(57)【要約】  本発明の電力調整システムは、負荷に接続される燃料電池と、燃料電池と負荷の間に接続され、燃料電池の出力電圧を所定の要求電圧比で変換する燃料電池用コンバータと、負荷に対して燃料電池と並列に接続され、燃料電池とは異なる電力供給源であるバッテリと、バッテリと負荷の間に接続され、該バッテリの出力電圧を所定の要求電圧比で変換するバッテリ用コンバータと、燃料電池用コンバータをバイパスして燃料電池と負荷とを連結する電流バイパス経路と、燃料電池用コンバータの出力側に交流電圧信号を印加する交流電圧印加部と、交流電圧印加部により交流電圧信号を印加した際の所定の物理量に基づいて、燃料電池の内部状態を推定する内部状態推定部と、を備えている。
2016185608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に接続される燃料電池と、
前記燃料電池と前記負荷の間に接続され、該燃料電池の出力電圧を所定の要求電圧比で変換する燃料電池用コンバータと、
前記負荷に対して前記燃料電池と並列に接続され、前記燃料電池とは異なる電力供給源であるバッテリと、
前記バッテリと前記負荷の間に接続され、該バッテリの出力電圧を所定の要求電圧比で変換するバッテリ用コンバータと、
前記燃料電池用コンバータをバイパスして前記燃料電池と前記負荷とを連結する電流バイパス経路と、
前記燃料電池用コンバータの出力側に交流電圧信号を印加する交流電圧印加部と、
前記交流電圧印加部により交流電圧信号を印加した際の所定の物理量に基づいて、前記燃料電池の内部状態を推定する内部状態推定部と、
を備える電力調整システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電力調整システムであって、
前記燃料電池の運転状態及び前記負荷の要求電力に応じて、前記燃料電池用コンバータと前記バッテリ用コンバータとを切り換えるコンバータ切換部をさらに備え、
前記交流電圧印加部は、前記コンバータ切換部により切り換えられた前記燃料電池用コンバータ又は前記バッテリ用コンバータを駆動制御することにより、前記燃料電池用コンバータの出力側に交流電圧信号を印加する、
電力調整システム。
【請求項３】
請求項２に記載の電力調整システムであって、
前記コンバータ切換部により前記バッテリ用コンバータに切り換えられているときには、前記交流電圧信号の印加前に前記負荷に印加すべき供給電圧よりも前記燃料電池用コンバータの出力側の電圧を所定圧だけ低く設定する、
電力調整システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電力調整システムであって、
前記電流バイパス経路上に、前記負荷から前記燃料電池への電流の流れを遮断する電流方向遮断部をさらに備える、
電力調整システム。
【請求項５】
請求項４に記載の電力調整システムであって、
前記電流方向遮断部はダイオードから構成される、
電力調整システム。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の電力調整システムであって、
前記燃料電池用コンバータが前記燃料電池の出力電圧を昇圧している場合には、前記コンバータ切換部は、前記燃料電池用コンバータに切り換える、
電力調整システム。
【請求項７】
請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載の電力調整システムであって、
前記コンバータ切換部により前記燃料電池用コンバータに切り換えられている場合、前記交流電圧信号を印加しない場合に前記負荷に印加すべき供給電圧よりも前記燃料電池用コンバータの出力側の電圧を所定圧だけ高く設定する、
電力調整システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の電力調整システムであって、
前記所定の物理量は、前記交流電圧信号印加時における該交流信号の所定周波数近傍の前記燃料電池の出力電流の交流成分及び出力電圧の交流成分である、
電力調整システム。
【請求項９】
負荷に接続される燃料電池と、
前記燃料電池と前記負荷の間に接続され、該燃料電池の出力電圧を所定の要求電圧比で変換する燃料電池用コンバータと、
前記負荷に対して前記燃料電池と並列に接続され、前記燃料電池とは異なる電力供給源であるバッテリと、
前記バッテリと前記負荷の間に接続されるバッテリ用コンバータと、
前記燃料電池用コンバータをバイパスして前記燃料電池と前記負荷とを連結する電流バイパス経路と、を備える電力調整システムの制御方法であって、
前記燃料電池用コンバータの出力側に交流電圧信号を印加するステップと、
前記交流電圧印加部により交流電圧信号を印加した際の所定の物理量に基づいて、前記燃料電池の内部状態を推定するステップと、
を含む電力調整システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、高電圧バッテリと、ＤＣ／ＤＣコンバータとを備える電力調整システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を備える電力調整システムにおいて、燃料電池に接続された負荷の要求に応じて、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、空気）とを燃料電池に供給することにより、燃料電池の出力電力を負荷に供給可能な電力調整システムが知られている。【０００３】
上記のような電力調整システムでは、燃料電池の動作状態を制御するために、交流電圧信号を出力しつつ燃料電池の出力電流及び出力電圧の交流成分を計測し、計測したこれらの交流成分を演算することにより、燃料電池の内部インピーダンスを推定している。【０００４】
ＪＰ４８２１１８７Ｂには、バッテリ（高電圧の二次電池）と、バッテリに対して電気的に並列に設けられた燃料電池と、バッテリの出力側に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータと負荷となるモータとの間に設けられたインバータと、を備える燃料電池システムが開示されている。【０００５】
この燃料電池システム（シングルコンバータ方式）では、燃料電池の内部インピーダンスを推定するために、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力目標電圧にインピーダンス測定用信号(交流電圧信号)を重畳してＤＣ／ＤＣコンバータに出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータ通過後のインピーダンス測定用信号の振幅を測定している。そして、この測定結果に必要な演算処理を施すことにより、燃料電池の内部インピーダンスを求めている。【０００６】
ところで、本出願人は、燃料電池と、バッテリと、を備え、燃料電池とバッテリの両方の出力側にそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータを設けた電力調整システム（ツインコンバータ方式）を提案している。【０００７】
この場合、上記シングルコンバータ方式とは異なり、上述のようなインピーダンス測定用信号を燃料電池側のＤＣ／ＤＣコンバータに対して出力することにより、燃料電池の内部インピーダンスを測定することも可能である。
【発明の概要】
【０００８】
上述のようなシングルコンバータ方式の電力調整システムでは、燃料電池のインピーダンス測定用信号として交流電圧信号を用いている。通常、この交流電圧信号の重畳周波数におけるインピーダンスが大きいＤＣ／ＤＣコンバータを介して燃料電池用の交流電圧信号を重畳している。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が大きく振れてしまう可能性がある。
【０００９】
このような状況では、燃料電池から発生するリプル電圧成分が増加してしまう。そして、リプル電圧成分が増加すると、電力調整システムを構成する各電機部品が誤作動をするおそれがあるという問題がある。
【００１０】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子（半導体素子）のスイッチ動作により交流電圧信号を重畳させるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ内のリアクトルやスイッチング素子に電流が流れてしまう。この場合、各素子において銅損などの損失が発生するので、電力効率が低下するとともに、各素子が発熱してしまうという問題もある。
【００１１】
一方、上述のようなツインコンバータ方式の電力調整システムでは、いずれかのＤＣ／ＤＣコンバータを用いてインピーダンス測定用信号を生成することができる。しかしながら、インピーダンス測定用信号の生成のためにバッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータを用いた場合には、上記シングルコンバータ方式と同様の問題が生じる。
【００１２】
また、インピーダンス測定用信号の生成のために燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータを用いた場合には、上述のような各素子が発熱するという問題に加え、燃料電池の発電効率も低下してしまうという問題もある。
【００１３】
特に、このような電力調整システムを車両に搭載する場合には、燃料電池の燃料、すなわち水素を無駄に消費してしまい、車両の燃費が低下してしまうという問題もある。
【００１４】
本発明は、上述の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池のインピーダンスを測定するために交流電圧信号を印加するＤＣ／ＤＣコンバータの発熱を低減することができる電力調整システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明の一態様によれば、本発明の電力調整システムは、負荷に接続される燃料電池と、燃料電池と負荷の間に接続され、該燃料電池の出力電圧を所定の要求電圧比で変換する燃料電池用コンバータと、負荷に対して燃料電池と並列に接続され、燃料電池とは異なる電力供給源であるバッテリと、バッテリと負荷の間に接続され、該バッテリの出力電圧を所定の要求電圧比で変換するバッテリ用コンバータと、を備える。また、本発明の電力調整システムは、燃料電池用コンバータをバイパスして燃料電池と負荷とを連結する電流バイパス経路と、燃料電池用コンバータの出力側に交流電圧信号を印加する交流電圧印加部と、交流電圧印加部により交流電圧信号を印加した際の所定の物理量に基づいて、燃料電池の内部状態を推定する内部状態推定部と、をさらに備える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池用の電力調整システムの全体構成を示す図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池用コントローラの機能的構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態における燃料電池用コントローラ、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ及びバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラの全体的な制御を示すフローチャートである。
【図４】図４は、燃料電池用コントローラにより実行されるＦＣ電流指令演算処理を示すフローチャートである。
【図５】図５は、燃料電池用コントローラにより実行される基準ＦＣ電圧指令演算処理を示すフローチャートである。
【図６】図６は、燃料電池用コントローラにより実行されるモータ下限電圧演算処理を示すフローチャートである。
【図７】図７は、燃料電池用コントローラにより実行される電圧指令演算処理を示すフローチャートである。
【図８】図８は、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラにより実行されるＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を示すフローチャートである。
【図９】図９は、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラにより実行されるバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、燃料電池用コントローラにより実行されるＦＣインピーダンス演算処理を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、ＦＣインピーダンス演算処理において用いられる逆ノッチフィルタの周波数−振幅特性を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の比較例における燃料電池用の電力調整システムの全体構成を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の比較例におけるバッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータで生成される交流電圧信号の波形を示す図である。
【図１４】図１４は、第２実施形態における燃料電池用コントローラの機能的構成を示すブロック図である。
【図１５】図１５は、第２実施形態における燃料電池用コントローラにより実行される電圧指令演算処理を示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、第２実施形態における燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラにより実行されるＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池用の電力調整システム１（以下、単に「電力調整システム１」という）の全体構成を示す図である。本発明の電力調整システム１は、強電バッテリを備え、燃料電池を駆動源とする車両に用いられるものである。この電力調整システム１は、図１に示すように、例えば、駆動モータ２で車両を駆動する電気自動車に搭載される。なお、この電力調整システム１は、燃料電池を駆動源とするものであれば、燃料電池車両（燃料電池を利用した電気自動車）以外の装置等の負荷にも適用することができる。
【００１９】
本実施形態の電力調整システム１は、図１に示すように、燃料電池スタック６と、燃料電池スタック６用のＤＣ／ＤＣコンバータ（燃料電池コンバータ）５と、強電バッテリ２０（以下、単に「バッテリ２０」という）と、補機類３０と、バッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ（バッテリコンバータ）８とを備える。また、電力調整システム１は、燃料電池スタック６を含む電力調整システム１全体を制御する燃料電池用コントローラ１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５を制御する燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御するバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７とを備える。さらに、電力調整システム１は、負荷としての駆動モータ２と、燃料電池スタック６及びバッテリ２０から入力される直流電力を駆動モータ２への交流電力にスイッチング制御する駆動インバータ３とを備える。
【００２０】
本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の正極側の出力端子と、燃料電池スタック６の正極側の出力端子との間に、燃料電池スタック６の出力電流がＤＣ／ＤＣコンバータ５をバイパスするための電流バイパス経路を設けている。すなわち、この電流バイパス経路は、駆動インバータ３を介して、燃料電池スタック６と負荷となる駆動モータ２とを連結させるものである。
【００２１】
また、電流バイパス経路上には、負荷となる駆動モータ２側から燃料電池スタック６への電流の流れを遮断する電流方向遮断部としてのダイオード１００が設けられる。ダイオード１００は、燃料電池スタック６から駆動インバータ３へ向かう方向が順方向となるように配置され、本発明の電流方向遮断部として機能する。そのため、燃料電池スタック６用のＤＣ／ＤＣコンバータ５が昇圧している場合には、このダイオード１００によりＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力から燃料電池スタック６へ電流が逆流することを防止することができる。
【００２２】
燃料電池スタック６用のＤＣ／ＤＣコンバータ５は、燃料電池スタック６と駆動インバータ３（駆動モータ２）との間に設けられる。このＤＣ／ＤＣコンバータ５は、燃料電池スタック６の出力電圧を所定の要求電圧比で駆動インバータ３の入力電圧に変換するものである。本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、燃料電池スタック６の出力電圧を駆動モータ２の駆動電圧に適した電圧に昇圧するための昇圧コンバータである。
【００２３】
本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、３相のコンバータから構成される。このため、以下では、このＤＣ／ＤＣコンバータ５を多相コンバータ５という場合もある。なお、多相コンバータ５の相数は、３相以上であってもよい。
【００２４】
多相コンバータ５は、図１に示すように、Ｕ相コンバータと、Ｖ相コンバータと、Ｗ相コンバータの３つのコンバータから構成される。Ｕ相、Ｖ相及びＷ相コンバータには、３つのリアクトル５Ｕ、５Ｖ、５Ｗがそれぞれ接続される。なお、Ｕ相コンバータ、Ｖ相コンバータ及びＷ相コンバータは同様の構成を有する。そのため、以下では、Ｕ相コンバータを代表として、その構成を説明する。
【００２５】
Ｕ相コンバータは、リアクトル５Ｕと、降圧側のスイッチング素子５１Ｕと、整流ダイオード５２Ｕと、昇圧側のスイッチング素子５３Ｕと、還流ダイオード５４Ｕとを備える。スイッチング素子５１Ｕは、整流ダイオード５２Ｕと逆並列接続され、スイッチング素子５３Ｕは、還流ダイオード５４Ｕと逆並列接続されている。これらのスイッチング素子５１Ｕ、５４Ｕは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistors）で構成される。
【００２６】
リアクトル５Ｕは、その一端が電流センサ６１を介して燃料電池スタック６の正極側の出力端子に接続され、他端がスイッチング素子５１Ｕ及び整流ダイオード５２Ｕの一端と、スイッチング素子５３Ｕ及び還流ダイオード５４Ｕの一端とに接続される。スイッチング素子５１Ｕ及び整流ダイオード５２Ｕの他端は、ダイオード１００のカソード端子と、駆動インバータ３の正極側の入力端子とに接続される。また、スイッチング素子５３Ｕ及び還流ダイオード５４Ｕの他端は、燃料電池スタック６の負極側の出力端子と、駆動インバータ３の負極側の入力端子とに接続される。
【００２７】
燃料電池スタック６の出力端子間には、燃料電池スタック６の出力電圧を検出するための電圧センサ６２と、燃料電池スタック６の出力電圧を平滑化するためのコンデンサ６３とが並列に接続される。コンデンサ６３は、燃料電池スタック６の出力電圧を平滑化するものであり、これにより、燃料電池スタック６の出力におけるリプル成分を低減させることができる。
【００２８】
また、多相コンバータ５の出力端子間には、多相コンバータ５の出力電圧を平滑化するためのコンデンサ６４と、多相コンバータ５の出力電圧（駆動インバータ３の入力電圧）を検出するための電圧センサ６５とが並列に接続される。このコンデンサ６４により、多相コンバータ５の出力におけるリプル成分を低減させることができる。
【００２９】
さらに、多相コンバータ５の出力端子及びＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力端子の接続端子と、駆動インバータ３の入力端子との間には、駆動インバータ３の入力電圧を平滑化するためのコンデンサ６６が設けられる。
【００３０】
燃料電池スタック６は、多相コンバータ５及び駆動インバータ３を介して、電力調整システム１の負荷となる駆動モータ２に接続される。燃料電池スタック６は、図示しないカソードガス給排装置及びアノードガス給排装置からカソードガス（酸化剤ガス）及びアノードガス（燃料ガス）の供給を受けて、駆動モータ２などの電気負荷に応じて発電する積層電池である。燃料電池スタック６には、例えば数百枚の燃料電池が積層されている。
【００３１】
燃料電池スタック６には、アノードガスの給排気通路やカソードガスの給排気通路、各通路に設けられる調圧弁、冷却水循環通路や冷却水ポンプ、ラジエータ、燃料電池スタック６の冷却装置などの多くの装置が接続されている。しかしながら、これらは本発明の技術的特徴とは関係性が低いので、それらの図示を省略している。
【００３２】
駆動モータ２は、本実施形態の電力調整システム１が搭載される車両を駆動するものである。駆動インバータ３は、燃料電池スタック６やバッテリ２０から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を駆動モータ２に供給するものである。駆動モータ２は、駆動インバータ３により供給される交流電力により回転駆動し、その回転エネルギーを後段に供給する。なお、図示しないが、駆動モータ２は、ディファレンシャル及びシャフトを介して車両の駆動輪に連結されている。
【００３３】
車両の降坂時や減速時には、バッテリ２０の充電状態に応じて、駆動インバータ３及びＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して、駆動モータ２の回生電力がバッテリ２０に供給され、バッテリ２０が充電される。また、車両の力行時には、燃料電池スタック６の発電電力やバッテリ２０からの蓄電電力により、駆動モータ２が回転し、その回転エネルギーが図示しない車両の駆動輪に伝達される。
【００３４】
駆動モータ２の近傍には、駆動モータ２のモータ回転数を検出するモータ回転数検出部２１と、駆動モータ２のモータトルクを検出するモータトルク検出部２２とが設けられる。これらの検出部２１、２２により検出された駆動モータ２のモータ回転数及びモータトルクは、燃料電池用コントローラ１０に出力される。
【００３５】
バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えば、３００Ｖ（ボルト）のリチウムイオンバッテリである。バッテリ２０は、補機類３０に接続され、補機類３０の電源を構成する。また、バッテリ２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して、駆動インバータ３及びＤＣ／ＤＣコンバータ５に接続される。すなわち、バッテリ２０は、電力調整システム１の負荷である駆動モータ２に対して、燃料電池スタック６と並列に接続される。
【００３６】
バッテリ２０の出力端子には、補機類３０と並列に、バッテリ２０の出力電圧を検出するための電圧センサ６７と、バッテリ２０の出力電圧を平滑化するためのコンデンサ６８とが接続される。
【００３７】
バッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８は、バッテリ２０と駆動インバータ３（駆動モータ２）との間に設けられる。このＤＣ／ＤＣコンバータ８は、バッテリ２０の出力電圧を所定の要求電圧比で駆動インバータ３の入力電圧に変換するものである。なお、後述するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力電圧は、多相コンバータ５の出力電圧とリンク（同期）させるように制御される。
【００３８】
本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック６用の多相コンバータ５とは異なり、単相のコンバータである。このＤＣ／ＤＣコンバータ８は、図１に示すように、リアクトル８１と、降圧側のスイッチング素子８２と、整流ダイオード８３と、昇圧側のスイッチング素子８４と、還流ダイオード８５とを備える。スイッチング素子８２は、整流ダイオード８３と逆並列接続され、スイッチング素子８４は、還流ダイオード８５と逆並列接続されている。これらのスイッチング素子８２、８４は、例えばＩＧＢＴで構成される。
【００３９】
リアクトル８１は、その一端がバッテリ２０の正極側の出力端子に接続され、他端がスイッチング素子８２及び整流ダイオード８３の一端と、スイッチング素子８４及び還流ダイオード８５の一端とに接続される。スイッチング素子８２及び整流ダイオード８３の他端は、駆動インバータ３の正極側の入力端子に接続される。また、スイッチング素子８４及び還流ダイオード８５の他端は、バッテリ２０の負極側の出力端子と、駆動インバータ３の負極側の入力端子とに接続される。
【００４０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力端子間には、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力電圧を平滑化するためのコンデンサ７０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力電圧（駆動インバータ３の入力電圧）を検出するための電圧センサ６９とが接続される。
【００４１】
補機類３０は、主に燃料電池スタック６に付属される部品であり、上述のようなカソードガス給排装置及びアノードガス給排装置や、図示しない空気コンプレッサ、冷却ポンプなどを含む。なお、補機類３０の各種部品が弱電機器である場合、バッテリ２０と対象となる補機類３０との間に図示しない降圧ＤＣ／ＤＣコンバータを設ければよい。その代わりに、弱電機器用の図示しない弱電バッテリを設けてもよい。
【００４２】
燃料電池用コントローラ１０は、図示しないが、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。燃料電池用コントローラ１０には、電流センサ６１及び電圧センサ６２により検出された燃料電池スタック６の出力電流値及び出力電圧値が入力される。
【００４３】
また、燃料電池用コントローラ１０は、各センサ６１、６２から入力された燃料電池スタック６の出力電流値及び出力電圧値と、各検出器２１、２２から入力された駆動モータ２のモータ回転数及びモータトルクとに基づいて、多相コンバータ５及びＤＣ／ＤＣコンバータ８を作動させるための指令を燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４とバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７とにそれぞれ出力する。
【００４４】
燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、燃料電池用コントローラ１０からの指令に基づいて、多相コンバータ５を制御するものである。燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、本実施形態では、燃料電池用コントローラ１０からの指令（ＦＣ電圧指令）に基づいて、多相コンバータ５の各相のスイッチング素子５１Ｕ〜５１Ｗ、５３Ｕ〜５３ＷをＯＮ／ＯＦＦ制御する。
【００４５】
具体的には、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４には、電圧センサ６２により検出された燃料電池スタック６の出力電圧値と、電圧センサ６５により検出された多相コンバータ５の出力電圧値とが入力される。燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、多相コンバータ５の電圧比（出力電圧／入力電圧）が燃料電池用コントローラ１０からの指令値（ＦＣ電圧指令値）になるように、多相コンバータ５の各スイッチング素子５１Ｕ〜５１Ｗ、５３Ｕ〜５３Ｗをスイッチング制御する。
【００４６】
バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、燃料電池用コントローラ１０からの指令に基づいて、バッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御するものである。燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４及びバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、駆動インバータ３への入力電圧が同じ電圧（ＤＣリンク電圧）になるように、多相コンバータ５による電圧比及びＤＣ／ＤＣコンバータ８による電圧比をそれぞれ制御する。
【００４７】
バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７には、電圧センサ６７により検出されたバッテリ２０の出力電圧値と、電圧センサ６９により検出されたＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力電圧値とが入力される。バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の電圧比（出力電圧／入力電圧）が燃料電池用コントローラ１０からの指令値（ＤＣリンク電圧指令値）になるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の各スイッチング素子８２、８４をスイッチング制御する。
【００４８】
図２は、図１に示す燃料電池用コントローラ１０の機能的構成を示すブロック図である。図２に示すように、本実施形態の燃料電池用コントローラ１０は、インピーダンス算出部１１と、インピーダンス算出要求部１２と、湿潤状態推定部１３と、電圧制御部１４とを含む。
【００４９】
インピーダンス算出部１１は、インピーダンス算出要求部１２から要求される燃料電池スタック６のインピーダンス算出要求を受けると、電流センサ６１により検出される燃料電池スタック６の出力電流の交流成分と、電圧センサ６２により検出される出力電圧の交流成分とに基づいて、燃料電池スタック６のインピーダンス（内部インピーダンス）を算出する。
【００５０】
ここで、燃料電池スタック６の算出されたインピーダンスは、その燃料電池スタック６の出力電流及び出力電圧を検出した時点における燃料電池スタック６の湿潤度と相関関係がある。すなわち、燃料電池スタック６のインピーダンスが高いほど、燃料電池スタック６が過乾燥状態に近づくことになる。一方、燃料電池スタック６のインピーダンスが低いほど、過加湿状態に近づくことになる。
【００５１】
インピーダンス算出要求部１２は、電流センサ６１により検出される燃料電池スタック６の出力電流の交流成分と、電圧センサ６２により検出される出力電圧の交流成分と、インピーダンス算出部１１により前回算出されたインピーダンス前回値に基づいて、燃料電池スタック６のインピーダンスを検出することができるか否かを判定する。
【００５２】
すなわち、インピーダンス算出要求部１２は、検出した燃料電池スタック６の出力電流値及び出力電圧値と、インピーダンス前回値とに基づいて、インピーダンス検出部（インピーダンス検出回路）の検出値（インピーダンス算出部１１の算出値）が飽和状態にあるか否かを判定する。そして、検出値が飽和状態にあり、燃料電池スタック６のインピーダンスを検出することができないと判定した場合には、インピーダンス算出要求部１２は、インピーダンス算出部１１に対して、燃料電池スタック６のインピーダンスを再度算出する指令、すなわち、インピーダンス算出要求を出力する。
【００５３】
また、インピーダンス算出要求部１２は、湿潤状態推定部１３により推定された燃料電池スタック６の湿潤状態の推定値に基づいて、燃料電池スタック６の発電効率が低下しているか否か、すなわち、燃料電池スタック６が発電不良の状態であるか否かを判定する。そして、燃料電池スタック６の発電効率が低下していると判定した場合には、インピーダンス算出要求部１２は、燃料電池スタック６のインピーダンス算出要求をインピーダンス算出部１１に出力する。
【００５４】
なお、燃料電池用コントローラ１０は、インピーダンス算出要求部１２を省略し、インピーダンス算出部１１により常時燃料電池スタック６のインピーダンスを算出するように構成されてもよい。
【００５５】
湿潤状態推定部１３は、インピーダンス算出部１１により算出された燃料電池スタック６のインピーダンスに基づいて、該燃料電池スタック６の湿潤状態を推定する。このように推定された燃料電池スタック６の湿潤状態は、燃料電池スタック６の動作を制御するために用いられる。なお、燃料電池スタック６の動作制御については、その動作状態に応じて、公知の制御方法により実行されればよい。そのため、本明細書では、燃料電池スタック６の制御方法については、その詳細な説明を省略する。
【００５６】
推定された燃料電池スタック６の湿潤状態は、燃料電池スタック６の出力電圧の昇圧制御及びバッテリ２０の出力電圧のＤＣリンク制御（ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧とＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力電圧をリンク（同期）させるための制御）のために、電圧制御部１４に出力される。
【００５７】
また、湿潤状態推定部１３は、燃料電池スタック６のインピーダンスを算出していない燃料電池スタック６の運転状態においては、過去のインピーダンス算出値と、燃料電池スタック６の運転状態とに基づいて、燃料電池スタック６の湿潤状態を推定する。この場合、過去のインピーダンス算出値としては、例えば、インピーダンス算出要求部１２からインピーダンス算出要求が前回出力された際に、インピーダンス算出部１１が算出したインピーダンスである。このインピーダンス前回値は、図示しないメモリに記憶されればよい。
【００５８】
なお、本実施形態では、インピーダンス算出部１１及び湿潤状態推定部１３を総称して、内部状態推定部という。本実施形態では、内部状態推定部は、後述する電圧制御部１４からのＡＣ重畳指令に応じて、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７により交流電圧信号を重畳して出力した際に検出される所定の物理量に基づいて、燃料電池スタック６の内部状態を推定するものである。所定の物理量は、少なくとも、電流センサ６１及び電圧センサ６２により検出された燃料電池スタック６の出力電流及び出力電圧を含む。インピーダンスの詳細な演算方法は後述する。
【００５９】
電圧制御部１４には、モータ回転数検出部２１及びモータトルク検出部２２により検出された駆動モータ２のモータ回転数及びモータトルクが入力される。電圧制御部１４は、駆動モータ２の各種データと、インピーダンス算出部１１により算出された燃料電池スタック６の内部インピーダンスと、湿潤状態推定部１３により推定された燃料電池スタック６の湿潤状態などに基づいて、燃料電池スタック６の駆動状態を示すＦＣ電圧指令値と、バッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力側の電圧を多相コンバータ５の出力側の電圧にリンクさせるためのＤＣリンク電圧指令値とを演算する。
【００６０】
そして、電圧制御部１４は、演算したＦＣ電圧指令値を燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４に出力するとともに、演算したＤＣリンク電圧指令値をバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７に出力する。
【００６１】
具体的には、電圧制御部１４は、駆動モータ２のモータ下限電圧と、燃料電池スタック６の出力電圧（すなわち、多相コンバータ５の出力電圧）とに基づいて、ＤＣリンク電圧指令値を駆動モータ２のモータ下限電圧と燃料電池スタック６の出力電圧のいずれにすべきかを決定する。そして、ＤＣリンク電圧指令値に基づいて、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、多相コンバータ５の電圧比を設定するとともに、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、バッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８の電圧比を設定する。
【００６２】
また、電圧制御部１４は、モータ回転数検出部２１及びモータトルク検出部２２により検出された駆動モータ２のモータ回転数及びモータトルクに基づいて、駆動モータ２が動作可能な駆動インバータ３の供給電圧を算出している。
【００６３】
さらに、電圧制御部１４は、インピーダンス算出要求部１２によりインピーダンス算出要求が出力された場合には、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７にＡＣ重畳指令を出力する。すなわち、電圧制御部１４は、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７及びＤＣ／ＤＣコンバータ８とともに、本発明の交流電圧印加部を構成する。
【００６４】
これにより、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、ＤＣリンク電圧のフィードバック制御値であるＤＣリンク電圧指令値に交流電圧信号を重畳する。本実施形態では、重畳すべき交流電圧信号は、例えば、周波数１ｋＨｚで振幅０．５Ｖの正弦波信号である。
【００６５】
このようにＡＣ重畳指令を出力して燃料電池スタック６の内部インピーダンスを算出するのは、燃料電池スタック６の湿潤状態と燃料電池スタック６を構成する燃料電池の電解質膜抵抗との相関関係が高いためである。
【００６６】
本実施形態では、正弦波信号からなる交流電圧信号を生成するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の各スイッチング素子８２、８４をスイッチング動作させている。なお、交流電圧信号は、正弦波信号に限らず、矩形波信号や三角波信号、鋸波信号などであってもよい。
【００６７】
具体的な交流電圧信号の波形は、本実施形態の比較例を説明する際に図１３を参照して詳細に説明する。
【００６８】
次に、図３のフローチャートを参照して、本実施形態における電力調整システム１の全体的な動作を説明する。なお、図３のフローチャートは、本実施形態の電力調整システム１の全体的な動作を示すものであるが、必要に応じて、追加のステップが含まれてもよい。また、本発明の電力調整システム１の制御方法は、全体的な動作の一部を構成するものである。
【００６９】
図３は、本発明の第１実施形態における電力調整システム１の燃料電池用コントローラ１０、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４及びバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７の全体的な制御を示すフローチャート（メイン処理フロー）である。
【００７０】
このフローチャートに係る制御は、少なくとも、駆動モータ２の動作状態や補機類３０の動作状態が変動するタイミングで実行される。しかしながら、この制御は、所定時間毎に実行されてもよい。また、各ステップは、矛盾が生じない範囲において、その順序が変更されてもよい。
【００７１】
まず、燃料電池用コントローラ１０は、燃料電池スタック６の電流指令値を決定するためのＦＣ電流指令演算処理を実行するとともに（ステップＳ１）、燃料電池スタック６の電圧指令値を決定するための基準ＦＣ電圧指令演算処理を実行する（ステップＳ２）。
【００７２】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、ステップＳ１、Ｓ２により決定された燃料電池スタック６の電流指令値（後述するＦＣ電流指令値）及び電圧指令値に基づいて、補機類３０に含まれる各補機の各種動作指令値を決定し（ステップＳ３）、各補機に決定した指令値を出力する。
【００７３】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、駆動インバータ３の入力電圧となる駆動モータ２のモータ下限電圧を決定するためのモータ下限電圧演算処理を実行する（ステップＳ４）。
【００７４】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、インピーダンス測定用の交流電圧信号を生成させるための重畳ＯＮ信号を出力するとともに、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４及びバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７にそれぞれ出力するＦＣ電圧指令値及びＤＣリンク電圧指令値を決定するための電圧指令演算処理を実行する（ステップＳ５）。
【００７５】
そして、燃料電池用コントローラ１０は、重畳ＯＮ指令をバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７に出力する（図２参照）。また、燃料電池用コントローラ１０は、このように決定したＦＣ電圧指令及びＤＣリンク電圧指令を燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４とバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７とにそれぞれ出力する（図２参照）。なお、ＤＣリンク電圧指令は、必要に応じて、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４にも出力されてもよい。
【００７６】
次いで、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、燃料電池スタック６の出力電圧（ＦＣ出力電圧）及びＤＣリンク電圧指令に基づいて、多相コンバータ５の昇圧・降圧を行うためのＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を実行する（ステップＳ６）。
【００７７】
次いで、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、燃料電池用コントローラ１０から入力されたＤＣリンク電圧指令に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の昇圧・降圧を行うためのバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を実行する（ステップＳ７）。
【００７８】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、燃料電池スタック６の内部インピーダンスを演算（算出）するためのＦＣインピーダンス演算処理を実行する（ステップＳ８）。
【００７９】
そして、燃料電池用コントローラ１０、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４及びバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、図３に示す本実施形態における全体的な制御フローを終了する。
【００８０】
次に、図３の各サブルーチンについて、フローチャートを参照してそれぞれ説明する。
【００８１】
図４は、図３のステップＳ１に対応するサブルーチンであり、燃料電池用コントローラ１０により実行されるＦＣ電流指令演算処理を示すフローチャートである。
【００８２】
このＦＣ電流指令演算処理において、燃料電池用コントローラ１０は、まず、補機類３０の各補機において消費される消費電力を演算する（ステップＳ１０１）。そして、燃料電池用コントローラ１０は、バッテリ２０及び燃料電池スタック６に対する発電指令値と、ステップＳ１０１で演算された補機類３０の消費電力とに基づいて、目標燃料電池電力を算出する（ステップＳ１０２）。
【００８３】
なお、燃料電池スタック６に対する発電指令値は、燃料電池スタック６としてどれだけの発電電力を必要とするかを示すものである。燃料電池用コントローラ１０は、本実施形態の車両に搭乗しているドライバからのアクセルペダルの踏込み量、すなわち、アクセルペダル開度や、駆動モータ２の駆動状態等に基づいて、この発電指令値を決定する。
【００８４】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、電流センサ６１により検出された燃料電池スタック６の出力電流値と、電圧センサ６２により検出された燃料電池スタック６の出力電圧値とに基づいて、現在の燃料電池スタック６の出力電力を算出する（ステップＳ１０３）。なお、燃料電池スタック６のこの出力電力は、燃料電池スタック６の出力電流値と出力電圧値を乗算することにより求められる。
【００８５】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、ステップＳ１０２で算出した燃料電池スタック６の目標燃料電池電力と、ステップＳ１０３で算出された実際の燃料電池スタック６の出力電力とに基づいて、燃料電池スタック６の電力偏差を算出する（ステップＳ１０４）。この電力偏差は、目標燃料電池電力と、実際の出力電圧との差に基づいて求められる。
【００８６】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、ステップＳ１０４で算出された燃料電池スタック６の電力偏差に基づいて、ＰＩ制御に基づく電力フィードバック制御を行う。燃料電池用コントローラ１０は、この電力フィードバック制御により、燃料電池スタック６の電流指令値（目標燃料電池電流値）を補正する（ステップＳ１０５）。
【００８７】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、燃料電池用コントローラ１０に予め設定されている燃料電池スタック６の上限電流値と、ステップＳ１０５で得られた目標燃料電池電流値とに基づいて、燃料電池スタック６への電流指令値であるＦＣ電流指令値を決定する（ステップＳ１０６）。
【００８８】
具体的には、燃料電池用コントローラ１０は、燃料電池スタック６の上限電流値と、目標燃料電池電流値とを比較し、小さい値の方をＦＣ電流指令値として決定する。そして、燃料電池用コントローラ１０は、ＦＣ電流指令値を決定すると、このＦＣ電流指令演算処理を終了して、メイン処理フローに戻る。
【００８９】
なお、燃料電池スタック６の上限電流値とは、燃料電池スタック６が出力することができる電流値の上限値を意味し、必要に応じて、予め実験等で求められるものである。
【００９０】
燃料電池用コントローラ１０は、ステップＳ１０６で決定されたＦＣ電流指令値に基づいて、燃料電池スタック６の出力電流がこのＦＣ電流指令値になるように、アノードガス及びカソードガスの流量や圧力等を制御する。これは、燃料電池スタック６の出力を制御するために、アノードガス及びカソードガスの流量等を制御するのであるが、これらのガスの流量等は、燃料電池スタック６の出力電流に基づいて制御されるためである。
【００９１】
図５は、図３のステップＳ２に対応するサブルーチンであり、燃料電池用コントローラ１０により実行される基準ＦＣ電圧指令演算処理を示すフローチャートである。
【００９２】
この基準ＦＣ電圧指令演算処理において、燃料電池用コントローラ１０は、ＦＣ電流指令演算処理のステップＳ１０６で決定したＦＣ電流指令値と、電流センサ６１により検出される燃料電池スタック６の出力電流値とに基づいて、電流偏差を算出する（ステップＳ２０１）。この電流偏差は、燃料電池スタック６のＦＣ電流指令値と実際の出力電流値との差に基づいて求められる。
【００９３】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、ステップＳ２０１で算出された電流偏差に基づいて、ＰＩ制御に基づく電流フィードバック制御を行う。この電流フィードバック制御により燃料電池スタック６の出力電流が変化するのに応じて、燃料電池用コントローラ１０は、図示しないメモリに予め記憶されているＩＶ特性曲線に基づいて、燃料電池スタック６の目標電圧値となる基準ＦＣ電圧指令値を演算する（ステップＳ２０２）。そして、燃料電池用コントローラ１０は、この基準ＦＣ電圧指令演算処理を終了して、メイン処理フローに戻る。
【００９４】
なお、燃料電池用コントローラ１０は、燃料電池スタック６の出力電流がＦＣ電流指令値になるように制御するのではなく、ステップＳ２０２で決定された基準ＦＣ電圧指令値に基づいて、燃料電池スタック６の出力電圧値がこの基準ＦＣ電圧指令値になるように、アノードガス及びカソードガスの流量や圧力等を制御するように構成されてもよい。
【００９５】
図６は、図３のステップＳ４に対応するサブルーチンであり、燃料電池用コントローラ１０により実行されるモータ下限電圧演算処理を示すフローチャートである。
【００９６】
このモータ下限電圧演算処理において、燃料電池用コントローラ１０は、まず、モータ回転数検出部２１により駆動モータ２のモータ回転数を検出するとともに（ステップＳ４０１）、モータトルク検出部２２により駆動モータ２のモータトルクを検出する（ステップＳ４０２）。
【００９７】
なお、駆動モータ２のモータ回転数が高くなれば高くなるほど、駆動モータ２には誘起電圧が発生する。そのため、駆動モータ２への供給電圧、すなわち、駆動インバータ３の出力電圧が誘起電圧以上に高くないならば、駆動モータ２を駆動させることができない。したがって、本モータ下限電圧演算処理では、最初に、駆動モータ２のモータ回転数を検出している。
【００９８】
また、図示を省略したが、駆動モータ２のモータトルクやその効率を検出するために、駆動モータ２に実際に入力される供給電流を検出する電流センサが設けられる。燃料電池用コントローラ１０は、検出された供給電流値に基づいて、駆動モータ２のモータトルクを検出してもよい。
【００９９】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、燃料電池用コントローラ１０の図示しないメモリ等に予め記憶されているモータ回転数−モータトルクマップを参照し、ステップＳ４０１、Ｓ４０２において検出した駆動モータ２のモータ回転数及びモータトルクに基づいて、モータ下限電圧を決定する（ステップＳ４０３）。
【０１００】
なお、モータ回転数−モータトルクマップについては、図示を省略するが、例えば、実験データ等により予め求めておき、そのマップデータを燃料電池用コントローラ１０のメモリに記憶しておけばよい。
【０１０１】
そして、燃料電池用コントローラ１０は、このようにモータ下限電圧を決定すると、このモータ下限電圧演算処理を終了して、メイン処理フローに戻る。
【０１０２】
図７は、図３のステップＳ５に対応するサブルーチンであり、燃料電池用コントローラ１０により実行される電圧指令演算処理を示すフローチャートである。
【０１０３】
この電圧指令演算処理において、燃料電池用コントローラ１０は、モータ下限電圧演算処理により決定された駆動モータ２のモータ下限電圧と、基準ＦＣ電圧指令演算処理により演算されたＦＣ電圧指令値とを比較する。そして、燃料電池用コントローラ１０は、ＦＣ電圧指令値がモータ下限電圧に所定のマージンαを加えた値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ５０１）。
【０１０４】
ＦＣ電圧指令値がモータ下限電圧＋αよりも大きいと判定した場合には、燃料電池用コントローラ１０は、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７に重畳ＯＮ指令（すなわち、ＡＣ重畳指令）を出力する（ステップＳ５０２）。
【０１０５】
また、燃料電池用コントローラ１０は、ＤＣリンク電圧指令値として、基準ＦＣ電圧指令演算処理のステップＳ２０２において演算した基準ＦＣ電圧指令値をバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７に出力する（ステップＳ５０３）。
【０１０６】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、ＦＣ電圧指令値として、基準ＦＣ電圧指令値に所定のマージンβを加えた値を燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４に出力する（ステップＳ５０４）。そして、燃料電池用コントローラ１０は、この電圧指令演算処理を終了して、メイン処理フローに戻る。
【０１０７】
一方、ステップＳ５０１においてＦＣ電圧指令値がモータ下限電圧＋αよりも大きくないと判定した場合には、燃料電池用コントローラ１０は、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７に重畳ＯＦＦ指令を出力する（ステップＳ５０５）。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ８に交流電圧信号を重畳させていたバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、交流電圧信号の重畳を終了させる。
【０１０８】
また、燃料電池用コントローラ１０は、ＤＣリンク電圧指令値として、基準ＦＣ電圧指令演算処理のステップＳ２０２において演算した基準ＦＣ電圧指令値をバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７に出力する（ステップＳ５０６）。
【０１０９】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、ＦＣ電圧指令値として、基準ＦＣ電圧指令値を燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４に出力する（ステップＳ５０７）。そして、燃料電池用コントローラ１０は、この電圧指令演算処理を終了して、メイン処理フローに戻る。
【０１１０】
ここで、各マージンα、βについて簡単に説明する。ステップＳ５０１の判定ステップにおけるマージンαは、モータ下限電圧演算処理のステップＳ４０３において演算したモータ下限電圧に対するマージンを意味する。
【０１１１】
このマージンαは、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で生成した交流電圧信号を駆動インバータ３の入力電圧に重畳することにより、交流電圧信号の波形の下限値においても、（モータ下限電圧）＞（ＤＣリンク電圧）とならないようにするためのものである。具体的には、このマージンαは、ＤＣリンク電圧の検出誤差、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で重畳させる交流電圧の振幅、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の各スイッチング素子８２、８４のスイッチング動作により発生するリプル電圧成分の振幅などを考慮して、実験等により決定されるものである。これらの検出誤差や電圧振幅のプラス成分とマイナス成分を考慮して、必要に応じて２倍にしたものを加算することにより、マージンαが決定されればよい。
【０１１２】
なお、モータ下限電圧は、駆動モータ２のトルク要求を満たすように、駆動モータ２の回転により発生する誘起電圧を加味して、設定されるものである。
【０１１３】
ステップＳ５０４におけるマージンβは、ステップＳ５０３において燃料電池用コントローラ１０により出力されたＤＣリンク電圧指令値に対するマージンを意味する。このマージンβは、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で生成した交流電圧信号を駆動インバータ３の入力電圧に重畳することにより、交流電圧信号の波形の上限値においても、（ＤＣリンク電圧）＞（燃料電池スタック６の出力電圧）とならないようにするためのものである。
【０１１４】
この理由は、ＤＣリンク電圧が燃料電池スタック６の出力電圧よりも高い場合、ダイオード１００に逆方向バイアスが掛かり、ダイオード１００の性能によっては、なだれ降伏等を起こしてしまうからである。なお、この条件を常に満たすようにするならば、ダイオード１００を設けなくてもよい。
【０１１５】
具体的には、このマージンβは、多相コンバータ５の出力電圧とＤＣリンク電圧との間の検出誤差、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で重畳させる交流電圧の振幅、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の各スイッチング素子８２、８４のスイッチング動作により発生するリプル電圧成分の振幅、多相コンバータ５に電流が流れることによる電圧降下などを考慮して、実験等により決定されるものである。
【０１１６】
なお、ステップＳ５０１の判定から分かるように、このＤＣリンク電圧指令値は、モータ下限電圧＋αよりも高い値である。
【０１１７】
図８は、図３のステップＳ６に対応するサブルーチンであり、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４により実行されるＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を示すフローチャートである。
【０１１８】
このＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理において、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、電圧センサ６２、６５により、燃料電池スタック６の出力電圧と、多相コンバータ５の出力電圧、すなわち、ＤＣリンク電圧とを検出する（ステップＳ６０１）。
【０１１９】
そして、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、燃料電池用コントローラ１０から入力されたＦＣ電圧指令値と、検出した燃料電池スタック６の出力電圧値とに基づいて、燃料電池スタック６の出力電圧の電圧偏差を算出する（ステップＳ６０２）。この電圧偏差は、ＦＣ電圧指令値と燃料電池スタック６の検出した出力電圧値との差に基づいて求められる。
【０１２０】
次いで、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、ステップＳ６０２で算出した燃料電池スタック６の電圧偏差に基づいて、燃料電池スタック６の出力電圧（すなわち、多相コンバータ５の入出力の電圧比）に対して、ＰＩ制御に基づく電圧フィードバック制御を行う（ステップＳ６０３）。
【０１２１】
次いで、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、ＤＣリンク電圧と、フィードバック制御したＦＣ電圧指令値とに基づいて、昇圧スイッチ（下段）のＤＵＴＹ比を決定するとともに（ステップＳ６０４）、このように決定した昇圧スイッチ（下段）のＤＵＴＹ比と、無駄時間補正とに基づいて、降圧スイッチ（上段）のＤＵＴＹ比を決定する（ステップＳ６０５）。
【０１２２】
次いで、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、ステップＳ６０４、Ｓ６０５で決定した昇圧ＤＵＴＹ比及び降圧ＤＵＴＹ比から、各スイッチング素子５１Ｕ〜５１Ｗ、５３Ｕ〜５３Ｗに出力すべきＰＷＭ信号に変換・生成する（ステップＳ６０６）。そして、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、これらのＰＷＭ信号を対応するスイッチング素子５１Ｕ〜５１Ｗ、５３Ｕ〜５３Ｗに出力して、このＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を終了して、メイン処理フローに戻る。
【０１２３】
図９は、図３のステップＳ７に対応するサブルーチンであり、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７により実行されるバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を示すフローチャートである。
【０１２４】
このバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理において、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、まず、電圧センサ６７、６９により、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力電圧、すなわち、ＤＣリンク電圧と、バッテリ２０の出力電圧とを検出する（ステップＳ７０１）。
【０１２５】
そして、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、ＤＣリンク電圧指令値と、検出したＤＣリンク電圧値とに基づいて、ＤＣリンク電圧の電圧偏差を算出する（ステップＳ７０２）。この電圧偏差は、ＤＣリンク電圧指令値と検出したＤＣリンク電圧値との差に基づいて求められる。
【０１２６】
次いで、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、ステップＳ７０２で算出されたＤＣリンク電圧の電圧偏差に基づいて、ＤＣリンク電圧（すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の入出力の電圧比）に対して、ＰＩ制御に基づく電圧フィードバック制御を行う（ステップＳ７０３）。
【０１２７】
次いで、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、バッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８に対するＡＣ重畳指令がＯＮとなっているか否かを判定する（ステップＳ７０４）。そして、ＡＣ重畳指令がＯＮとなっていないと判定すると、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、ＡＣ重畳の処理を行うことなく、ステップＳ７０６に移行する。
【０１２８】
一方、ＡＣ重畳指令がＯＮとなっていると判定すると、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、燃料電池スタック６の内部インピーダンス測定用の交流電圧信号を生成するためのＡＣ重畳指令値をステップＳ７０３で決定されたフィードバック制御したＤＣリンク電圧指令値に加算する（ステップＳ７０５）。
【０１２９】
次いで、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、バッテリ２０の出力電圧と、フィードバック制御したＤＣリンク電圧指令値とに基づいて、昇圧スイッチ（下段）のＤＵＴＹ比を決定する（ステップＳ７０６）。具体的には、バッテリ２０の出力電圧値をフィードバック制御したＤＣリンク電圧指令値で除算し、１から減算した値の逆数が昇圧スイッチ（下段）のＤＵＴＹ比となる。
【０１３０】
次いで、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、このように決定した昇圧スイッチ（下段）のＤＵＴＹ比と、無駄時間補正とに基づいて、降圧スイッチ（上段）のＤＵＴＹ比を決定する（ステップＳ７０７）。具体的には、ステップＳ７０６で決定した昇圧スイッチ（下段）のＤＵＴＹ比と無駄時間補正値とを１から減算した値が降圧スイッチ（上段）のＤＵＴＹ比となる。
【０１３１】
次いで、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、ステップＳ７０６、Ｓ７０７で決定した昇圧ＤＵＴＹ比及び降圧ＤＵＴＹ比から、スイッチング素子８２、８４に出力すべきＰＷＭ信号に変換・生成する（ステップＳ７０８）。そして、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、このＰＷＭ信号をスイッチング素子８２、８４に出力して、このバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を終了して、メイン処理フローに戻る。
【０１３２】
図１０は、図３のステップＳ８に対応するサブルーチンであり、燃料電池用コントローラ１０により実行されるＦＣインピーダンス演算処理を示すフローチャートである。
【０１３３】
このＦＣインピーダンス演算処理において、燃料電池用コントローラ１０は、電流センサ６１により燃料電池スタック６の出力電流を計測するとともに（ステップＳ８０１）、電圧センサ６２により燃料電池スタック６の出力電圧を計測する（ステップＳ８０２）。
【０１３４】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、ステップＳ８０１、Ｓ８０２で計測した出力電流値及び出力電圧値の１ｋＨｚ近傍の成分を逆ノッチフィルタにより抽出し、１ｋＨｚにおける交流電流値及び交流電圧値を算出する（ステップＳ８０３）。なお、逆ノッチフィルタは、図１１に示すように、通過帯域中心が１ｋＨｚに設定された周波数−振幅特性を有するフィルタである。図１１は、ＦＣインピーダンス演算処理において用いられる逆ノッチフィルタの周波数−振幅特性を示す図である。
【０１３５】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、ステップＳ８０３で抽出した逆ノッチフィルタ通過後の交流電流の絶対値を１００ｍ秒間積算し、電流積算値を演算するとともに（ステップＳ８０４）、ステップＳ８０３で抽出した逆ノッチフィルタ通過後の交流電圧の絶対値を１００ｍ秒間積算し、電圧積算値を演算する（ステップＳ８０５）。
【０１３６】
次いで、燃料電池用コントローラ１０は、ステップＳ８０４、Ｓ８０５で得られた電圧積算値を電流積算値で除算して、燃料電池スタック６の内部インピーダンスを演算し（ステップＳ８０６）、このＦＣインピーダンス演算処理を終了して、メイン処理フローに戻る。
【０１３７】
なお、ＦＣインピーダンス演算処理は、燃料電池用コントローラ１０のインピーダンス算出部１１により実行される。そして、算出されたインピーダンスは、後段の湿潤状態推定部１３に出力され、燃料電池スタック６内の湿潤状態を推定するために用いられる。また、算出されたインピーダンスは、電圧制御部１４にも出力される。
【０１３８】
以上説明したように、本実施形態の電力調整システム１は、負荷となる駆動モータ２（駆動インバータ３を含む）に接続される燃料電池スタック６（燃料電池）と、燃料電池スタック６と駆動インバータ３の間に接続され、燃料電池スタック６の出力電圧を所定の要求電圧比で変換する燃料電池スタック６用のＤＣ／ＤＣコンバータ（多相コンバータ）５と、駆動モータ２に対して燃料電池スタック６と並列に接続され、燃料電池スタック６とは異なる電力供給源である高圧バッテリ（二次電池）２０と、バッテリ２０と駆動インバータ３の間に接続され、バッテリ２０の出力電圧を所定の要求電圧比で変換するバッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８と、を備えている。また、本実施形態の電力調整システム１には、燃料電池スタック６用の多相コンバータ５をバイパスして、燃料電池スタック６と駆動インバータ３とを連結する電流バイパス経路が設けられる。そして、本実施形態の電力調整システム１は、多相コンバータ５及びＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力側に、バッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８により生成された交流電圧信号を印加する交流電圧印加部として機能する電圧制御部１４と、電圧制御部１４により交流電圧信号を印加した際の所定の物理量（本実施形態では、交流電圧信号の印加時における燃料電池スタック６の出力電流及び出力電圧の１ｋＨｚ近傍の各交流成分）に基づいて、燃料電池スタック６の内部状態を推定する内部状態推定部として機能するインピーダンス算出部１１及び湿潤状態推定部１３と、を備えている。本実施形態の電力調整システム１は、電流バイパス経路を設けた構成を備えているので、以下のような作用・効果を奏する。
【０１３９】
すなわち、多相コンバータ５により燃料電池スタック６の出力電圧を昇圧していない場合であって、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ８により調整されるＤＣリンク電圧が燃料電池スタック６の出力電圧よりも低い場合には、この電流バイパス経路を通過して、燃料電池スタック６の出力電流の一部が流れることになる。このような状況において、バッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８のスイッチング素子８２、８４のスイッチング動作によって、燃料電池スタック６の内部インピーダンス測定用の交流電圧信号を生成することができる。この場合、燃料電池スタック６用の多相コンバータ５は、燃料電池スタック６の出力電圧を昇圧していないので、駆動インバータ３に大きな交流電圧を印加することなく、電量電池スタック６の内部インピーダンスを測定することができる。これにより、燃料電池スタック６用の多相コンバータ５に過大な負荷が掛かることがないので、多相コンバータ５の発熱を抑制（低減）することができる。
【０１４０】
本実施形態の電力調整システム１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８によりＤＣリンク電圧に交流電圧信号を印加しない場合に負荷となる駆動モータ２（駆動インバータ３）に印加すべき供給電圧よりも燃料電池スタック６用のＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力側の電圧、すなわち、ＤＣリンク電圧を所定圧βだけ低く設定するように構成している。具体的には、本実施形態では、燃料電池用コントローラ１０の電圧制御部１４は、交流電圧信号を印加する前に設定されたＤＣリンク電圧指令値よりもマージンβだけ低くなるように、交流電圧信号印加時のＤＣリンク電圧指令値を設定している。本実施形態では、電力調整システム１をこのように構成することにより、簡単な制御により、電流バイパス経路に逆向きの電流が流れないようにすることができる。例えば、燃料電池スタック６の内部インピーダンスを計測するためにＤＣ／ＤＣコンバータ８により交流電圧信号を生成する場合には、燃料電池用コントローラ１０が各ＤＣ／ＤＣコンバータ５、８の状態、駆動モータ２の要求電力、燃料電池スタック６の運転状態などを把握し、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４及びバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７に対して適切な制御信号を出力しなければならない。しかしながら、ＤＣリンク電圧を所定圧βだけ低く設定することにより、他の詳細な制御を行うことなく、電流バイパス経路における電流の逆流を効果的に防止することができる。
【０１４１】
本実施形態の電力調整システム１では、電流バイパス経路上に、駆動インバータ３から燃料電池スタック６への電流の流れを遮断する電流方向遮断部が設けられている。この電流方向遮断部により、多相コンバータ５の昇圧時には、多相コンバータ５の出力側、すなわち、駆動インバータ３の入力側から燃料電池スタック６に電流が逆流することがない。そのため、このような状況において、燃料電池スタック６の発電効率や駆動モータ２を駆動させる効率（いわゆる燃費）をできる限り無駄にすることはない。
【０１４２】
また、本実施形態の電力調整システム１では、電流方向遮断部はダイオードから構成されればよい。これにより、スイッチング素子などの能動素子を用いることなく、安価な受動素子のみで電流遮断を実現可能となる。
【０１４３】
(比較例)
次に、本発明をより確実に理解するために、第１実施形態の電力調整システムの比較例を簡単に説明する。
【０１４４】
上記第１実施形態では、多相コンバータ５をバイパスするための電流バイパス経路を設け、この電流バイパス経路上にダイオード１００を配置していた。本比較例では、図１２に示すように、この電流バイパス経路とダイオード１００とを省略している。
【０１４５】
図１２は、本発明の比較例における燃料電池用の電力調整システム１’の全体構成を示す図である。図１２に示す各部は、第１実施形態と同様の構成を有するものについては同じ符号を付し、それらについての詳細な説明を省略する。
【０１４６】
本比較例の電力調整システム１’は、図１２に示すように、多相コンバータ５をバイパスするための電流バイパス経路を設けていない。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で生成し、ＤＣリンク電圧に重畳した交流電力信号は、高インピーダンスの多相コンバータ５を介して、燃料電池スタック６に印加される。そのため、多相コンバータ５による電圧降下分を考慮して、交流電力信号の振幅を大きく設定する必要がある。
【０１４７】
図１３は、本発明の比較例におけるバッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８で生成される交流電圧信号の波形を示す図である。図１３の下段側（ｂ）には、本比較例の電力調整システム１’のＤＣ／ＤＣコンバータ８で生成された交流電圧信号（ＤＣリンク電圧側の交流電圧信号）を示し、図１３の上段側（ａ）には、生成した交流電圧信号が多相コンバータ５を通過した後の交流電圧信号（通過後）、すなわち、燃料電池スタック６に印加される交流電圧信号（ＦＣ電圧側の交流電圧信号）を示す。
【０１４８】
上述の第１実施形態では、電流バイパス経路のダイオード１００を設けていた。交流電圧に対するダイオード１００のインピーダンスは、多相コンバータ５のインピーダンスに比べて十分に小さい。そのため、多相コンバータ５をバイパスするための電流バイパス経路を設けた場合には、交流電圧信号は、この電流バイパス経路を通過して燃料電池スタック６に印加される。したがって、ＤＣリンク電圧側の交流電圧信号を所望のＦＣ電圧の交流電圧信号と同程度の振幅に設定することができる。
【０１４９】
一方、比較例の電力調整システム１’では、多相コンバータ５をバイパスするための電流バイパス経路を設けていないので、図１３に示すように、ＤＣリンク電圧側の交流電圧信号の振幅をＦＣ電圧側の交流電圧信号の約５倍〜１０倍程度に設定する必要がある。この倍率は、多相コンバータ５の性能などにより決定されるものである。
【０１５０】
そのため、上述の第１実施形態の電力調整システム１に比べると、比較例の電力調整システム１’では、多相コンバータ５に比較的大きな交流電圧が印加されてしまい、多相コンバータ５の発熱の原因となってしまう。
【０１５１】
このように、上述の第１実施形態の電力調整システム１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８で交流電圧信号を生成する場合において、交流電圧信号の振幅を大きくする必要がないので、多相コンバータ５の発熱を効果的に防止することができる。
【０１５２】
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について、第１実施形態との相違点を主として説明する。なお、電力調整システム１の全体構成は同様であるので、図１を用いて説明し、燃料電池用コントローラ１０の機能的構成については、図１４を用いて説明する。
【０１５３】
上記第１実施形態では、多相コンバータ５をバイパスするための電流バイパス経路を設け、この電流バイパス経路上にダイオード１００を配置するとともに、燃料電池スタック６の内部インピーダンスを算出するための交流電圧信号（ＡＣ重畳信号）をバッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８で生成していた。本実施形態では、負荷となる駆動モータ２の要求トルクや燃料電池スタック６の運転状態などに基づいて、燃料電池スタック６用のＤＣ／ＤＣコンバータ（多相コンバータ）５と、バッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８とを切り換えて、燃料電池スタック６の内部インピーダンスを算出するための交流電圧信号（ＡＣ重畳信号）を生成するものである。
【０１５４】
図１４は、本発明の第２実施形態における燃料電池用コントローラ１０’の機能的構成を示すブロック図である。図１４に示す各部は、第１実施形態と同様の構成を有するものについては同じ符号を付し、それらについての詳細な説明を省略する。
【０１５５】
本実施形態の燃料電池用コントローラ１０’は、上述の第１実施形態の燃料電池用コントローラ１０とは異なり、コンバータ切換部１５をさらに備え、このコンバータ切換部１５により、交流電圧信号を生成するコンバータを多相コンバータ５とＤＣ／ＤＣコンバータ８との間で切り換えている。以下では、これらの相違点を詳細に説明する。
【０１５６】
コンバータ切換部１５には、インピーダンス算出部１１により算出された燃料電池スタック６の内部インピーダンスが入力されるとともに、電圧制御部１４を介して駆動モータ２の駆動情報とＦＣ電圧指令値及びＤＣリンク電圧指令値が入力される。
【０１５７】
コンバータ切換部１５は、これらの入力情報に基づいて、燃料電池スタック６用の多相コンバータ５とバッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８とを切り換える。具体的には、上述の第１実施形態と同様の状況、すなわち、多相コンバータ５が燃料電池スタック６の出力電圧を昇圧していない場合には、コンバータ切換部１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８に切り換える。
【０１５８】
一方、多相コンバータ５が燃料電池スタック６の出力電圧を昇圧している場合には、コンバータ切換部１５は、多相コンバータ５に切り換える。そして、本実施形態では、コンバータ切換部１５により多相コンバータ５に切り換えられている場合には、多相コンバータ５のスイッチング素子５１Ｕ〜５１Ｗ、５３Ｕ〜５３Ｗを用いて、燃料電池スタック６の内部インピーダンス測定用の交流電圧信号が生成される。
【０１５９】
次に、本実施形態における電力調整システム１’の動作を説明する。なお、図３に示す第１実施形態における電力調整システム１の全体制御フローについては、本実施形態においても同様であるため、その図示及び説明を省略する。以下、図３のサブルーチンを示す各フローチャートのうち、第１実施形態と異なるフローチャートについて詳細に説明する。
【０１６０】
図１５は、第２実施形態における燃料電池用コントローラ１０’により実行される電圧指令演算処理を示すフローチャートである。本実施形態では、燃料電池スタック６の運転状況等に基づいて、コンバータ切換部１５によりＤＣ／ＤＣコンバータ５、８が切り換えられ、切り換えられたコンバータ５、８により、燃料電池スタック６の内部インピーダンス測定用の交流電圧信号が生成される。
【０１６１】
この電圧指令演算処理において、燃料電池用コントローラ１０’は、まず、第１実施形態の図６に示すモータ下限電圧演算処理により決定された駆動モータ２のモータ下限電圧と、第１実施形態の図５に示す基準ＦＣ電圧指令演算処理により演算されたＦＣ電圧指令値とを比較する。そして、燃料電池用コントローラ１０’は、ＦＣ電圧指令値がモータ下限電圧に所定のマージンαを加えた値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ５０１）。
【０１６２】
ＦＣ電圧指令値がモータ下限電圧＋αよりも大きいと判定した場合には、燃料電池用コントローラ１０’は、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４に重畳ＯＦＦ指令を出力するとともに（ステップＳ９０１）、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７に重畳ＯＮ指令（すなわち、ＡＣ重畳指令）を出力する（ステップＳ５０２）。これにより、多相コンバータ５に交流電圧信号を重畳させていた燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、交流電圧信号の重畳を終了させる。
【０１６３】
次いで、燃料電池用コントローラ１０’は、ＤＣリンク電圧指令値として、基準ＦＣ電圧指令演算処理のステップＳ２０２において演算した基準ＦＣ電圧指令値をバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７に出力する（ステップＳ５０３）。
【０１６４】
次いで、燃料電池用コントローラ１０’は、ＦＣ電圧指令値として、基準ＦＣ電圧指令値に所定のマージンβを加えた値を燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４に出力する（ステップＳ５０４）。そして、燃料電池用コントローラ１０’は、この電圧指令演算処理を終了して、メイン処理フローに戻る。
【０１６５】
一方、ステップＳ５０１においてＦＣ電圧指令値がモータ下限電圧＋αよりも大きくないと判定した場合には、燃料電池用コントローラ１０’は、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４に重畳ＯＮ指令（すなわち、ＡＣ重畳指令）を出力するとともに（ステップＳ９０２）、バッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７に重畳ＯＦＦ指令を出力する（ステップＳ５０５）。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ８に交流電圧信号を重畳させていたバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７は、交流電圧信号の重畳を終了させる。
【０１６６】
また、燃料電池用コントローラ１０’は、ＤＣリンク電圧指令値として、基準ＦＣ電圧指令演算処理のステップＳ２０２において演算した基準ＦＣ電圧指令値に所定のマージンγを加えた値をバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ７に出力する（ステップＳ９０３）。
【０１６７】
次いで、燃料電池用コントローラ１０’は、ＦＣ電圧指令値として、基準ＦＣ電圧指令値を燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４に出力する（ステップＳ５０７）。そして、燃料電池用コントローラ１０’は、この電圧指令演算処理を終了して、メイン処理フローに戻る。
【０１６８】
ここで、マージンγについて簡単に説明する。ステップＳ９０３におけるマージンγは、ステップＳ５０７において燃料電池用コントローラ１０’により出力されたＦＣ電圧指令値に対するマージンを意味する。このマージンγは、多相コンバータ５で生成した交流電圧信号を駆動インバータ３の入力電圧に重畳することにより、交流電圧信号の波形の下限値においても、（ＤＣリンク電圧）＜（燃料電池スタック６の出力電圧）とならないようにするためのものである。
【０１６９】
この理由は、ＤＣリンク電圧が燃料電池スタック６の出力電圧よりも低い場合、それ以上多相コンバータ５により燃料電池スタック６の出力電圧を昇圧することができなくなり、交流電圧信号の重畳が不十分な状態となってしまうからである。
【０１７０】
具体的には、このマージンγは、燃料電池スタック６の出力電圧とＤＣリンク電圧との間の検出誤差、多相コンバータ５で重畳させる交流電圧の振幅、多相コンバータ５の各スイッチング素子５１Ｕ〜５１Ｗ、５３Ｕ〜５３Ｗのスイッチング動作により発生するリプル電圧成分の振幅などを考慮して、実験等により決定されるものである。
【０１７１】
なお、その他のマージンα、βは、上述の第１実施形態における各マージンα、βと同一のものであるので、ここでの説明は省略する。
【０１７２】
図１６は、図３のステップＳ６に対応するサブルーチンであり、本実施形態における燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４により実行されるＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を示すフローチャートである。
【０１７３】
このＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理において、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、電圧センサ６２、６５により、燃料電池スタック６の出力電圧と、多相コンバータ５の出力電圧、すなわち、ＤＣリンク電圧とを検出する（ステップＳ６０１）。
【０１７４】
次いで、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、燃料電池用コントローラ１０’から入力されたＦＣ電圧指令値と、検出した燃料電池スタック６の出力電圧値とに基づいて、燃料電池スタック６の出力電圧の電圧偏差を算出する（ステップＳ６０２）。この電圧偏差は、ＦＣ電圧指令値と燃料電池スタック６の検出した出力電圧値との差に基づいて求められる。
【０１７５】
次いで、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、ステップＳ６０２で算出した燃料電池スタック６の電圧偏差に基づいて、燃料電池スタック６の出力電圧（すなわち、多相コンバータ５の入出力の電圧比）に対して、ＰＩ制御に基づく電圧フィードバック制御を行う（ステップＳ６０３）。
【０１７６】
次いで、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、多相コンバータ５に対するＡＣ重畳指令がＯＮとなっているか否かを判定する（ステップＳ１００１）。そして、ＡＣ重畳指令がＯＮとなっていないと判定すると、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、ＡＣ重畳の処理を行うことなく、ステップＳ６０４に移行する。
【０１７７】
一方、ＡＣ重畳指令がＯＮとなっていると判定すると、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、燃料電池スタック６の内部インピーダンス測定用の交流電圧信号を生成するためのＡＣ重畳指令値をステップＳ６０３で決定されたフィードバック制御した燃料電池スタック６の出力電圧指令値に加算する（ステップＳ１００２）。
【０１７８】
次いで、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、ＤＣリンク電圧と、フィードバック制御したＦＣ電圧指令値とに基づいて、昇圧スイッチ（下段）のＤＵＴＹ比を決定するとともに（ステップＳ６０４）、このように決定した昇圧スイッチ（下段）のＤＵＴＹ比と、無駄時間補正とに基づいて、降圧スイッチ（上段）のＤＵＴＹ比を決定する（ステップＳ６０５）。
【０１７９】
次いで、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、ステップＳ６０４、Ｓ６０５で決定した昇圧ＤＵＴＹ比及び降圧ＤＵＴＹ比から、各スイッチング素子５１Ｕ〜５１Ｗ、５３Ｕ〜５３Ｗに出力すべきＰＷＭ信号に変換・生成する（ステップＳ６０６）。そして、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４は、これらのＰＷＭ信号を対応するスイッチング素子５１Ｕ〜５１Ｗ、５３Ｕ〜５３Ｗに出力して、このＦＣ用ＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を終了して、メイン処理フローに戻る。
【０１８０】
以上説明したように、本実施形態の電力調整システム１’は、上述の第１実施形態と同様に、負荷となる駆動モータ２（駆動インバータ３を含む）に接続される燃料電池スタック６（燃料電池）と、燃料電池スタック６と駆動インバータ３の間に接続され、燃料電池スタック６の出力電圧を所定の要求電圧比で変換する燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ（多相コンバータ）５と、駆動モータ２に対して燃料電池スタック６と並列に接続され、燃料電池スタック６とは異なる電力供給源である高圧バッテリ（二次電池）２０と、バッテリ２０と駆動インバータの間に接続され、バッテリ２０の出力電圧を所定の要求電圧比で変換するバッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８と、を備えている。また、本実施形態の電力調整システム１’には、燃料電池スタック６用の多相コンバータ５をバイパスして、燃料電池スタック６と駆動インバータ３とを連結する電流バイパス経路が設けられる。そして、本実施形態の電力調整システム１’は、多相コンバータ５及びＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力側に、バッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８により生成された交流電圧信号を印加する交流電圧印加部として機能する電圧制御部１４と、電圧制御部１４により交流電圧信号を印加した際の所定の物理量（本実施形態では、交流電圧信号の印加時における燃料電池スタック６の出力電流及び出力電圧の１ｋＨｚ近傍の各交流成分）に基づいて、燃料電池スタック６の内部状態を推定する内部状態推定部として機能するインピーダンス算出部１１及び湿潤状態推定部１３と、を備えている。また、本実施形態の電力調整システム１’は、燃料電池スタック６の運転状態及び駆動モータ２の要求電力に応じて、燃料電池スタック６用の多相コンバータ５とバッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８とを切り換えるコンバータ切換部１５をさらに備え、交流電圧印加部としての電圧制御部１４は、コンバータ切換部１５により切り換えられた多相コンバータ５又はＤＣ／ＤＣコンバータ８を駆動制御することにより、多相コンバータ５の出力側に交流電圧信号を印加するように構成している。すなわち、本実施形態では、多相コンバータ５により昇圧された多相コンバータ５の出力電圧に多相コンバータ５により生成した交流電圧信号を重畳させることにより、燃料電池用コントローラ１０’内のインピーダンス算出部１１に燃料電池スタック６の内部インピーダンスを算出させるようにしている。
【０１８１】
本実施形態の電力調整システム１’は、このように構成しているので、上述の第１実施形態の電力調整システム１により得られる効果に加えて、必要に応じて、多相コンバータ５とＤＣ／ＤＣコンバータ８とを切り換えて、燃料電池スタック６の内部インピーダンス測定用の交流電圧信号を生成することができる。これにより、いずれか一方のＤＣ／ＤＣコンバータ５、８のみを用いる場合に比べて、各ＤＣ／ＤＣコンバータ５、８の発熱を低減することができる。
【０１８２】
本実施形態の電力調整システム１’では、コンバータ切換部１５によりバッテリ２０用のＤＣ／ＤＣコンバータ８に切り換えられているときには、交流電圧信号の印加前に負荷である駆動モータ２（駆動インバータ３）に印加すべき供給電圧よりも燃料電池スタック６用の多相コンバータ５の出力側の電圧、すなわち、ＤＣリンク電圧を所定圧βだけ低く設定するように構成される。これにより、第１実施形態の場合と同様に、簡単な制御により、電流バイパス経路に逆向きの電流が流れないようにすることができる。
【０１８３】
本実施形態の電力調整システム１’では、燃料電池スタック６用の多相コンバータ５が燃料電池スタック６の出力電圧を昇圧している場合には、コンバータ切換部１５は、燃料電池スタック６用の多相コンバータ５に切り換えるように構成される。多相コンバータ５が昇圧動作を行っている場合には、それに合わせて交流電圧信号を生成することができるので、燃料電池スタック６の出力端子に近い多相コンバータ５により交流電圧信号の重畳を行うのが有利である。また、多相コンバータ５の昇圧動作時に、多相コンバータ５によりＡＣ重畳を行うことにより、燃料電池スタック６に印加される交流電圧に対して、駆動インバータ３に印加される交流電圧を小さくすることができる。これにより、駆動モータ２及び駆動インバータ３への供給電圧の変動を効果的に抑制することができる。
【０１８４】
本実施形態の電力調整システム１’では、コンバータ切換部１５により燃料電池スタック６用の多相コンバータ５に切り換えられているときには、交流電圧信号の印加前に負荷である駆動モータ２（駆動インバータ３）に印加すべき供給電圧よりも燃料電池スタック６用の多相コンバータ５の出力側の電圧、すなわち、ＤＣリンク電圧を所定圧γだけ高く設定するように構成される。これにより、簡単な制御により、燃料電池スタック６の昇圧を行うタイプの電力調整システムにおいて本発明の構成を実現することができる。
【０１８５】
例えば、燃料電池スタック６の出力電圧の昇圧時に、燃料電池スタック６の内部インピーダンスを計測するために多相コンバータ５により交流電圧信号を生成する場合には、燃料電池用コントローラ１０’が各ＤＣ／ＤＣコンバータ５、８の状態、駆動モータ２の要求電力、燃料電池スタック６の運転状態などを把握し、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ４及びバッテリ用ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラに対して適切な制御信号を出力しなければならない。しかしながら、ＤＣリンク電圧を所定圧γだけ高く設定することにより、他の詳細な制御を行うことなく、燃料電池スタック６の内部インピーダンス測定用の交流電圧信号を多相コンバータ５に生成させ、ＤＣリンク電圧に十分に重畳させることができる。
【０１８６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１８７】
上述の第１及び第２実施形態では、燃料電池スタック６の出力電圧を昇圧させるためのＤＣ／ＤＣコンバータとして多相コンバータ５を用いた場合を説明したが、本発明はこれに限らない。スイッチング素子による交流電圧信号の生成が可能である限り、燃料電池スタック６用のコンバータとしてＤＣ／ＤＣコンバータ８のような単相のコンバータが用いられてもよい。
【０１８８】
また、それとは逆に、スイッチング素子による交流電圧信号の生成が可能である限り、バッテリ２０の出力電圧を昇圧させるためのＤＣ／ＤＣコンバータ８が多相コンバータから構成されてもよい。
【０１８９】
また、上述の第１及び第２実施形態では、燃料電池用コントローラ１０、１０’がインピーダンス算出要求部１２を備えるように構成されていた。しかしながら、本発明は、このような構成に限らず、インピーダンス算出要求部１２を省略してもよい。この場合、インピーダンス算出部１１は、燃料電池スタック６の運転状態に依存せず、燃料電池スタック６の内部インピーダンスを常時に算出してもよく、適当な時間間隔で算出してもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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