判定結果に応じた相数制御信号Ｃｐｈを出力可能になっている。

（動作の説明）
次に本実施形態のハイブリッド燃料電池システム１の動作を説明する。まず、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０において発生する損失について説明する。
一般に、複数相を備える電圧変換器では、入出力変換エネルギー量や作動仕事量に対応する通過電力の値によって変換器中で失われる電力、すなわち損失が変動するが、複数相駆動の場合の効率とそれより少ない相で駆動した場合の効率とでは、効率のより良い相数が変動する場合がある。従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の通過電力の大きさに応じて稼働する相数を変化させることが好ましい。これは、三相ブリッジ形コンバータにおける損失が、リアクトル成分によって失われるリアクトル銅損、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子の動作に纏わり発生するモジュール損失、リアクトル成分により失われるリアクトル鉄損等が存在することに起因する。リアクトル銅損はコイルに起因するもので、通過する電力が増大するに連れて増加し、三相運転時よりも単相運転時の方が大きい。モジュール損失も、通過電力が増大するに連れて増大し、三相運転時よりも単相運転時の方が大きい。これに対し、リアクトルＬの磁性体に起因するリアクトル鉄損は、通過する電力が増減しても殆ど変化が無く、三相運転時の方が単相運転時よりも大きいのである。

リアクトル銅損及びモジュール損失とリアクトル鉄損とでは、単相と三相とで損失の大小関係が逆転しており、変化率の相違がある。このため、比較的通過電力の大きな領域では相数の大きな三相運転の方が単相運転より損失が小さくなっているが、所定の通過電力以下の領域では単相運転の方が三相運転より損失が小さくなっており、逆転現象が生じている。これをコンバータ全体の変換効率で見ると、相対的に小さい通過電力の場合には三相運転の効率より単相運転の効率の方が高くなっているのである。

したがってＤＣ−ＤＣコンバータ２０の通過電力に応じて三相運転と単相運転とを切り換えることが好ましい。しかし、これだけでは、一時的に効率の悪い運転状態が生じる。

例えば、アクセルを急激に踏み込んだ場合など、急激に負荷量が増加した場合には、燃料電池スタック２２からの電力供給が追いつかないため、高圧バッテリ２１から電力が供給される。このときＤＣ−ＤＣコンバータ２０が単相運転状態であったとすれば、局所的に過電流が流れることになり、装置の耐久性上好ましくない。

また例えば、単相運転と三相運転とを切り換えた場合、位相等が変動するため、一時的に出力が不安定になり、出力電圧が低下する場合がある。このような出力電圧の低下や変動は、出力電力の不安定化に繋がり、好ましくない。

本実施形態では、これら一時的に生ずる過電流や出力電圧低下を防止するために、負荷急変対応部１１８やデューティー比切換部１１５が動作するようになっている。

次に、図３のフローチャートを参照して、本ハイブリッド燃料電池システム１の電源制御動作を説明する。
まず、アクセル開度変化率計算部１１９は、アクセル位置信号Ｓａを参照し（Ｓ１）、アクセル開度の単位時間当たりの変化率（ｄＳａ／ｄｔ）を求める（Ｓ２）。さらにアクセル開度変化率計算部１１９は、車輪速信号Ｓｒを参照し（Ｓ３）、アクセル開度の変化率と車輪速に基づいて、直近で生じる出力増加量ΔＰを推定する（Ｓ４）。

図４に、アクセル開度変化率に対し、直近で必要な出力増加量ΔＰがどのような傾向で変化するかを示す。このようにアクセル開度の変化率が大きいほど、出力増加量ΔＰが大きくなる。電力制御部１０では、燃料電池スタック２２における出力を増加させる制御信号Ｃｆｃを出力して、燃料電池スタック２２の発電量が増加されるように制御はするが、燃料電池スタック２２がこの制御に応じて出力を変化するまでには若干の時間がかかる。高圧バッテリ２１は、燃料電池スタック２２からの電力供給が追いつかない場合に電力収支の不足分を補完する。この不足分の電力がＤＣ−ＤＣコンバータ２０を通過することになる。

しかしながら、本実施形態では、出力量に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ２０における運転相数を変更するため、相数の少ない単相で運転される場合がある。もしも単相運転中にアクセルが操作されると、その単相のブリッジ形回路に総ての電流が流れるため、電圧変換に係る素子に過電流が流れ、損傷したり耐久性を損ねたりするかも知れない。そこで、本発明では、過大な電流が流れると推測される場合に一時的にでも単相運転から複数相運転、例えば三相運転に切り換えることによって、局所的な過電流が流れることを事前に回避する。図４において設定されている電力値Ｘがこのしきい値である。電力値Ｘを超える出力増加量ΔＰが予測された場合に、単相運転をしていても三相運転に強制的に切り換えられる。この図４のような関係は、車輪速信号Ｓｒの大きさに対応させて電源制御部１０内に格納されている。

このため相数判定部１２０は、この出力増加量ΔＰがしきい値の電力値Ｘを超えた場合には（Ｓ５：ＹＥＳ）、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０における運転相数を三相に切り換える（Ｓ６）。

次に当該ハイブリッド燃料電池システム１における負荷量を求めるため、モータ制御部１１０においてトルク計算部１１１は、車輪速信号Ｓｒ、アクセル位置信号Ｓａ及びシフト位置信号Ｓｓを参照して、これらかトラクションモータ２５に必要とされるトルクを計算する（Ｓ８）。このトルク量はインバータ２４が出力すべき三相交流電力の実効電力となる。このとき、トルク計算部１１１は、図５に示すような、モータのトルクＴと回転数Ｎとの関係テーブルを参照して、トルクを決定する。

さらに加算部１１２は、燃料電池システムを動作させるために必要なポンプ、コンプレッサなどの補機類の補機電力Ｐｓに、インバータ２４やコンバータ２０で生ずる電力損失も加算して、システム全体に要求される要求出力電力Ｐrefを決定する（Ｓ９）。

ここで、本実施形態では、所定のしきい値Ｐthより低い通過電力の場合に生ずる全損失の大小関係が単相と三相との間で反転することから、変換効率を上げるためにＤＣ−ＤＣコンバータ２０における通過電力が比較的小さい領域においては相数の少ない単相運転とし、通過電力が大きくなった場合には相数の大きな三相運転に切り換えて運転するようになっている。ここで、通過電力が高いほど切り換えに生ずるハンチング等の不都合が大きくなる傾向にあるため、本実施形態では、ある程度小さな通過電力の領域で単相と三相とを切り換えるように制御する。例えば、図６に示すように、第１電力値Ｐ１と第２電力値Ｐ２を相数切換のしきい値とする。すなわち、図６に示すように、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を三相で運転している場合には、通過電力値が第１電力値Ｐ１（例えば４ｋＷ）より小さくなった場合に単相運転に切り換えるように制御する。また、単相運転時には、通過電力値が第１電力値より大きい第２電力値（例えば５ｋＷ）を超えた場合に三相運転に切り換えるように制御する。このように二つのしきい値を持たせるのは、切り換え動作時に生じうるハンチング（発振のような不安定な現象）を防止するためである。すなわち、図６に示すように、このような動作シーケンスは、ヒステリシスループを形成するようになる。このため一旦運転する相数が変更されると安定状態に入り、相数の切り換え後に元の相数に戻ったりまた切り換わったりする不安定なハンチング状態を除去することが可能となるからである。ヒステリシス判定部１１３は運転させるべき相数の判定を行う（Ｓ１０）。ここで、ステップＳ６において一時的に相数が三相に変更されていた場合には、例えコンバータの通過電力が低い場合であっても相数の切り換えを行わないように、ヒステリシスの判定を省略するように動作する。

次に、目標電圧計算部１１４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０における出力電圧Ｖｏの目標値を特定するために、図示しない水素圧・温度センサからの検出信号を参照して、燃料電池スタック２２の出力電流―出力電圧（Ｉ−Ｖ）特性を特定する（Ｓ１１）。燃料ガスである水素の供給圧が一定である場合、燃料電池の出力電流と出力電圧との関係は一義的に定まる。またこの関係は燃料電池の温度にも影響を受ける。ＲＯＭ１０３等には水素の供給圧ごとに、このような温度とＩ−Ｖ特性との関係を特定するデータテーブルが格納されており、目標電圧計算部１０はこのテーブルを参照して検出された温度に対応する出力電流―出力電圧特性を決定することができる。検出された温度に対応するデータテーブルが存在しない場合にはその前後の温度についてのデータテーブルを参照して、それぞれのデータテーブル上の特性値を検出された温度で加重平均して近似した出力電流―出力電圧特性を計算する。そして、ステップＳ９で求められていた要求電力Ｐrefから定まる電力曲線と、特定されたＩ−Ｖ特性との交点を求め、その交点における電圧を、コンバータの出力電圧目標値Ｖo＿refとして特定する（Ｓ１２）。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、この出力電圧目標値Ｖo＿refに制御されるように、電圧センサ１８から入力される出力電圧実測値Ｖo＿mesを参照しながらＰＩＤ制御を実行すれば、電力収支の均衡が取れたシステム制御が行える。

ここで、上記ヒステリシス判定部１１３において、運転されている相数の変更が必要、例えば三相運転から単相運転への移行が必要だと判断されたような場合、コンバータ中の交流電流のデューティー比をデフォルト（例えば５０％）のまま相数変更すると、単相のブリッジ形回路に過電流が生じてしまう。そこで、本実施形態では、以下のデューティー比変更処理を実施する。

図７に、三相運転から単相運転に切り換えた場合に、コンバータの入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏとに応じて、過電流を防止するために適するデューティー比がどのように変化するかを示す。コンバータの入力電圧Ｖｉが大きく出力電圧Ｖｏが大きいほどデューティー比を大きくすることが好ましい。デューティー比切換部１１５には、このような関係テーブルが出力電圧Ｖｏの値に対応させて格納されている。

デューティー比切換部１１５は、電圧センサ１６からの信号を検出して、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の入力電圧Ｖｉを特定する（Ｓ１３）。次いで、ステップＳ１２で特定した目標出力電圧Ｖo＿refと入力電圧Ｖｉとを条件とした場合に適当なデューティー比を、図７に示すような関係テーブルを参照して決定する（Ｓ１４）。そしてデューティー比切換部１１５は、決定したデューティー比で運転させるためのデューティー比制御信号ＣｄをＤＣ−ＤＣコンバータ２０に出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０では、この制御信号に対応してまず、三相運転の状態においてデューティー比が変更される。

次いで、コンバータ制御部１１６の相数切換判定部１１７は、電圧センサ１８からの検出信号に基づきコンバータの出力電圧実測値Ｖo＿mesを参照し（Ｓ１５）、入力電圧Ｖｉとの電圧差に基づきＤＣ−ＤＣコンバータ２０の通過電力値を計算する（Ｓ１６）。この結果、最終的に相数を切り換えてよいと判断したら（Ｓ１７：ＹＥＳ）、相数切換制御信号Ｃphを出力して、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０における運転相数を三相から単相に切り換える（Ｓ１８）。また単相運転に適さないコンバータの通過電力値であると判断されたら（Ｓ１７：ＮＯ）、デューティー比を標準に戻してそのまま三相運転を継続させる。

図８及び図９は、相数が切り換えられ三相から単相になった場合にその単相になったブリッジ形回路におけるデューティー比、電圧、電流の変化を示している。図８は、本実施形態における、上記のようなデューティー比制御をした場合の動作特性であり、図９は、デューティー比制御をしない場合の相数変更時のコンバータの追従特性図である。

図９に示すように、負荷が少なくなった場合、相数を三相から単相に変更すると、それに応じて電圧変換に係る交流電流の実効値が変動するため、従来のＰＩＤ制御に対応して出力電圧及び出力電流が一瞬低下し、それから追従動作によって、単相で電力不足を補うために電流量が上昇し、出力電圧も目標値に収束する。ここで相数の切換時には、出力電圧も出力電流も制御が間に合わず変動して、システムに供給される電圧、電流、電力に変動を生じてしまっている。

これに対し、本実施形態によれば、三相から単相に切り換えるに先立って一時的にデューティー比が上昇しており、電力不足を補うように動作する。このため、出力電圧や出力電流における変動も抑制され、大きな電力変動を生ずることなく、目標値に収束させることができている。

以上説明したように本実施形態では、負荷急変対応部１１８においてシステムの負荷量の変化を予測してＤＣ−ＤＣコンバータ２０における稼働相数を変更するので、急な負荷変動が生じても過電流を防止することができ、コンバータなどの耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態では、三相から単相に変更する場合に、交流信号のデューティー比を変更可能に構成されているので、過不足となる電力変動を補完し、相数変化に伴う出力電圧値の変動を抑えることができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。例えば、上記実施形態では三相運転と単相運転とを切り換えたが、異なる組合せ、例えば三相運転と二相運転とを切り換えたり、二相運転と単相運転とを切り換えたりする制御であってもよい。

また上記実施形態では、三相ブリッジ形コンバータを例示したが、当該回路構成に限定されるわけではなく、複数相によって駆動され、独立して相を切り換え可能な電圧変換器であれば本発明を適用可能であり、本発明の作用効果を奏するように運転可能である。

また上記実施形態では、負荷変動をアクセル開度によって判断したが、他の要因、例えば、走行中の移動体の角度（上り坂か否か）や、シフトレバーの切換に伴う負荷増加、システムの電力供給量の増加を示す操作信号（エアコンその他の電力消費の大きな補機の使用の有無）等によって、負荷変動を予測してもよい。また、車両の場合には回生ブレーキを使用した場合にも負荷変動があるため、ブレーキを操作に基づいて、または、ブレーキ操作とアクセル操作の双方に基づいて負荷変動を予測するようにしてもよい。

また、相数を切り替える際にデューティー比を変更する制御はシステムの使用では不要となるため、必須のものではなく、相数の切替のみを行ってもよい。

また、上記実施形態では移動体である車両上に搭載されるハイブリッド燃料電池システムを例示したが、定置型のハイブリッド燃料電池システムにおいて本発明を適用しても無論よい。

本実施形態に係るハイブリッド燃料電池システムのブロック図。 電力制御部における機能ブロックの構成図。 本ハイブリッド燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャート。 アクセル開度変化率及び車輪速に対する出力増加量推定値の関係図。 回転数Ｎに対するトルクＴの特性図。 三相ブリッジ形コンバータにおける三相―単相切換制御ヒステリシス図。 コンバータの入力電圧・出力電圧に対する運転デューティー比の関係図。 本実施形態における相数変更時のコンバータの追従特性。 デューティー比制御をしない場合の相数変更時のコンバータの追従特性。

符号の説明

Ｓａ…アクセル位置信号、Ｓｓ…シフト位置信号、Ｓｒ…車輪速信号、Ｃｉ…インバータ制御信号、Ｃｄ…デューティー比制御信号、Ｃｐｈ…相数切換制御信号、Ｖｉ…入力電圧、Ｖｏ…出力電圧、１…ハイブリッド燃料電池システム、１０…電源制御部、１４…バッテリコンピュータ、１５、１７…電流センサ、１６、１８…電圧センサ、２０…ＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧変換器）、２２…燃料電池スタック、２３…逆流防止用ダイオード、２４…インバータ、２５…トラクションモータ、２６…減速機、２７…シャフト、２８…車輪速センサ、２９…車輪、１０１…ＣＰＵ、１０２…ＲＡＭ、１０３…ＲＯＭ、１１０…モータ制御部、１１１…トルク計算部、１１２…加算部、１１３…ヒステリシス判定部、１１４…目標電圧計算部、１１５…デューティー比切換部、１１６…コンバータ制御部、１１７…相数切換判定部、１１８…負荷急変対応部、１１９…アクセル開度変化率計算部、１２０…相数判定部

Claims (10)

1. 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、
   前記電圧変換器は複数相を備えるものであって、
   当該システムの負荷量の変化を予測して、前記電圧変換器において稼働させる相数を変更可能に構成されていることを特徴とするハイブリッド燃料電池システム。
2. 前記負荷量が大きくなると予測された場合に、稼働させる相数を増加する、請求項１に記載のハイブリッド燃料電池システム。
3. 前記負荷量の変化の予測は、当該ハイブリッド燃料電池システムへの出力要求に基づいて行われる、請求項１に記載のハイブリッド燃料電池システム。
4. 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、
   前記電圧変換器は複数相を備えるものであって、稼働させる相数を変更可能に構成されており、
   前記相数を変更する場合に、前記電圧変換器の電圧変換のために生成された交流信号のデューティー比を変更可能に構成されていることを特徴とするハイブリッド燃料電池システム。
5. 前記相数が、より少ない相数に変更される場合に、当該相数を変更した後の交流信号によって供給される電力の不足分を補うように、前記デューティー比が変更される、請求項４に記載のハイブリッド燃料電池システム。
6. 前記電圧変換器は、三相ブリッジタイプの電圧変換器である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のハイブリッド燃料電池システム・
7. 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、
   前記電圧変換器は複数相を備えるものであって、
   当該ハイブリッド燃料電池システムへの出力要求に基づいて当該システムの負荷量の変化を予測し、前記電圧変換器において稼働させる相数を変更可能に構成されており、
   前記相数を変更する場合に、前記電圧変換器の電圧変換のために生成された交流信号のデューティー比を変更可能に構成されており、
   前記相数が、より少ない相数に変更される場合に、当該相数を変更した後の交流信号によって供給される電力の不足分を補うように前記デューティー比が変更されることを特徴とするハイブリッド燃料電池システム。
8. 請求項１乃至請求項７に記載のハイブリッド燃料電池システムにおいて、
   前記複数の相は、互いに所定の位相差で稼働されるものである、ハイブリッド燃料電池システム。
9. 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、
   前記電圧変換器は互いに並列に接続された複数の電圧変換回路を備えるものであって、
   当該システムの負荷量の変化を予測して、前記電圧変換器において稼働させる前記電圧変換回路数を変更可能に構成されていることを特徴とするハイブリッド燃料電池システム。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載のハイブリッド燃料電池システムを動力源として備えたことを特徴とする移動体。
    
    
    

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