JP6950604B2

JP6950604B2 - 電圧変換装置、電圧変換装置を用いた車両および電圧変換装置の制御方法

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Publication number: JP6950604B2
Application number: JP2018057782A
Authority: JP
Inventors: 義明鶴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: DE102019106071A1; US20190291598A1; US10889195B2; CN110365236B; CN110365236A; JP2019170112A

Description

本発明は、電圧変換装置とその利用技術に関する。

動力系の回路では、電圧を昇圧する電圧変換装置が用いられることがある。例えば、燃料電池車両では、燃料電池が発電した電力を電圧変換装置に備えられた昇圧コンバータにより昇圧して駆動用のモータ等の負荷に供給している。これは、電圧を高めた方が、同じ電力を供給するために必要な電流量を減らすことができ、損失を低減できるなど、利点が多いからである。例えば、損失は、バスバーなどの配線の抵抗やスイッチング素子のオン抵抗などによっても発生する。こうした損失は、電流量の２乗に比例して増加するから、動力系などの高電流を用いる回路ほど大きくなる。従って、電圧変換装置によって電圧を高め、同じ電力のために必要となる電流量を減らすのである。

こうした電圧変換装置では、損失による発熱によって回路を構成する回路構成部品、例えばスイッチング素子や抵抗器、バスバーなどの配線、電力を入り切りするリレーなどが高温になると、故障しやすくなる。このため、特許文献１に見られるように、昇圧回路を備えた電圧変換装置では、これを冷却する冷却水の温度を検出し、冷却水の温度が高くなると、電圧変換装置に電力を供給する燃料電池の出力制限している。

特開２０１１−８７４０６号公報

上記特許文献１の技術は、燃料電池を用いた構成に限らず、電力変換器を用いた回路構成において、電源から供給する最大電流を、冷却水温に基づいて、モータの運転に支障のない時間範囲で制限する優れたものである。こうした電圧変換装置は、もともと効率を高めるために電圧を変換しているので、変換に伴う損失をできるだけ小さなものにしたいという要請が常に存在する。

本開示にかかる電圧変換装置は、以下の形態として実現することが可能である。

［１］第１の形態は、電圧変換装置としての形態である。この電圧変換装置は、電源装置に接続されて、前記電源装置から入力した電圧を高めるものである。この電圧変換装置は、前記電源装置からの電圧を変換する変換回路と；前記電源装置の発電する発電量を入力する入力部と；前記変換回路を制御する制御部と、を備える。この制御部は、前記変換回路から取り出せる電流の上限値である上限電流値を、前記変換回路の運転に伴う前記変換回路の温度上昇から定めた関係を用いて求める上限電流演算部と；前記電源装置の前記発電量および前記上限電流値から、前記変換回路の下限電圧を求め、前記変換回路の出力側の電圧が、前記下限電圧を上回るように制御する下限電圧制御部とを備える。
かかる電圧変換装置によれば、変換回路から取り出せる電流の上限である上限電流値を、変換回路の運転に伴う変換回路の温度上昇から定めた関係を用いて求め、更に、電源装置の発電量および上限電流値から、変換回路の下限電圧を求め、変換回路の出力側の電圧が、この下限電圧を上回るように制御する。従って、変換回路の温度が高い場合に過剰な電流を取り出してしまい、変換回路の劣化が早まるといった事態の発生を抑制できる。
［２］こうした電圧変換装置において；前記上限電流演算部は、前記関係を、前記変換回路が第１の温度であるときの上限電流値を、前記変換回路の温度が前記第１の温度より高い第２の温度であるときの上限電流値より高い値となる関係として記憶しているものとしてよい。こうすれば、変換回路の温度が高いほど、上限電流値を小さくする関係を容易に実現できる。
［３］こうした電圧変換装置において；前記上限電流演算部は、前記変換回路の前記温度上昇を前記変換回路が運転を開始してからの経過時間を用いた温度時間として対応付け、前記関係を前記温度時間の増加に対して前記上限電流値が漸減する関係として記憶しているものとしてもよい。変換回路の温度は使用開始からの経過時間に比例して上昇する傾向があるので、こうしても変換回路の温度が高いほど、上限電流値を小さくする関係を容易に実現できる。
［４］上記の電圧変換装置において；前記上限電流演算部は、前記経過時間を、前記変換回路が運転を開始してからの前記変換回路の損失が第１の大きさであるとき、前記損失が前記第１の大きさより小さい第２の大きさの場合より、大きな割合で前記温度時間に換算するものとしてもよい。変換回路の温度上昇は、変換回路における損失により生じるから、こうすれば、温度時間を、変換回路の温度上昇に、より正確に対応させることができる。
［５］こうした電圧変換装置において、前記上限電流演算部は、一旦動作を停止した前記変換回路が動作を再開するとき、前記上限電流値の初期値を、前記再開時の前記変換回路の状態に従って設定するものとしてもよい。こうすれば、変換回路が動作を再開するときに、変換回路の状態によって上限電流値を設定出来るので、変換回路が短時間停止して再度動作を開始するために、その温度が十分に低下していないといった場合でも、上限電流値を適正な値に近付けることができる。
［６］上記の電圧変換装置において；少なくとも、前記変換回路が変換を停止してからの停止後経過時間を求める時間検出部と；前記変換回路の外部の温度を検出する外気温検出部と；を備え、前記上限電流演算部は、前記変換回路が動作を停止した後に動作を再開するときの前記変換回路の温度を、前記検出した停止後経過時間と、前記変換回路が前記動作を停止するまでの前記温度上昇と、前記検出した外気温とに基づいて求め、前記変換回路運転再開時の前記上限電流値を演算するものとしてもよい。こうすれば、時間に基づく簡単な構成で、変換回路の動作再開時の上限電流値を適正な値に近付けることが出来る。
［７］こうした電圧変換装置において、前記発電量として、前記電源装置の出力する電圧と前記電源装置から取り出す電流値とを入力するものとしてもよい。こうすれば、電源装置の発電量を容易に求めることができる。
［８］第２の態様としては、車両が提供される。この車両は、バッテリ、燃料電池、発電機のうちから選択した電源装置と；上記の電圧変換装置と；前記電圧変換装置により変換された電圧を用いて動作する負荷と；を備える。かかる車両は、電源装置による発電により負荷を動作させるが、こうした負荷としては、車両の駆動モータや補機モータなどであってもよい。負荷に対して流す電流の上限を適正に制限できる。

この発明は、この他、電圧変換装置の制御方法、電圧変換装置の製造方法、電圧変換装置を用いた移動体としての構成、移動体の製造方法、電圧変換装置における電流制限方法など、種々の態様として実現可能である。

各実施形態におけるハードウェア構成を例示する概略構成図。第１実施形態における昇圧コンバータ制御処理ルーチンを示すフローチャート。温度時間Ｔonと上限電流値Aupとの関係の一例を示すグラフ。温度時間Ｔonと上限電流値Aupとの関係の他の例を示すグラフ。第２実施形態における昇圧コンバータ制御処理ルーチンを示すフローチャート。第３実施形態における昇圧コンバータ制御処理ルーチンを示すフローチャート。昇圧コンバータ内部の温度の低下の様子を直線近似による示す説明図。外気温ＴＨａと係数Ｋとの関係を示す説明図。時間ｔと動作開始後の到達温度ＴＨｂとの関係を例示する説明図。

Ａ．実施形態のハードウェア構成：
以下に説明するいくつかの実施形態のハードウェア構成について説明する。図１に示すように、実施形態の電圧変換装置を備えた燃料電池車両（以下、単に車両という）１０は、電源装置としての燃料電池システム２０を備え、この燃料電池システム２０により発電された電力を用いて車両１０に備えられた電動機などを駆動する。こうした電動機としては、車両１０の駆動力を発生する駆動モータ６２や、エアコンプレッサ用のモータ（以下、ＡＣＰモータという）２４などの補機がある。以下に説明する実施形態では、この駆動モータ６２が負荷に相当する。

燃料電池システム２０は、燃料電池２２と、この燃料電池２２に燃料ガスとしても水素や酸化剤ガスとしての空気などを送り込む吸排気系や、燃料電池２２を冷却する冷却水循環系など、種々の構成が含まれる。燃料電池２２を動作させるためのこうした構成は周知のものなので、図１での図示は大半を省略し、空気を空気供給管２３を介して燃料電池２２に送り込むＡＣＰモータ２４と吸気温ＴＨａを読み込む吸気温センサ２５のみを示した。

燃料電池システム２０は、燃料電池ＥＣＵ２６により制御される。この燃料電池ＥＣＵ２６は、燃料電池システム２０の状態、例えば、吸気温ＴＨａを検出する既述の吸気温センサ２５や、燃料電池２２の出力電圧Ｖfcを計測し出力する電圧センサ２７、更には出力電流Ａfcを計測し出力する電流センサ２８等に接続されている。また、燃料電池ＥＣＵ２６は、燃料電池システム２０から様々な情報を受け取り、燃料電池システム２０に制御信号Ｓfcを出力し、燃料ガスの供給量や、空気の供給量・圧力などを制御している。

車両１０は、燃料電池２２からの電源ラインに接続された変換回路としての昇圧コンバータ３０や、この昇圧コンバータ３０の出力側の電源ラインに接続された昇降圧コンバータ４０などを備える。昇圧コンバータ３０は、燃料電池２２の出力電圧Ｖfcを２倍程度に昇圧するコンバータである。燃料電池２２の出力電圧を昇圧コンバータ３０で約２倍程度に高めているのは、昇圧コンバータ３０の出力側にインバータ６１を介して接続された駆動モータ６２を駆動する際の電流量を低く抑えるためである。一般に、配線（バスバーを含む）における損失は電流の２乗に比例するので、電流量を低くした方が、システム全体の効率を高めることができる。昇圧コンバータ３０の出力側には、ＡＣＰモータ２４を駆動するインバータ５１も接続されている。ＡＣＰモータ２４や駆動モータ６２は、本実施形態では永久磁石型三相モータであり、各インバータ５１，６１により変換された三相交流により駆動される。

昇圧コンバータ３０は、昇圧ＥＣＵ３６によりその動作が制御される。昇圧ＥＣＵ３６は、上述した電圧センサ２７，電流センサ２８からの発電電圧Ｖfcや出力電流値Ａfc等を読み取り、後述する上限電流値Ａupを求めたり、あるいは昇圧コンバータ３０に対して出力の目標電圧Ｖhtを指示したりする。電圧センサ２７から入力する発電電圧Ｖfcと電流センサ２８から入力する諸連れを出力電流値Ａfcとを乗じたものが、燃料電池２２の発電量に相当する。これらの情報は直接センサから読み取ってもよいし、燃料電池ＥＣＵ２６が収集し、これを車内ＬＡＮなどを利用して、燃料電池ＥＣＵ２６から受け取るようにしてもよい。この場合、発電量Ｗfcとして受け取るようにしてもよい。以上説明した燃料電池２２の出力する電圧を昇圧する昇圧コンバータ３０が変換回路に相当し、電圧センサ２７や電流センサ２８からの信号を入力して昇圧コンバータ３０を制御する昇圧ＥＣＵ３６が入力部および制御部に相当する。上限電流演算部や下限電圧制御部、あるいは時間検出部等は、昇圧ＥＣＵ３６の内部で、後述する処理が実行されることにより実現される。従って、昇圧コンバータ３０と昇圧ＥＣＵ３６とを併せた構成が、電圧変換装置に相当する。

昇降圧コンバータ４０は、昇圧コンバータ３０の出力側とバッテリ４３との間で、双方向に電圧の変換と電力のやり取りを行なう。昇降圧コンバータ４０、燃料電池２２が発電を開始する前には、バッテリ４３に充電された電力を昇圧し、ＡＣＰモータ２４などの補機を運転して、燃料電池システム２０の起動を行なう。あるいは、燃料電池２２の暖機完了前など、燃料電池２２が十分な発電が出来ない間は、バッテリ４３の電力を昇圧して、インバータ６１を介して駆動モータ６２を駆動し、車両を走行させる。他方、車両１０が制動動作させる際には、駆動モータ６２により回生された電力を、昇降圧コンバータ４０が降圧し、バッテリ４３を充電する。駆動モータ６２は、モータＥＣＵ６６により制御されており、モータＥＣＵ６６は、駆動モータ６２が力行状態にあるか回生状態にあるかにより、昇降圧コンバータ４０に制御信号Ｓbtを出力し、昇圧、降圧の処理やその出力電圧などを指示する。この他、バッテリ４３の充電状態、例えばＳＯＣなどは、電池ＥＣＵ４６により検出される。

Ｂ．第１実施形態の制御：
次に、第１実施形態の昇圧コンバータ制御処理について説明する。図２に示した昇圧コンバータ制御処理ルーチンは、燃料電池システム２０が起動し、燃料電池２２が定格電力での発電を開始した後、所定のインターバルで繰り返し実行される。この処理は、昇圧ＥＣＵ３６が実行する処理である。なお、この処理な併せて、燃料電池ＥＣＵ２６は燃料電池システム２０、特に燃料電池２２の運転を制御し、モータＥＣＵ６６は昇降圧コンバータ４０を、電池ＥＣＵ４６はバッテリ４３の状態を、それぞれ制御または監視する。

図２に示した処理を開始すると、昇圧ＥＣＵ３６は、まず電流センサ２８から読み取った燃料電池２２の出力電流値Ａfcが値０より大きいかを判断する（ステップＳ１１０）。燃料電池２２の出力電流値Ａfcが値０より大きいとは、燃料電池２２が動作し、出力中であることを意味している。そこで、燃料電池２２が動作中であれば、温度時間Ｔonを増加する処理（ステップＳ２００）を行ない、他方燃料電池２２が動作していなければ、温度時間Ｔonをリセットする処理（ステップＳ３００）を行なう。

温度時間Ｔonとは、燃料電池２２の発電電力を受けて昇圧コンバータ３０が動作し、その動作と共に昇圧コンバータ３０の内部温度が上昇し、使用してない状態となると下降することに着目し、昇圧コンバータ３０の温度の上昇・下降を経過時間として反映させる変数である。昇圧コンバータ３０の温度が高くなると、昇圧コンバータ３０の劣化を避けるために、昇圧コンバータ３０から取り出せる上限電流値Ａupは小さくされる。温度時間Ｔonを求めるのは、この上限電流値Ａupを求めるためである。第１実施形態の温度時間増加処理（ステップＳ２００）では、単純に温度時間Ｔonは、昇圧コンバータ３０の使用開始からの実時間として漸増され、温度時間Ｔonのリセット処理（ステップＳ３００）では、昇圧コンバータ３０の使用停止で、値０にリセットされる。

この温度時間Ｔonを演算した後、上限電流値Ａupを選択する処理を行なう（ステップＳ４００）。温度時間Ｔonから上限電流値Ａupを求める関係の一例を図３に示した。この例では、上限電流値Ａupは、温度時間Ｔonが時間ｔ１までは値Ａmxであり、時間ｔ１〜ｔ２までの間は値Ａm1であり、温度時間Ｔon以上は値Ａm1である。つまり、図３に示した関係は、昇圧コンバータ３０が第１の温度であるときの上限電流値Ａupを、昇圧コンバータ３０の温度が第１の温度より高い第２の温度であるときの上限電流値Ａupより高い値となる関係であり、昇圧ＥＣＵ３６はこの関係を内蔵のメモリに記憶している。第１実施形態では、温度時間Ｔonは、実時間に一致しているので、上限電流値Ａupは時間とともに３段階に切り替わり低下していく。温度時間Ｔonと上限電流値Ａupとの関係は、図３に限らず、更にきめ細かく多段階に切り換えるものとしてもよいし、例えば図４に例示するように、時間と共に低減する関係として求めるようにしてもよい。こうした関係は、例えば以下の式（１）として示す関係としてもよい。
上限電流値Ａup＝Ａmi＋（Ａmx −Ａmi）／（Ｔon＋１） …（１）
ここで、値Ａmxは上限電流値Ａupの最大値であり、値Ａmｉは上限電流値Ａupの最小値である。上限電流値Ａupの最小値Ａmiは、温度時間Ｔonが所定時間以上となって、昇圧コンバータ３０の発熱と放熱がバランスして内部温度が一定になった場合の上限電流値として定義される。

こうして上限電流値Ａupを選択した後、下限電圧Ｖlwを求める処理を行なう（ステップＳ５００）。下限電圧Ｖlwは、昇圧コンバータ３０に入力される電力、つまり燃料電池２２の発電電力から、最大の電流（つまり上限電流値Ａup）を取り出すことが可能な電圧である。式（２）として表わせば、下限電圧Ｖlwは、
Ｖlw＝λ×Ｖfc×Ａfc／Ａup …（２）
として求めることができる。係数λは、昇圧コンバータ３０の変換効率である。変換効率が無視できる程度であれば、λ＝１として計算すればよい。

こうして下限電圧Ｖlwを求めた上で、次に昇圧コンバータ３０に指示する目標電圧Ｖhtが下限電圧Ｖlwより大きいか否かの判断を行なう（ステップＳ１２０）。昇圧コンバータ３０が出力する目標電圧Ｖhtが下限電圧Ｖlwより大きければ、昇圧コンバータ３０に対する電圧指令値として目標電圧Ｖhtをそのまま出力し（ステップＳ１３０）、目標電圧Ｖhtが下限電圧Ｖlw以下であれば、昇圧コンバータ３０に対する電圧指令値として下限電圧Ｖlwを出力する（ステップＳ１４０）。この結果、昇圧コンバータ３０の出力電圧は、下限電圧Ｖlw以上に制御されることになり、結果的に昇圧コンバータ３０から取り出される電流が上限電流値Ａupを上回ることがない。上記電圧指令値の出力（ステップＳ１３０またはＳ１４０）の処理の後、「ＮＥＸＴ」に抜けて、本処理ルーチンを一旦終了する。

以上説明した第１実施形態によれば、昇圧コンバータ３０の使用開始からの昇圧コンバータ３０内部の温度を、使用開始からの経過時間を反映した温度時間Ｔonとして推定し、この温度時間Ｔonと上限電流値Ａupとの予め定めた関係を参照することで、昇圧コンバータ３０から取り出す電流の上限である上限電流値Ａupを求め、この電流を越えないように、昇圧コンバータ３０の出力電圧を、下限電圧Ｖlw以上としている。従って、昇圧コンバータ３０内部の温度が高い場合に過剰な電流を取り出してしまい、昇圧コンバータ３０の劣化が早まるといった事態の発生を抑制できる。しかも、昇圧コンバータ３０内部の温度を計測する必要がないので、簡易な構成により実現できる。更に、第１実施形態によれば、燃料電池２２に求める発電電力が上限電流値Ａupを変更することに起因して変動する、ということがない。

Ｃ．第２実施形態の制御：
次に第２実施形態について説明する。第２実施形態の車両１０は、電圧変換装置に相当する昇圧コンバータ３０や電源装置に相当する燃料電池２２を備えた点で、第１実施形態と、そのハードウェア構成は同一である。第２実施形態では、昇圧ＥＣＵ３６が行ない処理が第１実施形態とは異なっている。図５は、第２実施形態における昇圧ＥＣＵ３６が実行する昇圧コンバータ制御処理ルーチンの要部を示すフローチャートである。図５では、図２に示した第１実施形態の処理ルーチンの開始からステップＳ４００までを示した。第２実施形態では、温度時間Ｔon増加処理（ステップＳ２００）と、温度時間リセット処理（ステップＳ３００）が第１実施形態と異なっている。

第２実施形態においても、温度時間Ｔon増加処理（ステップＳ２００）は、燃料電池２２による発電が行なわれている場合（Ａfc＞０）に実行される。また、温度時間リセット処理（ステップＳ３００）は、燃料電池２２の発電が行なわれていない場合に実行される。温度時間リセット処理（ステップＳ３００）では、温度時間Ｔonと共に、ステップＳ２００で用いられる変数Ｔo1、Ｔo2が全て値０にリセットされる（ステップＳ３１０）。

他方、燃料電池２２が発電している場合に温度時間Ｔon増加処理（ステップＳ２００）を実行する場合には、まず、実際の経過時間Ｔに対して、以下の式（３）として、温度時間Ｔonを求める処理を行なう（ステップＳ２１０）。
Ｔon←Ｔon_old＋（Ａfc／Ａmx）²・Ｔ …（３）
ここで、サフィックス「_old」は、この処理が前回行なわれた際の値、つまり前回値であることを示す。従って、Ｔon_oldは、この処理が前回行なわれた際に求められた温度時間Ｔonの前回値である。また、Ａfcは、燃料電池２２の発電電流値であり、Ａmxは、図３、図４に例示した上限電流値Ａupの最大値である。昇圧コンバータ３０の損失は、電流値の２乗に比例するので、実際に昇圧コンバータ３０に流れ込む電流が少なければ発熱は小さく、電流が大きければ発熱は大きくなる。このため、実際の経過時間Ｔをどの程度の割合で温度時間Ｔonの増加に反映させるかを、係数（Ａfc／Ａmx）²により反映させているのである。この例では、昇圧コンバータ３０に流れ込む電流Ａfcが上限電流値Ａupの最大値Ａmxに近いほど、大きな割合で、経過時間が温度時間Ｔonに反映される。式（３）で求めた温度時間Ｔonが、次回このステップＳ２００が実行される際には、前回値Ｔon_oldとして用いられる。

次に、こうして求めた温度時間Ｔonが予め定めた閾値時間Ｔj1を越えたか否かの判断を行なう（ステップＳ２１２）。この時間は、第１実施形態に即して言えば、図３における時間ｔ１に相当する時間である。越えていなければ（ステップＳ２１２：「ＮＯ」）、演算用の変数Ｔo1、Ｔo2を、上記式（３）により求めた温度時間Ｔonに設定し（ステップＳ２１８）、ステップＳ２００を一旦終了し、ステップＳ４００、つまり上限電流値Ａupの選択処理に移行する。このとき、温度時間Ｔonは、式（３）により求められた値となっており、これを用いて、例えば図３に例示した関係に基づいて、上限電流値Ａupを求める。この場合、電流値Ａupは、最大値Ａmxとなる。

こうした処理が何サイクルか繰り返されて、ステップＳ２１０で求めた温度時間Ｔonが閾値時間Ｔj1を越えると（ステップＳ２１２：「ＹＥＳ」）、続くステップＳ２１４では、温度時間Ｔonを次式（４）により求める。
Ｔon←Ｔo1_old＋（Ａfc／Ａm1）²・Ｔ …（４）
式（４）に従って、温度時間Ｔonを求めた上で、求めた温度時間Ｔonの最新値を、変数Ｔo1に設定する（Ｔo1←Ｔon）。この結果、Ｔo1_oldは、初めてステップＳ２１４が実行されるときはステップＳ２１８で設定した変数Ｔo1の前回値であり、それ以降は、温度時間Ｔonの前回値と同じになる。Ａm1は、図３、図４に例示した上限電流値Ａupの最大値Ａmxより低い値として定められた値である。この場合も、昇圧コンバータ３０に流れ込む電流Ａfcが上限電流値Ａupの１つとして定めた値Ａm1に近いほど、大きな割合で、経過時間が温度時間Ｔonに反映される。

こうして温度時間Ｔonを求めた後、温度時間Ｔonが予め定めた閾値時間Ｔj2を越えたか否かの判断を行なう（ステップＳ２２０）。この時間は、第１実施形態に即して言えば、図３における時間ｔ２に相当する時間である。越えていなければ（ステップＳ２２０：「ＮＯ」）、演算用の変数Ｔo2を、上記式（４）により求めた温度時間Ｔonに設定し（ステップＳ２２８）、ステップＳ２００を一旦終了し、ステップＳ４００、つまり上限電流値Ａupの選択処理に移行する。このとき、温度時間Ｔonは、式（４）により求められた値となっており、これを用いて、例えば図３に例示した関係に基づいて、上限電流値Ａupを求める。この場合、電流値Ａupは、最大値Ａmxより小さい値Ａm1となる。

こうした処理が何サイクルか繰り返されて、温度時間Ｔonが大きくなれば、ステップＳ２１２，Ｓ２２０の判断は共に「ＹＥＳ」となる。この場合は、ステップＳ２２４で、温度時間Ｔonを次式（５）により求める。
Ｔon←Ｔo2_old＋（Ａfc／Ａm2）²・Ｔ …（５）
式（５）に従って、温度時間Ｔonを求めた上で、求めた温度時間Ｔonの最新値を、変数Ｔo2に設定する（Ｔo2←Ｔon）。この結果、Ｔo2_oldは、初めてステップＳ２２４が実行されるときはステップＳ２２８で設定した変数Ｔo2の前回値であり、それ以降は、温度時間Ｔonの前回値と同じになる。Ａm2は、図３、図４に例示した上限電流値Ａupのうち、最も低い値として定められた値である。この場合も、昇圧コンバータ３０に流れ込む電流Ａfcが上限電流値Ａupの１つとして定めた値Ａm2に近いほど、大きな割合で、経過時間が温度時間Ｔonに反映される。つまり、ステップＳ２１４、Ｓ２１８の処理により、昇圧コンバータ３０が運転を開始してからの昇圧コンバータ３０の損失が第１の大きさであるときには、昇圧コンバータ３０の損失が第１の大きさより小さい第２の大きさの場合より、大きな割合で温度時間Ｔonに換算する処理が実現される。

こうして温度時間Ｔonを求めた後、ステップＳ２００を一旦終了し、ステップＳ４００、つまり上限電流値Ａupの選択処理に移行する。このとき、温度時間Ｔonは、式（５）により求められた値となっており、これを用いて、例えば図３に例示した関係に基づいて、上限電流値Ａupを求める。この場合、電流値Ａupは、小さい値Ａm2となる。

以上説明した第２実施形態の昇圧コンバータ３０よれば、昇圧コンバータ３０に流れ込む電流の大きさにより定まる割合を用いて、温度時間Ｔonを求めているので、昇圧コンバータ３０の動作による温度上昇をより正確に推定して、上限電流値Ａupを求めることができ、延いては下限電圧Ｖlwをより適切な値に設定できる。従って、第１実施形態の作用効果に加えて、過剰な電流制限を行なうことがないという優れた効果を奏する。

Ｄ．第３実施形態：
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態の車両１０は、第１，第２実施形態と同様の構成を備えるが、以下の点で、第１，第２実施形態とハードウェア構成が相違する。第３実施形態では、図１に示した吸気温センサ２５により検出した吸気温（外気温）ＴＨａを、燃料電池ＥＣＵ２６は、昇圧ＥＣＵ３６からの求めに応じて出力する。昇圧ＥＣＵ３６は、燃料電池ＥＣＵ２６から受け取った吸気温ＴＨａを、外気温ＴＨａとして利用する。なお、吸気温センサ２５に代えて、独立した外気温センサを設け、昇圧ＥＣＵ３６が、その信号を直接読み取って外気温ＴＨａを計測するようにしてもよい。

上記のハードウェア構成の相違点を踏まえ、第３実施形態の車両１０では、昇圧ＥＣＵ３６は、また燃料電池ＥＣＵ２６を介して外気温ＴＨａを受け取った上で、図６に示した昇圧コンバータ制御処理ルーチンを実行する。

第３実施形態における昇圧ＥＣＵ３６は、図６に示した昇圧コンバータ制御処理ルーチンを実行する。図６に示したフローチャートは、第１実施形態で示した昇圧コンバータ制御処理ルーチン（図２）の要部である。図６では、図２に示した第１実施形態の処理ルーチンの開始からステップＳ４００までを示した。第３実施形態では、温度時間Ｔon増加処理（ステップＳ２００）と、温度時間リセット処理（ステップＳ３００）が第１，第２実施形態と異なっている。

第３実施形態においても、温度時間Ｔon増加処理（ステップＳ２００）は、燃料電池２２による発電が行なわれている場合（Ａfc＞０）に実行される。また、温度時間リセット処理（ステップＳ３００）は、燃料電池２２の発電が行なわれていない場合に実行される。

燃料電池２２が発電している場合に行なわれる温度時間Ｔon増加処理（ステップＳ２００）では、実際の経過時間Ｔに対して、以下の式（６）として、温度時間Ｔonを求める処理を行なう（ステップＳ２５０）。
Ｔon←Ｔon_old＋Ａ …（６）
ここで、Ａは、この昇圧コンバータ制御処理ルーチンを実行するインターバルの間に昇圧コンバータ３０がどの程度温度上昇したかを、反映させる値である。この値Ａは、第１実施形態と同様に、温度時間Ｔonを単純に漸増させる係数としてもよいし、例えばその時点での昇圧コンバータ３０が電圧を変換している電力量（Ｖfc×Ａfcなど）や昇圧コンバータ３０において生じている損失に基づいて決定してもよいし、昇圧ＥＣＵ３６が燃料電池ＥＣＵ２６から受け取った外気温ＴＨａに基づいて決定してもよい。もとより両者に基づいて、あるいは更に他のパラメータ等を参照して決定してもよい。

他方、燃料電池システム２０が発電していない場合（ステップＳ１１０：「ＮＯ」）には、温度時間Ｔonリセット処理（ステップＳ３００）として、以下の処理を行なう。まず停止後経過時間に相当する温度リセット時間Ｔofを、以下の式（７）に従って求める処理を行なう（ステップＳ３５０）。
Ｔof←Ｔof_old＋Ｂ …（７）
ここで、温度リセット時間Ｔofとは、昇圧コンバータ３０の使用が停止されてからの３０の温度の下がり方を推定する変数である。この温度リセット時間Ｔofは、ステップＳ３５０に続くステップＳ３５２およびＳ３５４で、再度、燃料電池２２が発電しているか否かの判断と温度リセット時間Ｔofを値０に戻す処理とが行なわれることから、燃料電池２２が発電を停止している間は、この昇圧コンバータ制御処理ルーチンが所定のインターバルで実行される毎に、値Ｂだけ増加され、燃料電池２２が発電停止状態（ステップＳ１１０：「ＮＯ」）から発電を開始したタイミング（ステップＳ３５２：「ＹＥＳ」）で値０にリセットされることが分る。上記処理（ステップＳ３５０〜３５４）を行なった上で、温度時間Ｔonを次式（８）により演算する。
Ｔon←Ｔon_old−Ｋ・Ｔof …（８）
但し、Ｔonは値０以下にならないようにガードをかける。同様に、ステップＳ２５２の処理における温度時間Ｔonは、定格運転で到達する可能性のある温度を想定し、所定の上限値でガードしている。この処理も、図示は省略している。

その後、ステップＳ２００を終了した場合共々、ステップＳ４００に移行し、上限電流値Ａupを求める処理を行なう。かかる処理を行なうと、温度時間Ｔonは、次のように変化する。
［１］燃料電池２２の運転を開始すると、昇圧コンバータ３０は、昇圧動作を開始し、電圧を変換（ここでは昇圧）している電力量に応じて、内部の温度が上昇する。これに対応して、温度時間Ｔonは、時間と共に増加する。すると、図３や図４として示したように、上限電流値Ａupは、温度時間Ｔonの増加と共に漸減し、やがて一定の値に収束する。
［２］燃料電池２２の運転を停止すると、昇圧コンバータ３０の内部温度は次第に冷えていくので、これに応じて温度リセット時間Ｔofが増加する。そこで、燃料電池２２が停止している間、温度時間Ｔonは、上記式（８）に従い、温度リセット時間Ｔonに所定係数Ｋを乗じた割合で漸減していく。
［３］従って、次に燃料電池２２の使用が再開されるとき、温度時間Ｔonは、必ずしも値０になっているとは限らず、昇圧コンバータ３０の内部が冷えていなければ、その温度を反映した値となり、昇圧コンバータ３０の使用を再開した直後の上限電流値Ａupは、昇圧コンバータ３０内部の温度を反映したものとなる。

この結果、燃料電池２２を停止してから短い時間をおいて使用を再開した場合でも、上限電流値Ａupを、昇圧コンバータ３０の内部温度を反映した値にでき、結果的に昇圧コンバータ３０の下限電圧Ｖlwをこれに見合った値にできるので、昇圧コンバータ３０を無理な電力量で動作させることがない。従って、昇圧コンバータ３０の信頼性を更に確保できる。

この場合、係数Ｋは予め定めた値としても差し支えないが、次のように求めてもよい。昇圧コンバータ３０の内部温度は、電圧変換の動作を停止した際の到達温度ＴＨｂから、時間と共に低下していく。図７は、この低下の様子を直線で近似して表わしたものである。図７に示した３本の直線は、それぞれ外気温ＴＨａが、ＴＨa1，ＴＨa2，ＴＨa3である場合を示している。このとき、外気温は、ＴＨa1＜ＴＨa2＜ＴＨa3の関係にある。つまり、昇圧コンバータ３０の内部温度は、外気温ＴＨａが低いほど早く低下していく。そこで、この傾きに応じて、係数Ｋの値を定めればよい。この関係を図８に例示した。外気温ＴＨａが高いほど、係数Ｋは小さくなるように設定される。なお、昇圧コンバータ３０の温度は、昇圧コンバータ３０の全体の比熱、質量、表面積、放熱量、外気温、現在の昇圧コンバータ３０の温度などが分れば、物理モデルを用いて、一定の制度で演算することが可能である。従って、こうした放熱のモデルを構築し、リアルタイムで演算してもよい、放熱のモデルにしたがって、近似した式により求めるようにしてもよい。あるいは放熱のモデルにしたがってマップを用意し、このマップに基づいて求めるようにしてもよい。

昇圧コンバータ３０の内部温度は、昇圧コンバータ３０が運転されているときの外気温ＴＨａが高ければそれだけ高い温度に到達する可能性がある。そこで、図９に示したように、燃料電池２２運転中の昇圧コンバータ３０の到達温度ＴＨｂを、外気温ＴＨａを初期値とし、時間ｔと共に増加するものとして、ステップＳ２５２での温度時間Ｔonを増加させる割合Ａを決定するものとしてもよい。

Ｅ．その他の実施形態：
上記の各実施形態では、昇圧コンバータ３０の内部温度を推定して、上限電流値Ａupを求めたが、昇圧コンバータ３０の内部温度は、温度センサを設けて直接測定し、その値を用いて温度時間Ｔonを求めて、上限電流値Ａを設定するようにしてもよい。

実施形態では、昇圧コンバータ３０が動作しているか否か判断を燃料電池２２の発電電流Ａfcにより判断したが、昇圧コンバータ３０内部の動作電流などにより判断するものしてもよい。昇圧コンバータ３０などは、昇圧用のコイルを有することがあるので、こうした場合には、コイルに発生する磁界により、動作状態を判断しても良い。

上限電流値Ａupは、上限電流値と温度時間Ｔonとの関係を図３のようなマップとして予め記憶しておき、これを参照して求めてもよいし、式（１）などに基づいて求めてもよい。あるいは昇圧コンバータ内部の温度から直接上限電流値Ａupを求めるようにしてもよい。

上記の第２，第３実施形態では、昇圧コンバータ３０の内部温度が上昇しやすい場合には、温度時間Ｔonを大きくするという形で、温度時間Ｔonに反映させた。つまり、図３や図４の関係を固定し、横軸の温度時間Ｔonを伸縮させたと考えることができる。このように昇圧コンバータ３０の内部温度を時間に反映させるのではなく、図３や図４の関係を反映させてもよい。昇圧コンバータ３０の内部温度毎に図３や図４に示した関係を用意し、昇圧コンバータ３０の内部温度によりこれを切り替えればよい。

上記の実施形態では、変換回路としての昇圧コンバータ３０は昇圧のみを行なうものとしたが、降圧コンバータやあるいは昇降圧コンバータであっても差し支えない。また、電源装置としては燃料電池を例示したが、電源装置は燃料電池に限る必要はない。電源装置は、バッテリであってもよいし、内燃機関や風力・波力などにより駆動される発電機であってもよい。こうした電圧変換装置を用いるものは、電気自動車や燃料電池車、あるいはいわゆるシリーズハイブリッド車などでもよく、更には二輪車や船舶、電車などの種々の移動体であっても差し支えない。もとより定置設置の燃料電池を用いた電力供給装置などに用いてもよい。

負荷は、上記の実施形態は、車両走行用のモータとしたが、他のモータであってもよい。駆動モータは、車両全体に１つ設けた構成としたが、前輪、後輪にそれぞれ駆動モータを備えた構成、あるいはホイールモータとしての構成、などでも適用可能である。更には、負荷はヒータなど、他の形態のものであってもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。例えば、上記実施形態においてハードウェアにより実現した構成の一部は、ソフトウェアにより実現できる。また、ソフトウェアにより実現している構成の少なくとも一部は、ディスクリートな回路構成により実現することも可能である。

１０…車両
２０…燃料電池システム
２２…燃料電池
２３…空気供給管
２４…ＡＣＰモータ
２５…吸気温センサ
２６…燃料電池ＥＣＵ
２７…電圧センサ
２８…電流センサ
３０…昇圧コンバータ
３６…昇圧ＥＣＵ
４０…昇降圧コンバータ
４３…バッテリ
４６…電池ＥＣＵ
５１…インバータ
６１…インバータ
６２…駆動モータ
６６…モータＥＣＵ

Claims

電源装置に接続されて、前記電源装置から入力した電圧を高める電圧変換装置であって、
前記電源装置からの電圧を変換する変換回路と、
前記電源装置の発電する発電量を入力する入力部と、
前記変換回路を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記変換回路から取り出せる電流の上限値である上限電流値を、前記変換回路の運転に伴う前記変換回路の温度上昇から定めた関係を用いて求める上限電流演算部と、
前記電源装置の前記発電量および前記上限電流値から、前記変換回路の下限電圧を求め、前記変換回路の出力側の電圧が、前記下限電圧を上回るように制御する下限電圧制御部とを備える
電圧変換装置。
請求項１記載の電圧変換装置であって、
前記上限電流演算部は、前記関係を、前記変換回路が第１の温度であるときの上限電流値を、前記変換回路の温度が前記第１の温度より高い第２の温度であるときの上限電流値より高い値となる関係として記憶している
電圧変換装置。
請求項１に記載の電圧変換装置であって、
前記上限電流演算部は、前記変換回路の前記温度上昇を前記変換回路が運転を開始してからの経過時間を用いた温度時間として対応付け、前記関係を前記温度時間の増加に対して前記上限電流値が漸減する関係として記憶している
電圧変換装置。
請求項３に記載の電圧変換装置であって、
前記上限電流演算部は、前記経過時間を、前記変換回路が運転を開始してからの前記変換回路の損失が第１の大きさであるとき、前記損失が前記第１の大きさより小さい第２の大きさの場合より、大きな割合で前記温度時間に換算する
電圧変換装置。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電圧変換装置であって、
前記上限電流演算部は、一旦動作を停止した前記変換回路が動作を再開するとき、前記上限電流値の初期値を、前記再開時の前記変換回路の状態に従って設定する
電圧変換装置。
請求項１に記載の電圧変換装置であって、
少なくとも、前記変換回路が変換を停止してからの停止後経過時間を求める時間検出部と、
前記変換回路の外部の温度を検出する外気温検出部と、
を備え、
前記上限電流演算部は、前記変換回路が動作を停止した後に動作を再開するときの前記変換回路の温度を、前記検出した停止後経過時間と、前記変換回路が前記動作を停止するまでの前記温度上昇と、前記検出した外気温とに基づいて求め、前記変換回路の運転再開時の前記上限電流値を演算する
電圧変換装置。
前記入力部は、前記発電量として、前記電源装置の出力する電圧と前記電源装置から取り出す電流値とを入力する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電圧変換装置。
バッテリ、燃料電池、発電機のうちから選択した電源装置と、
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の電圧変換装置と、
前記電圧変換装置により変換された電圧を用いて動作する負荷と、
を備えた車両。
電源装置から入力した電圧を高める変換回路を備えた電圧変換装置の制御方法であって、
前記電源装置の発電する発電量を入力し、
前記変換回路から取り出せる電流の上限値である上限電流値を、前記変換回路の運転に伴って変化する関係を用いて求め、
前記電源装置の前記発電量および前記上限電流値から、前記変換回路の下限電圧を求め、前記変換回路の出力側の電圧が、前記下限電圧を上回るように制御する
電圧変換装置の制御方法。