(57)【要約】      （修正有）【課題】低温対策処理を施すことでソフトスイッチングコンバータの動作性能を十分に生かすことが可能なコンバータ制御装置を提供する。【解決手段】コントローラは、温度センサから送られる信号に基づき、ＥＶ素子温度Ｔｅｖを検知する（ステップＳ１）。コントローラは、ＥＶ素子温度Ｔｅｖが切換閾値温度Ｔｔｈ１を下回っていると判断すると、補助回路の第２スイッチング素子を常時オフとしてハードスイッチ制御を開始する（ステップＳ２→ステップＳ３）。一方、コントローラは、ＥＶ素子温度Ｔｅｖが切換閾値温度Ｔｔｈ１以上であると判断すると（ステップＳ２；ＮＯ）、ソフトスイッチング制御を開始する（ステップＳ４）。【選択図】図１３
2011019337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の出力を制御する主昇圧回路と補助回路とを備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、
前記ソフトスイッチングコンバータを構成する素子の関連温度を検知する温度センサと、
前記主昇圧回路を用いたハードスイッチングと前記主昇圧回路と前記補助回路を用いたソフトスイッチングとの切換を行い、前記関連温度が設定閾値以下である場合に前記ハードスイッチングに切換を行うスイッチング切換手段と、
前記ハードスイッチング及び前記ソフトスイッチングのスイッチング制御を行うスイッチング制御手段と
を具備する、ソフトスイッチングコンバータの制御装置。
【請求項２】
前記ソフトスイッチコンバータについて前記ハードスイッチングのスイッチング制御が行われている状態において、前記燃料電池について供給される反応ガスが通常発電時に比して少なく、かつ、前記通常発電に比して電力損失が大きい低効率発電が行われているか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段によって肯定的な判断結果が得られた場合に、前記燃料電池の出力電力を一定に保ったまま、前記燃料電池の出力電流を所定量だけ低減するように、前記燃料電池の運転動作点を制御する動作点制御手段とをさらに具備する、請求項１に記載のソフトスイッチングコンバータの制御装置。
【請求項３】
前記判断手段は、前記燃料電池について低効率発電が行われ、かつ、ソフトスイッチコンバータを構成する素子の素子温度が規定温度以上となったか否かを判断する、請求項２に記載のソフトスイッチングコンバータの制御装置。
【請求項４】
前記主昇圧回路は、
一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、
カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、
一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された主スイッチと、
前記第一ダイオードのアノードと前記燃料電池の低電位側の端子に接続された平滑コンデンサとを備え、
前記補助回路は、
前記主昇圧回路を構成する主スイッチに並列に接続された補助スイッチと、
前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記燃料電池の高電位側の端子と低電位側の端子に接続された、クランプダイオードとスナバコンデンサとが直列接続された第一直列接続体とを備える、請求項１〜３に記載のソフトスイッチングコンバータの制御装置。
【請求項５】
前記補助回路は、
前記クランプダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と、前記主コイルの一端との間に接続された、ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとが直列接続された第二直列接続体をさらに備える、請求項４に記載のソフトスイッチングコンバータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の出力電圧を制御するコンバータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載される燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電能力を超える急な負荷の変化等に対応するため、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システムが種々提案されている。
【０００３】
ハイブリッド型の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電圧やバッテリの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで制御している。このような制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータとしては、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等のスイッチング素子をＰＷＭ動作させて電圧の変換を行う形式のものが広く利用されている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電子機器の省電力化、小型化及び高性能化に伴い、一層の低損失、高効率及び低ノイズ化が望まれており、特に、ＰＷＭ動作に伴うスイッチング損失やスイッチングサージの低減が望まれている。
【０００４】
このようなスイッチング損失、スイッチングサージを低減させる技術のひとつにソフトスイッチング技術がある。ここで、ソフトスイッチングは、ＺＶＳ(Zero Voltage Switching)又はＺＣＳ(Zero Current Switching)を実現するためのスイッチング方式であり、パワー半導体デバイスのスイッチング損失やそれに与えるストレスが低い。これに対してパワー半導体デバイスの持つスイッチング機能により電圧・電流を直接ターンオン・オフするスイッチング方式はハードスイッチングと称されている。以下の記述においてはＺＶＳ／ＺＣＳの双方もしくはその一方が実現されている方式をソフトスイッチング、それ以外をハードスイッチングという。
【０００５】
ソフトスイッチングは、例えばインダクタ、スイッチング素子、ダイオードなどを備えた昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ（主昇圧回路）に、スイッチング損失を低減するための補助回路を付加したもの（いわゆるソフトスイッチングコンバータ）によって実現される（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１０２４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１８は、ソフトスイッチングコンバータを構成する素子の耐圧と素子温度の関係を例示した図であり、図１９は、ソフトスイッチングコンバータの昇圧電圧と温度の関係を示した図である。
図１８に示すように、素子温度が低いほど、ソフトスイッチングコンバータを構成する素子の耐圧も低くなる。このため、ソフトスイッチングコンバータの昇圧電圧（すなわち、ソフトスイッチコンバータの出力電圧）も、素子の耐圧を超えないように、素子温度範囲ごとに設定している（図１９参照）。
【０００８】
しかしながら、ソフトスイッチングコンバータの動作効率の観点からは、昇圧電圧を下げてソフトスイッチコンバータを動作させること（別言すれば、動作性能を下げた状態でソフトスイッチングコンバータを利用すること）は好ましいことではない。
現状では、特に昇温対策をすることなく、ソフトスイッチングコンバータの利用による素子温度の上昇にあわせて昇圧電圧を切り換えているが（例えば図１９に示す昇圧電圧Ｖｕ２→昇圧電圧Ｖｕ１）、かかる態様では、ソフトスイッチングコンバータの動作性能を十分に生かせない、という問題があった。
【０００９】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、低温対策処理を施すことでソフトスイッチングコンバータの動作性能を十分に生かすことが可能なコンバータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係るコンバータ制御装置は、燃料電池の出力を制御する主昇圧回路と補助回路とを備えたソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、前記ソフトスイッチングコンバータを構成する素子の関連温度を検知する温度センサと、前記主昇圧回路を用いたハードスイッチングと前記主昇圧回路と前記補助回路を用いたソフトスイッチングとの切換を行い、前記関連温度が設定閾値以下である場合に前記ハードスイッチングに切換を行うスイッチング切換手段と、前記ハードスイッチング及び前記ソフトスイッチングのスイッチング制御を行うスイッチング制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、ソフトスイッチングコンバータを構成する素子の関連温度が設定閾値以下（例えば−２℃など）である場合に、低温対策制御として、ソフトスイッチングコンバータの制御をソフトスイッチングからハードスイッチングに切り換える。かかる切換により、ソフトスイッチングコンバータの動作性能は一時的に落ちるものの、スイッチング損失を増大させ、素子温度を急速昇温させることができるため、ソフトスイッチングコンバータの動作性能を十分に生かすことを可能とする。
【００１２】
ここで、上記構成にあっては、前記ソフトスイッチコンバータについて前記ハードスイッチングのスイッチング制御が行われている状態において、前記燃料電池について供給される反応ガスが通常発電時に比して少なく、かつ、前記通常発電に比して電力損失が大きい低効率発電が行われているか否かを判断する判断手段と、前記判断手段によって肯定的な判断結果が得られた場合に、前記燃料電池の出力電力を一定に保ったまま、前記燃料電池の出力電流を所定量だけ低減するように、前記燃料電池の運転動作点を制御する動作点制御手段とをさらに具備する態様が好ましい。
【００１３】
また、上記構成にあっては、前記判断手段は、前記燃料電池について低効率発電が行われ、かつ、ソフトスイッチコンバータを構成する素子の素子温度が規定温度以上となったか否かを判断する態様が好ましい。
【００１４】
さらにまた、上記構成にあっては、前記主昇圧回路は、一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された主スイッチと、前記第一ダイオードのアノードと前記燃料電池の低電位側の端子に接続された平滑コンデンサとを備え、前記補助回路は、前記主昇圧回路を構成する主スイッチに並列に接続された補助スイッチと、前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記燃料電池の高電位側の端子と低電位側の端子に接続された、クランプダイオードとスナバコンデンサとが直列接続された第一直列接続体とを備える態様が好ましい。
【００１５】
また、上記構成にあっては、前記補助回路は、前記クランプダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と、前記主コイルの一端との間に接続された、ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとが直列接続された第二直列接続体をさらに備える態様も好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、低温対策処理を施すことでソフトスイッチングコンバータの動作性能を十分に生かすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係るＦＣＨＶシステムのシステム構成図である。
【図２】同実施形態に係る多相のＦＣソフトスイッチングコンバータの回路構成を示す図である。
【図３】同実施形態に係るＦＣソフトスイッチングコンバータの１相分の回路構成を示す図である。
【図４】同実施形態に係るソフトスイッチング処理を示すフローチャートである。
【図５】モード１の動作を示す図である。
【図６】モード２の動作を示す図である。
【図７】モード３の動作を示す図である。
【図８】モード４の動作を示す図である。
【図９】モード５の動作を示す図である。
【図１０】モード６の動作を示す図である。
【図１１】モード５のスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧Ｖｅ、第１スイッチング素子Ｓ１を流れる電流Ｉｅの関係を例示した図である。
【図１２】モード２からモード３への遷移過程における電圧・電流挙動を示す図である。
【図１３】スイッチング切換制御処理を示すフローチャートである。
【図１４】素子破壊防止制御処理を示すフローチャートである。
【図１５】ＦＣ電流とＦＣ電圧の関係を示す図である。
【図１６】ＦＣ電流とＦＣ電圧とＦＣパワーの関係を示す図である。
【図１７】補助回路の他の構成を例示した図である。
【図１８】ソフトスイッチングコンバータを構成する素子の耐圧と素子温度の関係を例示した図である。
【図１９】ソフトスイッチングコンバータの昇圧電圧と温度の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．本実施形態
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。  図１は本実施形態に係る車両に搭載されたＦＣＨＶシステムの構成を示す。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車などにも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００１９】
Ａ−１．システムの全体構成
ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とインバータ１４０の間にＦＣコンバータ２５００が設けられるとともに、バッテリ１２０とインバータ１４０の間にＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、バッテリコンバータ）１８０が設けられている。
【００２０】
燃料電池１１０は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池１１０には、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを検出するための電圧センサＶ０、及び出力電流Ｉｆｃｍｅｓを検出するための電流センサＩ０が取り付けられている。燃料電池１１０においては、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じ、燃料電池１１０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００２１】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- ・・・（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ ・・・（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ ・・・（３）
【００２２】
単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の二つの電極で挟み込んだＭＥＡを燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。
【００２３】
燃料電池１１０には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び冷却液を提供する系統（いずれも図示略）が設けられており、コントローラ１６０からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量を制御することにより、所望の電力を発電することが可能となっている。
【００２４】
ＦＣコンバータ２５００は、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを制御する役割を担っており、一次側（入力側：燃料電池１１０側）に入力された出力電圧Ｖｆｃｍｅｓを、一次側と異なる電圧値に変換（昇圧または降圧）して二次側（出力側：インバータ１４０側）に出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側に出力する双方向の電圧変換装置である。このＦＣコンバータ２５００により、燃料電池１１０の出力電圧Ｖｆｃｍｅｓが目標出力に応じた電圧となるように制御する。
【００２５】
バッテリ１２０は、負荷１３０に対して燃料電池１１０と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ１２０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が利用される。
【００２６】
バッテリコンバータ１８０は、インバータ１４０の入力電圧を制御する役割を担っており、例えばＦＣコンバータ２５００と同様の回路構成を有している。なお、バッテリコンバータ１８０として昇圧型のコンバータを採用しても良いが、これに代えて昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用しても良く、インバータ１４０の入力電圧の制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
【００２７】
インバータ１４０は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ１６０からの制御指令に従って、燃料電池１１０またはバッテリ１２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ１３１の回転トルクを制御する。
【００２８】
トラクションモータ１３１は、本車両の主動力となるものであり、減速時には回生電力を発生するようにもなっている。ディファレンシャル１３２は減速装置であり、トラクションモータ１３１の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ１３３が設けられたシャフトを回転させる。シャフトには図示せぬ車輪速センサ等が設けられ、これにより当該車両の車速等が検知される。なお、本実施形態では、燃料電池１１０から供給される電力を受けて動作可能な全ての機器（トラクションモータ１３１、ディファレンシャル１３２を含む）を負荷１３０と総称している。
【００２９】
コントローラ１６０は、ＦＣＨＶシステム１００の制御用のコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。コントローラ１６０は、センサ群１７０から供給される各種の信号（例えば、アクセル開度をあらわす信号や車速をあらわす信号、燃料電池１１０の出力電流や出力端子電圧をあらわす信号など）を入力して、負荷１３０の要求電力（すなわち、システム全体の要求電力）を求める。
【００３０】
負荷１３０の要求電力は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
【００３１】
そして、コントローラ（コンバータ制御装置）１６０は、燃料電池１１０とバッテリ１２０とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算する。コントローラ１６０は、燃料電池１１０及びバッテリ１２０に対する要求電力を求めると、これらの要求電力が得られるようにＦＣコンバータ２５００及びバッテリコンバータ１８０の動作を制御する。
【００３２】
ＦＣ冷却機構２１０は、冷却流路に冷却媒体（例えば冷却水）を循環させることよって燃料電池１１０を冷却する機構であり、冷却ポンプ、ラジエータ、切替え弁などを備えて構成される。このＦＣ冷却機構２１０には、冷却媒体の温度（ＦＣ温度を反映）を検出する温度センサ２３１が設けられている。
【００３３】
ＥＶ冷却機構２２０は、冷却流路に冷却媒体（例えば冷却水）を循環させることによってＦＣコンバータ２５００やバッテリコンバータ１８０などの機器（以下、ＥＶ機器）を冷却する機構であり、冷却ポンプ、ラジエータ、切替え弁などを備えて構成される。このＥＶ冷却機構２２０にも、ＦＣ冷却機構２１０と同様、冷却媒体の温度（ＥＶ機器を構成する素子の温度を反映）を検出する温度センサ２３２が設けられている。
【００３４】
Ａ−２．ＦＣコンバータの構成
図１に示すように、ＦＣコンバータ２５００は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相によって構成された三相の共振型コンバータとしての回路構成を備えている。三相共振型コンバータの回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分と、その交流を再び整流して異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされている。本実施形態では、ＦＣコンバータ２５００としてフリーホイール回路（詳細は後述）を備えた多相のソフトスイッチングコンバータ（以下、多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ）を採用している。
【００３５】
Ａ−２−１．多相のＦＣソフトスイッチングコンバータの説明
図２は、ＦＣＨＶシステム１００に搭載される多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ２５００の回路構成を示す図であり、図３は、多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ２５００の１相分の回路構成を示す図である。
【００３６】
以下の説明では、多相のＦＣソフトスイッチングコンバータ２５００を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相のＦＣソフトスイッチングコンバータを、それぞれＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０ａ、２５ｂ、２５０ｃと呼び、特に区別する必要がない場合には、単にＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０と呼ぶ。また、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０に入力される昇圧前の電圧をコンバータ入力電圧Ｖｉｎと呼び、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０から出力される昇圧後の電圧をコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔと呼ぶ。
【００３７】
図３に示すように、各ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０は、昇圧動作を行うための主昇圧回路２２ａと、ソフトスイッチング動作を行うための補助回路２２ｂと、フリーホイール回路２２ｃを備えて構成されている。
主昇圧回路２２ａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などからなる第１スイッチング素子Ｓ１とダイオードＤ４で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルＬ１に蓄えられたエネルギを負荷１３０にダイオードＤ５を介して解放することで燃料電池１１０の出力電圧を昇圧する。
【００３８】
詳述すると、コイルＬ１の一端が燃料電池１１０の高電位側の端子に接続され、第１スイッチング素子Ｓ１の一端の極がコイルＬ１の他端に接続され、第１のスイッチング素子Ｓ１の他端の極が燃料電池１１０の低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードＤ５のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、さらに、平滑コンデンサとして機能するコンデンサＣ３は、ダイオードＤ５のアノード端子と第１スイッチング素子Ｓ１の他端との間に接続されている。主昇圧回路２２ａには、燃料電池１１０側に平滑コンデンサＣ１が設けられており、これにより燃料電池１１０の出力電流のリップルを低減することが可能となる。なお、第１スイッチング素子Ｓ１の両端電圧を検知する電圧センサＳｖ１が設けられている。
【００３９】
ここで、コンデンサＣ３にかかる電圧ＶＨは、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔとなり、平滑コンデンサＣ１にかかる電圧ＶＬは、燃料電池１１０の出力電圧であってＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ入力電圧Ｖｉｎとなる。
【００４０】
補助回路２２ｂには、第１スイッチング素子Ｓ１に並列に接続された、クランプダイオードＤ３とこのクランプダイオードＤ３に直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第１直列接続体が含まれている。第１直列接続体は、クランプダイオードＤ３のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、クランプダイオードＤ３のアノード端子がスナバコンデンサＣ２の一端に接続されている。さらに、スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池１１０の低電位側の端子に接続されている。なお、スナバコンデンサＣ２の両端電圧を検知する電圧センサＳｖ２が設けられている。
【００４１】
さらに、補助回路２２ｂには、ダイオードＤ２と第２スイッチング素子Ｓ２及びダイオードＤ１と、各相に共通の補助コイルＬ２によって構成された第２直列接続体が含まれる。
第２直列接続体は、ダイオードＤ２のアノード端子が第１直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続されている。さらに、ダイオードＤ２のカソード端子が第２スイッチング素子（補助スイッチ）Ｓ２の一端の極に接続されている。また、第２スイッチング素子Ｓ２の他端の極は、補助コイルＬ２とフリーホイール回路２２ｃの接続部位に接続されている。フリーホイールダイオードＤ６のアノード端子は、燃料電池１１０の低電位側に接続される一方、フリーホイールダイオードＤ６のカソード端子は補助コイルＬ２に接続されている。このフリーホイール回路２２ｃは、各相に共通のフリーホイールダイオードＤ６を備えており、補助コイルＬ２が通電中に第２スイッチング素子Ｓ２がオープン故障などした場合であっても、第２スイッチング素子Ｓ２を破壊するようなサージ電圧の発生を未然に防ぐために設けられたフェールセーフ機能を実現するための回路である。なお、フリーホイール回路２２ｃを備えていない構成にも本発明を適用可能である。
【００４２】
このように構成されるＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０においては、コントローラ１６０が各相の第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチングデューティー比を調整することで、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０による昇圧比、すなわちコンバータ入力電圧Ｖｉｎに対するコンバータ出力電圧Ｖｏｕｔの比が制御される。また、第１スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作において補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２のスイッチング動作を介在させることで、ソフトスイッチングが実現される。
【００４３】
一方、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０において、補助回路１２ｂを機能させなければ（すなわち補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２を常時オフとしておくことで）、ハードスイッチングが実現される。周知のとおり、ハードスイッチングは、ソフトスイッチングに比べてスイッチング損失が大きいため、通常は、あえてハードスイッチングを行うことはしない。
しかしながら、発明が解決しようとする課題の項において説明したように、低温始動時など、素子温度が低い場合には耐圧が低くなるため、動作性能を下げた状態でＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０を利用しなければならない、という問題がある。
【００４４】
そこで、本実施形態では、低温対策制御として、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０の制御をソフトスイッチング制御からハードスイッチング制御に切り換えることで、スイッチング損失を増大させ、これにより素子温度を迅速に昇温させることで、ソフトスイッチングコンバータの動作性能を十分に生かすことを可能とする。
【００４５】
ここで、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０のスイッチング制御の概略を説明すると、ハードスイッチング制御を行う場合には、補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２を常時オフとする一方、ソフトスイッチング制御を行う場合には、以下に示すソフトスイッチング処理を実行し、これによりハードスイッチング、ソフトスイッチングの切換を可能とする。
【００４６】
次に、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０によるソフトスイッチング動作について、図４等を参照しながら説明する。図４は、ソフトスイッチング動作を介したＦＣソフトスイッチングコンバータ２５の一サイクルの処理（以下、ソフトスイッチング処理）を示すフローチャートであり、コントローラ１６０が図４に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０６を順次実行することによって一サイクルを形成する。なお、以下の説明では、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５の電流、電圧の状態をあらわすモードをそれぞれモード１〜モード６として表現し、その状態を図５〜図１０に示す。また、図５〜図１０では回路を流れる電流を矢印で示す。
【００４７】
＜ソフトスイッチング動作＞
まず、図４に示すソフトスイッチング処理が行われる初期状態は、燃料電池１１０から負荷１３０に要求される電力が供給されている状態、すなわち第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２がともにターンオフされることで、コイルＬ１、ダイオードＤ５を介して電流が負荷１３０に供給される状態にある。
【００４８】
（モード１；図５参照）
ステップＳ１０１においては、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオフを保持する一方、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンする。かかるスイッチング動作を行うと、ＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０の出力電圧ＶＨと入力電圧ＶＬの電位差により、負荷１３０側に流れていた電流がコイルＬ１、ダイオードＤ３、第２スイッチング素子Ｓ２、補助コイルＬ２を介して補助回路１２ｂ側に徐々に移行してゆく。なお、図５中では、負荷１３０側から補助回路１２ｂ側への電流の移行の様子を白抜き矢印で示している。
【００４９】
また、第２スイッチング素子Ｓ２をターンオンすることにより、図５に示す矢印Ｄｍ１１の向きに電流の循環が発生する。ここで、第２スイッチング素子Ｓ２の電流変化速度は、補助コイルＬ２の両端電圧（ＶＨ−ＶＬ）と補助コイルＬ２のインダクタンスに従い増加していくが、第２スイッチング素子Ｓ２に流れる電流は補助コイルＬ２により抑制されるため、結果としてダイオードＤ５を介して負荷１３０側に流れる電流（図５に示す矢印Ｄｍ１２参照）のソフトターンオフが実現される。
ここで、モード１からモード２への遷移完了時間ｔｍｏｄｅ１は下記式（４）によって表される。  
2011019337.tif 000003
Ｉｐ；相電流
Ｌ２ｉｄ；補助コイルＬ２のインダクタンス
【００５０】
（モード２；図６参照）
上記遷移完了時間が経過し、ステップＳ１０２に移行すると、ダイオードＤ５を流れる電流はゼロとなり、コイルＬ１及びダイオードＤ５を介して補助回路１２ｂ側に電流が流れ込むとともに（図６に示す矢印Ｄｍ２１参照）、代わってスナバコンデンサＣ２と燃料電池１１０の電圧ＶＬとの電位差により、スナバコンデンサＣ２にチャージされていた電荷が補助回路１２ｂ側に流れてゆく（図６に示す矢印Ｄｍ２２参照）。このスナバコンデンサＣ２の容量に応じて、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧が決定される。
【００５１】
ここで、図１２はモード２からモード３への遷移過程における電圧・電流挙動を示す図であり、燃料電池１１０の電圧を太実線、スナバコンデンサＣ２の電圧を細実線、スナバコンデンサＣ２の電流を破線で示している。
図６に示すＤｍ２１の経路の通電が開始された後（図１２に示す（Ａ）参照）、スナバコンデンサＣ２の電圧ＶＨと燃料電池１１０の電圧ＶＬとの電位差により、図６に示すＤｍ２２の経路の通電、すなわち補助コイルＬ２への通電が開始される（図１２に示す（Ｂ）参照）。ここで、図１２に示すように、スナバコンデンサＣ２の電流は、スナバコンデンサＣ２の電圧が料電池１１０の電圧ＶＬに到達するまで上昇し続ける。
【００５２】
詳述すると、スナバコンデンサＣ２の電圧ＶＨと燃料電池１１０の電圧ＶＬの電位差によってスナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷が電源側に回生され始めるが（図６に示す矢印Ｄｍ２２）、もともとの電位差は（ＶＨ−ＶＬ）であるため、スナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷の流れ（放電）は電源電圧（すなわち燃料電池１１０の電圧ＶＬ）に到達したところ（図１２に示すタイミングＴｔ１）でとまってしまうところ、補助コイルＬ２の特性（すなわち、電流を流し続けようとする特性）により、スナバコンデンサＣ２の電圧がＶＬ以下になっても電荷を流し続けようとする（図１２に示す（Ｃ）参照）。このとき、下記式（４）’が成立すれば、スナバコンデンサＣ２の電荷はすべて流れる（放電）ことになる。
2011019337.tif 000004
左辺；補助コイルＬ２に蓄積されたエネルギ
右辺；スナバコンデンサＣ２に残存するエネルギ
【００５３】
スナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷がなくなると、図６に示すＤｍ２３の経路でフリーホイール動作を行い、通電を継続する（図１２に示す（Ｄ）参照）。これにより、補助コイルＬ２に蓄積されたエネルギが全て放出される。なお、補助コイルＬ２の一端にはダイオードＤ２のアノードが接続されているため、ＬＣ共振は半波で止まる。このため、スナバコンデンサＣ２は、放電後に０Ｖを保持することになる。
【００５４】
ここで、モード２からモード３への遷移完了時間ｔｍｏｄｅ２は下記式（５）によって表される。  
2011019337.tif 000005
2011019337.tif 000006
Ｃ２ｄ；コンデンサＣ２の容量
【００５５】
（モード３；図７参照）
図６に示すＤｍ２２の経路で電流が流れる動作が終了し、スナバコンデンサＣ２の電荷が抜けきる、あるいは最小電圧（ＭＩＮ電圧）となると、第１スイッチング素子Ｓ１がターンオンされ、ステップＳ１０３に移行する。スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなった状態では、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧もゼロとなるため、ＺＶＳ（Zero Voltage Switching）が実現される。かかる状態では、コイルＬ１に流れる電流Ｉｌ１は、矢印Ｄｍ３１に示す補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１と矢印Ｄｍ３２に示す第１スイッチング素子Ｓ１を介して流れる電流Ｉｄｍ３２の和となる（下記式（６）参照）。
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【００５６】
ここで、第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流Ｉｄｍ３１は、補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１の減少速度に応じて決定される。補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１の電流変化速度は下記式（７）によって表わされる、すなわち補助回路１２ｂ側に流れる電流Ｉｄｍ３１は下記式（７）の変化速度で減少していくため、第１スイッチング素子Ｓ１をターンオンしたとしても第１スイッチング素子Ｓ１に流れる電流が急に立ち上がることはなく、ＺＣＳ（Zero Current Switching）が実現される。
2011019337.tif 000008
【００５７】
（モード４；図８参照）
そして、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３の状態が継続することで、コイルＬ１に流れ込んでいく電流量を増加させてコイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく（図８に矢印Ｄｍ４２参照）。ここで、補助回路１２ｂにはダイオードＤ２が存在するため、補助コイルＬ２に逆電流は流れず、第２スイッチング素子Ｓ２を介してスナバコンデンサＣ２に充電が行われることはない。また、この時点で第１スイッチング素子Ｓ１はターンオンしているため、ダイオードＤ３を経由してスナバコンデンサＣ２に充電が行われることもない。従って、コイルＬ１の電流＝第１スイッチング素子Ｓ１の電流となり、コイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオン時間Ｔｓ１は、下記式（８）によって近似的に表される。
2011019337.tif 000009
Ｔｃｏｎ；制御周期
なお、制御周期とは、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０６までの一連の処理を一周期（一サイクル）としたときのソフトスイッチング処理の時間周期を意味する。
【００５８】
（モード５；図９参照）
ステップＳ１０４においてコイルＬ１に所望のエネルギが蓄えられると、第１スイッチング素子Ｓ１２がターンオフされ、図９に矢印Ｄｍ５１で示す経路に電流が流れる。ここで、図１１は、モード５におけるスナバコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧Ｖｅ、第１スイッチング素子Ｓ１を流れる電流Ｉｅの関係を例示した図である。上記スイッチング動作が行われると、モード２において電荷が抜かれて低電圧状態となっているスナバコンデンサＣ２に電荷がチャージされ、これにより、スナバコンデンサＣ２の電圧ＶｃはＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のコンバータ出力電圧ＶＨに向かって上昇する。このとき、第１スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧Ｖｅの上昇速度は、スナバコンデンサＣ２への充電により抑制され（すなわち、電圧の立ち上がりが鈍化され）、ターンオフ時（図１１に示すα参照）のスイッチング損失を低減するＺＶＳ動作をすることが可能となる。
【００５９】
（モード６；図１０参照）
スナバコンデンサＣ２が電圧ＶＨまで充電されると、コイルＬ１に蓄えられたエネルギが負荷１３０側に解放される（図１０に示す矢印Ｄｍ６１参照）。ここで、第１スイッチング素子Ｓ１のターンオフ時間Ｔｓ２は、下記式（９）によって近似的に表される。
2011019337.tif 000010
【００６０】
以上説明したソフトスイッチング処理を行うことでＦＣソフトスイッチングコンバータ１５０のスイッチング損失を可及的に抑制した上で、燃料電池１１０の出力電圧を所望の電圧に上昇し、負荷１３０に供給することが可能となる。
【００６１】
Ａ−２−２．スイッチング制御の切換え動作
図１３は、コントローラ１６０によって実行されるスイッチング切換制御処理を示すフローチャートである。
コントローラ１６０は、ＥＶ冷却機構２２０に設置された温度センサ２３２から送られるセンシング信号に基づいてＥＶ冷却機構２２０を構成する素子の温度（素子の関連温度；以下、ＥＶ素子温度）Ｔｅｖを検知する（ステップＳ１）。
【００６２】
コントローラ１６０は、ＥＶ素子温度Ｔｅｖとメモリ（図示略）に格納された切換閾値温度Ｔｔｈ１とを比較し、ＥＶ素子温度Ｔｅｖが切換閾値温度Ｔｔｈ１を下回っているか否かを判断する（ステップＳ２）。ここで、切換閾値温度Ｔｔｈ１は、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０についてハードスイッチング制御とソフトスイッチング制御との切り換えを判断するための閾値温度（例えば−２℃など）であり、予め実験などによって求めることができる。この切換閾値温度Ｔｔｈ１は固定値としても良いが、メンテナンス作業時などに適宜設定・変更できるように構成しても良い。
【００６３】
コントローラ（スイッチング切換制御手段、スイッチング制御手段）１６０は、ＥＶ素子温度Ｔｅｖが切換閾値温度Ｔｔｈ１を下回っていると判断すると（ステップＳ２；ＹＥＳ）、補助回路１２ｂの第２スイッチング素子Ｓ２を常時オフとしてハードスイッチ制御を開始し（ステップＳ３）、処理を終了する。
【００６４】
一方、コントローラ（スイッチング切換制御手段、スイッチング制御手段）１６０は、ＥＶ素子温度Ｔｅｖが切換閾値温度Ｔｔｈ１以上であると判断すると（ステップＳ２；ＮＯ）、図４〜図１２を参照して説明したスイッチング処理を行うことでソフトスイッチング制御を開始し（ステップＳ４）、処理を終了する。
【００６５】
＜ハードスイッチング制御による素子の異常過熱の問題＞
前述したように、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０の制御をソフトスイッチング制御からハードスイッチング制御に切り換えることで、スイッチング損失を増大させ、これにより素子温度を迅速に昇温（すなわち急速昇温）させることが可能となる。
しかし、別の見方をすれば、スイッチング損失を増大させると、その分、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０を構成する各素子（以下、「ＩＭＰ素子」と総称）が過熱されることとなり、何ら制限を設けなければＩＰＭ素子の異常過熱により、素子破壊が生じてしまうおそれがある。
【００６６】
そこで、本実施形態においては、一定の条件を満たす場合には、ＩＰＭ素子の素子温度が、耐熱温度（負荷率制限開始温度）Ｔｌｓ以下に収まるように、燃料電池１１０の運転動作点を変更する制御を実施する。
ここで、一定の条件を満たす場合とは、燃料電池１１０の低効率発電により急速暖機中である場合いい、燃料電池１１０の運転動作点を変更する制御とは、等パワーライン上でＦＣ電流を下げ、ＦＣ電圧を上げることにより、要求パワーを満たしつつも、ＦＣソフトスイッチングコンバータ２５０を流れる電流（通過電流）を減らすことにより、ＩＭＰ素子で生じる損失を減らす制御（素子破壊防止制御）をいう。
【００６７】
以下、図１４を参照しながら、素子破壊防止制御の詳細について説明する。図１４は、ハードスイッチング制御の際、コントローラ１６０によって実行される素子破壊防止制御処理を示すフローチャートである。
コントローラ１６０は、ＥＶ冷却機構２２０に設置された温度センサ２３２から送られるセンシング信号に基づいてＥＶ素子温度Ｔｅｖを検知し、この素子温度Ｔｅｖがメモリ（図示略）に格納された素子破壊防止閾値温度Ｔｔｈ２を超えたか否かを判断する（ステップＳ１０）。
【００６８】
ここで、素子破壊防止閾値温度Ｔｔｈ２は、素子破壊防止制御が必要か否かを判断するための閾値温度（例えば、１０５℃など）であり、予め実験などによって求めることができる。この素子破壊防止閾値温度Ｔｔｈ２は、負荷率制限開始温度Ｔｌｓ（例えば１２０℃など）よりも低く設定される（Ｔｔｈ２＜Ｔｌｓ）。なお、素子破壊防止閾値温度Ｔｔｈ２は固定値としても良いが、メンテナンス作業時などに適宜設定・変更できるように構成しても良い。
【００６９】
コントローラ１６０は、ＥＶ素子温度Ｔｅｖが素子破壊防止閾値温度Ｔｔｈ２を超えていないと判断すると（ステップＳ２０；ＮＯ）、以下に示すステップを実行することなく、処理を終了する。
【００７０】
一方、コントローラ（判断手段）１６０は、ＥＶ素子温度Ｔｅｖが素子破壊防止閾値温度Ｔｔｈ２を超えていると判断すると（ステップＳ２０；ＹＥＳ）、燃料電池１１０が低効率発電中であるか否かを判断する（ステップＳ３０）。なお、燃料電池１１０が低効率運転中でないと判断した場合には（ステップＳ３０；ＮＯ）、以下に示すステップを実行することなく、処理を終了する。ここで、燃料電池１１０の低効率発電とは、燃料電池１１０に供給される反応ガス（例えば、カソードに供給される酸化ガス）が通常発電時に比して少なく、かつ、通常発電に比して電力損失が大きい発電をいう（詳細は後述）。
【００７１】
なお、低効率発電中であるか否かは、例えば温度センサ２３１によって検知されるＦＣ温度が閾値温度（例えば０℃）を下回っており、かつ、燃料電池１１０に供給される酸化ガスのストイキ比が閾値（例えば１．２程度）を下回っている場合に低効率発電であると判断する。もちろん、低効率発電中であるか否かの判断手法はこれに限る趣旨ではなく、例えばＦＣ電圧やＦＣ電流の値に基づいて低効率発電中であるか否かを判断しても良い。以下、低効率発電と通常発電の相違について、詳細に説明する。
【００７２】
＜低効率発電と通常発電の相違＞
図１５は、燃料電池の出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）の関係を示す図であり、通常発電を行った場合を実線で示し、低効率発電を行った場合を点線で示す。なお、横軸はＦＣ電流、縦軸はＦＣ電圧をあらわしている。
【００７３】
ここで、低効率発電を行う場合には、例えばエアストイキ比を１．０付近（理論値）に絞った状態で燃料電池１１０を運転する一方（図１５の点線部分参照）、通常発電を行う場合には、例えばエアストイキ比を２．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池４０を運転する（図１５の実線部分参照）。低効率発電を行うことで、通常発電に比して電力損失は大きくなるため、急速暖機が可能となる。
【００７４】
ここで、図１６は、低効率発電時の燃料電池１１０の出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）と出力電力（ＦＣパワー）の関係を示す図であり、左横軸はＦＣ電流、右横軸はＦＣパワー、軸はＦＣ電圧をあらわしている。
【００７５】
本実施形態では、低効率発電中に、ＥＶ素子の異常過熱による素子破壊を防止する必要があると判断すると、等パワーラインｌ上でＦＣ電流を下げ、ＦＣ電圧を上げるように燃料電池１１０の動作点を移動（変更）する。これにより、要求パワーは満たしつつも、ＦＣソフトスイッチコンバータ２５０の通過電流を減らして電力損失を下げることができ、最終的にはＩＭＰ素子の破壊を防止することが可能となる。
動作点変更前                  動作点変更後
（Ｉ１，Ｖ１）      →        （Ｉ２，Ｖ２）
（Ｉ１＞Ｉ２、Ｖ１＜Ｖ２）
【００７６】
具体的には、図１４に示すステップＳ３０において、コントローラ（動作点制御手段）１６０は燃料電池１１０が低効率発電中であると判断すると（ステップＳ３０；ＹＥＳ）、等パワーライン上でＦＣ電流を一定量ΔＩ（＝Ｉ２−Ｉ１）下げ、ＦＣ電圧を上げるように燃料電池１１０の運転動作点を移動（変更）し、処理を終了する。これにより、要求パワーは満たしつつも、ＦＣソフトスイッチコンバータ２５０の通過電流を減らして電力損失を下げることができ、最終的にはＩＭＰ素子の破壊を防止することが可能となる。ここで、ＦＣ電流の減少量ΔＩ（＝Ｉ２−Ｉ１）は、素子破壊を防止するのに必要な電力損失の減少量を予め実験などによって求めておき、求めた電力損失の減少が得られるように設定すれば良い。もちろん、このＦＣ電流の減少量ΔＩは、固定値としても良いが、メンテナンス作業時などに適宜設定・変更できるように構成しても良い。
【００７７】
Ｂ．変形例
上述した本実施形態では、補助回路２２ｂに含まれる第２直列接続体として、ダイオードＤ２のアノード端子が第１直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続され、ダイオードＤ２のカソード端子が第２スイッチング素子（補助スイッチ）Ｓ２の一端の極に接続されている例を説明したが（図３参照）、この第２直列接続体の回路トポロジーについて、コイルＬ２、ダイオードＤ２、第２スイッチング素子Ｓ２などによるスイッチング回路の直列順序は適宜入れ替えた態様も採用し得る。具体的には、図１６に示すように、フリーホイール回路２２ｃを除くとともにコイルＬ２と第２スイッチング素子Ｓ２などによるスイッチング回路の順序を入れ替えても良い。
【符号の説明】
【００７８】
１００…ＦＣＨＶシステム、１１０…燃料電池、１２０…バッテリ、１３０…負荷、１４０…インバータ、２５００…ＦＣコンバータ、１６０…コントローラ、１７０…センサ群、１８０…バッテリコンバータ、２１０…ＦＣ冷却機構、２２０…ＥＶ冷却機構、２３１，２３２…温度センサ、２５０…ＦＣソフトスイッチングコンバータ、２２ａ…主昇圧回路、２２ｂ…補助回路、２２ｃ…フリーホイール回路、Ｓ１,Ｓ２…スイッチング素子、Ｃ１,Ｃ３…平滑コンデンサ、Ｃ２…スナバコンデンサ、Ｌ１,Ｌ２,…コイル、Ｄ１,Ｄ２,Ｄ３,Ｄ４,Ｄ５…ダイオード、Ｄ６…フリーホイールダイオード。
【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】
2011019337.tif 000025
【図１６】
2011019337.tif 000026
【図１７】
2011019337.tif 000027
【図１８】
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【図１９】
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