(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流目標値に応じて出力電圧を制御する電圧制御システムであって、
電気的なエネルギを蓄積するリアクトルを備え、一サイクル中における前記リアクトルに対して前記エネルギが入力されて蓄積される蓄積期間の割合として定められたデューティ比で動作することによって、入力電圧を昇圧するコンバータ装置と、
前記電流目標値に応じて前記デューティ比を設定して、前記コンバータ装置に前記入力電圧の昇圧動作を繰り返し実行させる制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記デューティ比を、
前記電流目標値に応じて設定された前記リアクトルの入力の大きさおよび前記リアクトルの出力の大きさのそれぞれの目標値を用いて導出されるフィードフォワード項を含む基本項と、
前記一サイクルの間の前記電流目標値の変化分を用いて導出され、前記変化分に応じて前記デューティ比を変化せるために追加される追加項と、
を用いて設定する、電圧制御システム。
【請求項２】
請求項１記載の電圧制御システムであって、さらに、
前記リアクトルからの出力の大きさを計測する出力計測部を備え、
前記制御部は、前記フィードフォワード項に、前記リアクトルの出力の大きさの計測値と、前記リアクトルの出力の大きさの目標値と、を用いて導出されるフィードバック項が加算された前記基本項と、前記追加項と、を用いて、前記デューティ比を設定する、電圧制御システム。
【請求項３】
電流目標値に応じて出力電圧を制御する電圧制御システムであって、
電気的なエネルギを蓄積するリアクトルを備え、一サイクル中における前記リアクトルに対して前記エネルギが入力されて蓄積される蓄積期間の割合として定められたデューティ比で動作することによって、入力電圧を昇圧するコンバータ装置と、
前記リアクトルに対する入力の大きさを計測する入力計測部と、
前記リアクトルからの出力の大きさを計測する出力計測部と、
前記電流目標値に応じて前記デューティ比を設定して、前記コンバータ装置に前記入力電圧の昇圧動作を繰り返し実行させる制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記デューティ比を、
前記リアクトルの入力の大きさの計測値と、前記リアクトルの出力の大きさの計測値と、を用いて導出されるフィードフォワード項を含む基本項と、
前記一サイクルの間の前記電流目標値の変化分を用いて導出され、前記変化分に応じて前記デューティ比を変化せるために追加される追加項と、
を用いて設定する、電圧制御システム。
【請求項４】
請求項３記載の電圧制御システムであって、
前記制御部は、前記フィードフォワード項に、前記リアクトルの出力の大きさの計測値と、前記電流目標値に応じて設定された前記リアクトルの出力の大きさの目標値と、を用いて導出されるフィードバック項が加算された前記基本項と、前記追加項と、を用いて、前記デューティ比を設定する、電圧制御システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電圧制御システムであって、
前記制御部は、前記一サイクル中に前記リアクトルに蓄積される前記電気的なエネルギの変化分と、前記リアクトルから放出される前記電気的なエネルギの変化分と、の総和が、前記一サイクル中の前記電流目標値の変化分に相当するように、前記追加項を設定する、電圧制御システム。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電圧制御システムであって、
前記制御部は、前記電流目標値の変化分をΔＩとし、前記リアクトルのインダクタンスをＬとし、前記一サイクルの周期をＴとし、前記リアクトルの出力の大きさの目標値である前記リアクトルの出力電圧の目標値をＶＨｔとするとき、α／Ｔ＝（Ｌ・ΔＩ）／ＶＨｔとして得られるα／Ｔの値を前記追加項として用いる、電圧制御システム。
【請求項７】
請求項１記載の電圧制御システムであって、さらに、
前記リアクトルの出力電圧を計測する出力計測部を備え、
前記制御部は、前記電流目標値の変化分をΔＩとし、前記リアクトルのインダクタンスをＬとし、前記一サイクルの周期をＴとし、前記リアクトルの出力電圧の計測値をＶＨとするとき、α／Ｔ＝（Ｌ・ΔＩ）／ＶＨとして得られるα／Ｔの値を前記追加項として用いる、電圧制御システム。
【請求項８】
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の電圧制御システムであって、
前記出力計測部は、前記リアクトルの出力の大きさとして、前記リアクトルの出力電圧を計測し、
前記制御部は、前記電流目標値の変化分をΔＩとし、前記リアクトルのインダクタンスをＬとし、前記一サイクルの周期をＴとし、前記リアクトルの出力電圧の計測値をＶＨとするとき、α／Ｔ＝（Ｌ・ΔＩ）／ＶＨとして得られるα／Ｔの値を前記追加項として用いる、電圧制御システム。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の電圧制御システムであって、
前記制御部は、前記変化分が所定の閾値以上の場合に、前記基本項と、前記追加項と、を用いて、前記デューティ比を設定し、前記変化分が前記所定の閾値未満の場合には、前記追加項を用いることなく、前記デューティ比を設定する、電圧制御システム。
【請求項１０】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の電圧制御システムと、
を備え、
前記電圧制御システムは、前記燃料電池が出力する電圧を前記入力電圧として昇圧する、燃料電池システム。
【請求項１１】
電流目標値に応じて入力電圧を昇圧した出力電圧を出力する電圧制御システムの制御方法であって、
電気的なエネルギを蓄積するリアクトルを備え、一サイクル中における前記リアクトルに対して前記エネルギが入力されて蓄積される蓄積期間の割合として定めたデューティ比で動作させることによって、入力電圧を昇圧するコンバータ装置の前記デューティ比を、前記電流目標値に応じて設定して、前記コンバータ装置に昇圧動作を繰り返し実行させる昇圧制御工程を備え、
前記昇圧制御工程は、
前記デューティ比を、前記電流目標値に応じて設定した前記リアクトルの入力の大きさおよび前記リアクトルの出力の大きさのそれぞれの目標値を用いて導出されるフィードフォワード項を含む基本項と、前記一サイクルの間の前記電流目標値の変化分を用いて導出され、前記変化分に応じて前記デューティ比を変化せるために追加される追加項と、を用いて設定する設定工程と、
を含む、制御方法。
【請求項１２】
電流目標値に応じて入力電圧を昇圧した出力電圧を出力する電圧制御システムの制御方法であって、
電気的なエネルギを蓄積するリアクトルを備え、一サイクル中における前記リアクトルに対して前記エネルギが入力されて蓄積される蓄積期間の割合として定めたデューティ比で動作させることによって、入力電圧を昇圧するコンバータ装置の前記デューティ比を、前記電流目標値に応じて設定して、前記コンバータ装置に昇圧動作を繰り返し実行させる昇圧制御工程を備え、
前記昇圧制御工程は、
前記リアクトルにおける入力の大きさと出力の大きさとを計測する計測工程と、
前記デューティ比を、前記リアクトルの入力の大きさの計測値と、前記リアクトルの出力の大きさの計測値と、を用いて導出されるフィードフォワード項を含む基本項と、前記一サイクルの間の前記電流目標値の変化分を用いて導出され、前記変化分に応じて前記デューティ比を変化せるために追加される追加項と、を用いて設定する設定工程と、
を含む、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧制御システム、燃料電池システムおよび電圧制御システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池を発電させて、モータなどの外部負荷やシステム内部の補機類などからの要求に応じた目標電力を出力する。燃料電池システムには、燃料電池の出力電力を効率よく外部負荷や補機類などに出力するために、燃料電池の出力電圧をコンバータを用いて昇圧する電圧制御システムが組み込まれている（例えば、下記特許文献１）。コンバータは、例えば、インダクタンス素子であるリアクトルと、リアクトルに対する電流の流れを制御するスイッチング素子と、で構成される。コンバータの昇圧動作は、一サイクル中におけるスイッチング素子の開閉期間の割合を表すデューティ比によって制御される。コンバータのデューティ比は、通常、コンバータの入力電圧の計測値と出力電圧の計測値とに基づいてフィードバック制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１９４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムに対しては、目標電力の要求に対する応答性や追従性を、さらに高めることが望まれている。そのため、目標電力が短時間で著しく変化した場合であっても、コンバータにおいてフィードバック制御の遅れや、オーバーシュートが発生してしまうことが抑制されることが望ましい。このようなコンバータの制御性を高めるという課題は、燃料電池システムや、それに組み込まれている電圧制御システムに限らず、コンバータを用いている電圧制御システムの全般に共通する課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
［１］本発明の第一の形態によれば、電流目標値に応じて出力電圧を制御する電圧制御システムが提供される。この電圧制御システムは、コンバータ装置と、制御部と、を備える。コンバータ装置は、電気的なエネルギを蓄積するリアクトルを備え、一サイクル中における前記リアクトルに対して前記エネルギが入力されて蓄積される蓄積期間の割合として定められたデューティ比で動作することによって、入力電圧を昇圧する。前記制御部は、前記電流目標値に応じて前記デューティ比を設定して、前記コンバータ装置に前記入力電圧の昇圧動作を繰り返し実行させる。前記制御部は、前記デューティ比を、前記電流目標値に応じて設定された前記リアクトルの入力の大きさおよび前記リアクトルの出力の大きさのそれぞれの目標値を用いて導出されるフィードフォワード項を含む基本項と、前記一サイクルの間の前記電流目標値の変化分を用いて導出され、前記変化分に応じて前記デューティ比を変化せるために追加される追加項と、を用いて設定する。この形態の電圧制御システムによれば、電流目標値の前回値と今回値との差に相当する電流目標値の変化分という既知の値を用いて追加項が取得される。そして、デューティ比をその追加項によって変化させることによって、電流目標値が一サイクルの間に大きく変化したような場合であっても、その電流目標値の変化に対するコンバータ装置の応答遅れの発生が抑制される。このように、この形態の電圧制御システムでは、リアクトルの入出力に関する目標値を用いて導出される基本項だけでなく、電流目標値の変化分が反映されている追加項が用いられることによって、コンバータ装置の制御性が高められている。
【０００７】
［２］上記［１］の形態の電圧制御システムは、前記リアクトルからの出力の大きさを計測する出力計測部を備え、前記制御部は、前記フィードフォワード項に、前記リアクトルの出力の大きさの計測値と、前記リアクトルの出力の大きさの目標値と、を用いて導出されるフィードバック項が加算された前記基本項と、前記追加項と、を用いて、前記デューティ比を設定してよい。この形態の電圧制御システムによれば、フィードバック項によって、デューティ比に、リアクトルの出力の大きさの目標値に対する実際の出力の大きさの差を反映させることができる。
【０００８】
［３］本発明の第二の形態によれば、電流目標値に応じて出力電圧を制御する電圧制御システムが提供される。この電圧制御システムは、コンバータ装置と、入力計測部と、出力計測部と、制御部と、を備える。コンバータ装置は、電気的なエネルギを蓄積するリアクトルを備え、一サイクル中における前記リアクトルに対して前記エネルギが入力されて蓄積される蓄積期間の割合として定められたデューティ比で動作することによって、入力電圧を昇圧する。前記入力計測部は、前記リアクトルに対する入力の大きさを計測する。前記出力計測部は、前記リアクトルからの出力の大きさを計測する。前記制御部は、前記電流目標値に応じて前記デューティ比を設定して、前記コンバータ装置に前記入力電圧の昇圧動作を繰り返し実行させる。前記制御部は、前記デューティ比を、前記リアクトルの入力の大きさの計測値と、前記リアクトルの出力の大きさの計測値と、を用いて導出されるフィードフォワード項を含む基本項と、前記一サイクルの間の前記電流目標値の変化分を用いて導出され、前記変化分に応じて前記デューティ比を変化せるために追加される追加項と、を用いて設定する。この形態の電圧制御システムによれば、デューティ比を追加項によって変化させることによって、電流目標値が一サイクルの間に大きく変化したような場合であっても、その電流目標値の変化に対するコンバータ装置の応答遅れの発生が抑制される。このように、この形態の電圧制御システムでは、リアクトルの入出力に関する計測値を用いて導出される基本項だけでなく、電流目標値の変化分が反映されている追加項が用いられることによって、コンバータ装置の制御性が高められている。
【０００９】
［４］上記［３］の形態の電圧制御システムにおいて、前記制御部は、前記フィードフォワード項に、前記リアクトルの出力の大きさの計測値と、前記電流目標値に応じて設定された前記リアクトルの出力の大きさの目標値と、を用いて導出されるフィードバック項が加算された前記基本項と、前記追加項と、を用いて、前記デューティ比を設定してよい。この形態の電圧制御システムによれば、フィードバック項によって、デューティ比に、リアクトルの出力の大きさの目標値に対する実際の出力の大きさの差を反映させることができる。
【００１０】
［５］上記［１］〜［４］のいずれかの形態の電圧制御システムにおいて、前記制御部は、前記一サイクル中に前記リアクトルに蓄積される前記電気的なエネルギの変化分と、前記リアクトルから放出される前記電気的なエネルギの変化分と、の総和が、前記一サイクル中の前記電流目標値の変化分に相当するように、前記追加項を設定してよい。この形態の電圧制御システムによれば、追加項がより適切な値として設定されるため、コンバータ装置の制御性がより一層、高められる。
【００１１】
［６］上記［１］〜［４］のいずれかの形態の電圧制御システムにおいて、前記電流目標値の変化分をΔＩとし、前記リアクトルのインダクタンスをＬとし、前記一サイクルの周期をＴとし、前記リアクトルの出力の大きさの目標値である前記リアクトルの出力電圧の目標値をＶＨｔとするとき、α／Ｔ＝（Ｌ・ΔＩ）／ＶＨｔとして得られるα／Ｔの値を前記追加項として用いてよい。この形態の電圧制御システムによれば、電流目標値に応じた変化分に相当するより適切な追加項を得ることができる。
【００１２】
［７］上記［１］の形態の電圧制御システムは、さらに、前記リアクトルの出力電圧を計測する出力計測部を備え、前記制御部は、前記電流目標値の変化分をΔＩとし、前記リアクトルのインダクタンスをＬとし、前記一サイクルの周期をＴとし、前記リアクトルの出力電圧の計測値をＶＨとするとき、α／Ｔ＝（Ｌ・ΔＩ）／ＶＨとして得られるα／Ｔの値を前記追加項として用いてよい。この形態の電圧制御システムによれば、より適切な追加項を得ることができる。
【００１３】
［８］上記の［２］〜［４］のいずれかの形態の電圧制御システムにおいて、前記出力計測部は、前記リアクトルの出力の大きさとして、前記リアクトルの出力電圧を計測し、前記制御部は、前記電流目標値の変化分をΔＩとし、前記リアクトルのインダクタンスをＬとし、前記一サイクルの周期をＴとし、前記リアクトルの出力電圧の計測値をＶＨとするとき、α／Ｔ＝（Ｌ・ΔＩ）／ＶＨとして得られるα／Ｔの値を前記追加項として用いてよい。この形態の電圧制御システムによれば、より適切な追加項を得ることができる。
【００１４】
［９］上記形態の電圧制御システムにおいて、前記制御部は、前記変化分が所定の閾値以上の場合に、前記基本項と、前記追加項と、を用いて、前記デューティ比を設定し、前記変化分が前記所定の閾値未満の場合には、前記追加項を用いることなく、前記デューティ比を設定してよい。この形態の電圧制御システムによれば、電流目標値が急激に変化する過渡的な期間と、それ以外の通常の制御期間とを区別し、過渡的な期間に該当する場合にのみ、デューティ比の設定の際に追加項を用いられる。そのため、通常の制御期間に追加項が用いられてデューティ比が必要以上に大きくなってしまうことが抑制される。従って、コンバータ装置の制御性が、より高められる。
【００１５】
［１０］本発明の第三の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、上記のいずれかの形態の電圧制御システムと、を備え、前記電圧制御システムは、前記燃料電池が出力する電圧を前記入力電圧として昇圧する。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の出力電圧を目標値に応じて、より精度よく昇圧することができる。
【００１６】
［１１］本発明の第四の形態によれば、電流目標値に応じて入力電圧を昇圧した出力電圧を出力する電圧制御システムの制御方法が提供される。この制御方法は、電気的なエネルギを蓄積するリアクトルを備え、一サイクル中における前記リアクトルに対して前記エネルギが入力されて蓄積される蓄積期間の割合として定めたデューティ比で動作させることによって、入力電圧を昇圧するコンバータ装置の前記デューティ比を、前記電流目標値に応じて設定して、前記コンバータ装置に昇圧動作を繰り返し実行させる昇圧制御工程を備え、前記昇圧制御工程は、前記デューティ比を、前記電流目標値に応じて設定された前記リアクトルの入力の大きさおよび前記リアクトルの出力の大きさのそれぞれの目標値を用いて導出されるフィードフォワード項を含む基本項と、前記一サイクルの間の前記電流目標値の変化分を用いて導出され、前記変化分に応じて前記デューティ比を変化せるために追加される追加項と、を用いて設定する設定工程と、を含む。この形態の制御方法によれば、デューティ比の設定の際に、電流目標値の変化分が反映された追加項が用いられることによって、電流目標値の変化に対するコンバータ装置の応答遅れの発生が抑制される。よって、コンバータ装置の制御性が高められる。
【００１７】
［１２］本発明の第五の形態によれば、電流目標値に応じて入力電圧を昇圧した出力電圧を出力する電圧制御システムの制御方法が提供される。この制御方法は、電気的なエネルギを蓄積するリアクトルを備え、一サイクル中における前記リアクトルに対して前記エネルギが入力されて蓄積される蓄積期間の割合として定めたデューティ比で動作させることによって、入力電圧を昇圧するコンバータ装置の前記デューティ比を、前記電流目標値に応じて設定して、前記コンバータ装置に昇圧動作を繰り返し実行させる昇圧制御工程を備え、前記昇圧制御工程は、前記リアクトルにおける入力の大きさと出力の大きさとを計測する計測工程と、前記デューティ比を、前記リアクトルの入力の大きさの計測値と、前記リアクトルの出力の大きさの計測値と、を用いて導出されるフィードフォワード項を含む基本項と、前記一サイクルの間の前記電流目標値の変化分を用いて導出され、前記変化分に応じて前記デューティ比を変化せるために追加される追加項と、を用いて設定する設定工程と、を含む。この形態の制御方法によれば、デューティ比の設定の際に、電流目標値の変化分が反映された追加項が用いられることによって、電流目標値の変化に対するコンバータ装置の応答遅れの発生が抑制される。
【００１８】
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。また、上記の各形態に記載されている制御部は、各形態に記載されている機能を発揮するために独立した単体のユニットとして設けられたものであってもよいし、他の種々の制御機能を発揮するユニットの一部として、そのユニットに一体的に組み込まれているものであってもよい。また、上記の各形態に記載されている制御部の個々の機能は、制御部を構成する単一のユニットのみにおいて実現されてもよいし、互いに協働して制御部を構成する分離・独立して設けられた複数のユニットにおいて別々に実現されてもよい。例えば、コンバータ装置のデューティ比を設定する機能と、コンバータ装置に小圧動作を繰り返し実行させる機能と、は制御部を構成する別々のユニットにおいて実現されてもよい。同様に、コンバータ装置のデューティ比を設定する機能と、リアクトルにおける入力の大きさの目標値や出力の大きさの目標値を設定する機能と、は制御部を構成する別々のユニットにおいて実現されてもよい。前記のユニットには、回路やコンピュータなどが含まれる。
【００１９】
本発明は、電圧制御システムやその制御方法、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、電圧制御システムや燃料電池システムを搭載する車両、コンバータ装置の制御方法、電圧の昇圧方法、燃料電池システムの制御方法、前記の種々の方法を実現するコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図２】燃料電池コンバータの構成を示す概略図。
【図３】燃料電池コンバータのデューティ比を説明するための説明図。
【図４】燃料電池コンバータの制御処理のフローを示す説明図。
【図５】追加項の算出方法を説明するための説明図。
【図６】燃料電池コンバータの制御の一例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
A．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の電気的構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載される。燃料電池システム１００は、アクセルペダルＡＰを介して受け付けた運転者の要求に応じて燃料電池１０に発電させた電力を利用して、駆動モータ２０に燃料電池車両の駆動力を発生させる。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と駆動モータ２０とに加えて、燃料電池コンバータ１１と、二次電池１５と、二次電池コンバータ１６と、インバータ２１と、第１の電圧計測部３１と、第２の電圧計測部３２と、制御部５０と、を備える。以下に説明するように、燃料電池システム１００では、燃料電池コンバータ１１と第１の電圧計測部３１と第２の電圧計測部３２と制御部５０とが、燃料電池１０が出力する電圧を、制御部５０が設定した目標電圧まで昇圧する電圧制御システムとして機能する。
【００２２】
燃料電池１０は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０としては、固体高分子形燃料電池に限定されることはなく、種々のタイプの燃料電池を採用することが可能である。燃料電池１０としては、固体高分子形燃料電池に代えて、例えば、固体酸化物型燃料電池が採用されてもよい。燃料電池１０は、第１の直流導線Ｌ１を介して、燃料電池コンバータ１１の入力端子に接続されている。
【００２３】
燃料電池コンバータ１１は、昇圧型のコンバータ装置であり、制御部５０の制御下において、燃料電池１０から入力された入力電圧を目標電圧まで昇圧する昇圧動作をおこなう。燃料電池コンバータ１１の出力端子は、第２の直流導線Ｌ２を介してインバータ２１の直流端子に接続されている。燃料電池コンバータ１１とインバータ２１との間にはリレー回路が設けられていてもよい。燃料電池コンバータ１１は、リアクトル電流（後述）の計測値ＩＬを信号線を介して制御部５０に送信する。燃料電池コンバータ１１は、インテリジェント・パワー・モジュール（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｍｏｄｕｌｅ；ＩＰＭ）を用いて構成されてもよい。燃料電池コンバータ１１の構成および動作の詳細については後述する。
【００２４】
二次電池１５は、例えばリチウムイオン電池によって構成され、燃料電池１０とともに燃料電池システム１００の電力源として機能する。二次電池１５は、第３の直流導線Ｌ３を介して二次電池コンバータ１６の入力端子に接続されている。
【００２５】
二次電池コンバータ１６は、昇圧型のコンバータ装置であり、燃料電池コンバータ１１と同様な構成を有する。二次電池コンバータ１６の出力端子は第４の直流導線Ｌ４を介して、燃料電池コンバータ１１とインバータ２１とを接続する第２の直流導線Ｌ２に接続されている。二次電池コンバータ１６は、制御部５０の制御下において、燃料電池コンバータ１１と協働し、インバータ２１の入力電圧である第２の直流導線Ｌ２における電圧を調整し、二次電池１５の充・放電を制御する。二次電池コンバータ１６は、燃料電池コンバータ１１からの出力電力が目標出力電力に対して不足する場合には、二次電池１５に放電させる。一方、二次電池コンバータ１６は、駆動モータ２０において回生電力が発生する場合には、当該回生電力を二次電池１５に蓄電させる。なお、二次電池コンバータ１６は、燃料電池コンバータ１１とは異なる構成を有していてもよい。
【００２６】
駆動モータ２０は、前述したように、燃料電池車両の車輪を駆動する動力源であり、例えば、三相交流モータによって構成される。駆動モータ２０は、交流導線を介してインバータ２１の交流端子に接続されている。
【００２７】
インバータ２１は、ＤＣ／ＡＣインバータであり、制御部５０からの指令に応じて、燃料電池１０および二次電池１５から第２の直流導線Ｌ２を介して直流で供給される電力を三相交流の電力に変換して駆動モータ２０に供給する。また、インバータ２１は、駆動モータ２０において発生する回生電力を直流電力に変換して第２の直流導線Ｌ２に出力する。インバータ２１は、ＩＰＭを用いて構成されてもよい。燃料電池システム１００は、複数のインバータ２１を備えていてよく、各インバータ２１を介して、駆動モータ２０以外の他の補機類（図示は省略）が第２の直流導線Ｌ２と電気的に接続されていてもよい。
【００２８】
第１の電圧計測部３１は第１の直流導線Ｌ１に接続されており、燃料電池コンバータ１１の入力電圧を計測し、その計測値ＶＬを表す信号を制御部５０に出力する。第２の電圧計測部３２は第２の直流導線Ｌ２に接続されており、燃料電池コンバータ１１の出力電圧を計測し、その計測値ＶＬ，ＶＨを表す信号を制御部５０に出力する。第１と第２の電圧計測部３１，３２はそれぞれ、例えば、電圧センサによって構成されてもよい。なお、燃料電池コンバータ１１の入力電圧および出力電圧はそれぞれ、燃料電池コンバータ１１のリアクトル（後述）の入力電圧および出力電圧に相当する。第１の電圧計測部３１は、リアクトルに対する入力の大きさとしてその入力電圧を計測しており、本発明における入力計測部の下位概念のひとつであるとも解釈できる。また、第２の電圧計測部３２は、リアクトルからの出力の大きさとしてその出力電圧を計測しており、本発明における出力計測部の下位概念のひとつであるとも解釈できる。なお、本明細書において、燃料電池コンバータ１１やリアクトルの「入力の大きさ」および「出力の大きさ」は、リアクトルに蓄積される電気的なエネルギの大きさに相当し、電流、電圧、電力のいずれかの大きさを意味していると解釈できる。
【００２９】
制御部５０は、中央処理装置と、主記憶装置と、不揮発性記憶部と、を備えるマイクロコンピュータによって構成され、信号線を介して、燃料電池コンバータ１１と、二次電池コンバータ１６と、インバータ２１と、に接続されている。制御部５０は、燃料電池コンバータ１１と、二次電池コンバータ１６と、インバータ２１と、を制御することによって、燃料電池１０および二次電池１５の出力電力を制御し、運転者からの出力要求に応じた駆動力を駆動モータ２０に発生させる。また、制御部５０は、外部からの出力要求に応じた制御信号Ｓ（後述）を生成し、燃料電池コンバータ１１の動作を制御する。制御部５０は、燃料電池コンバータ１１から受信したリアクトル電流の計測値ＩＬと、第１と第２の電圧計測部３１，３２から受信した燃料電池コンバータ１１の入力電圧および出力電圧の計測値ＶＬ，ＶＨと、を燃料電池コンバータ１１の制御に用いる。制御部５０による燃料電池コンバータ１１の制御手順の詳細については後述する。なお、制御部５０は、燃料電池システム１００を制御することを目的として構成された単体のユニットであってもよいし、例えば、燃料電池車両全体を制御する制御ユニットなど、種々の制御機能を有する制御ユニットの一部として構成されていてもよい。また、制御部５０は、後述する種々の機能をそれぞれ別個に実現する複数の回路やユニット、モジュールなどによって構成されてもよい。
【００３０】
図２は、燃料電池コンバータ１１の構成を示す概略図である。図２では、第２の直流導線Ｌ２に接続されている第４の直流導線Ｌ４の図示は便宜上、省略されている。燃料電池コンバータ１１は、四相ブリッジコンバータとして構成されており、Ｕ相回路部１１Ｕと、Ｖ相回路部１１Ｖと、Ｗ相回路部１１Ｗと、Ｘ相回路部１１Ｘと、を備える。各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘは、第１と第２の電源ラインＬ５ａ，Ｌ５ｂと、アースラインＬ６と、に接続されている。
【００３１】
第１の電源ラインＬ５ａは燃料電池１０に接続されている入力側の電源ラインであり、第２の電源ラインＬ５ｂはインバータ２１に接続されている出力側の電源ラインである。アースラインＬ６は、燃料電池１０とインバータ２１に共通のアースラインである。Ｘ相回路部１１Ｘの後段には、平滑コンデンサ６６が設けられている。平滑コンデンサ６６は、第２の電源ラインＬ５ｂとアースラインＬ６とに接続されており、第２の電源ラインＬ５ｂとアースラインＬ６との間の電圧変動を低減する。
【００３２】
各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘは、リアクトル６１と、出力用のダイオード６２と、スイッチング素子６３と、を備える。各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘのリアクトル６１の入力端子は、第１の電源ラインＬ５ａに接続されている。
【００３３】
各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘのリアクトル６１の出力端子は、ダイオード６２を介して、第２の電源ラインＬ５ｂに接続されている。ダイオード６２は、リアクトル６１から第２の電源ラインＬ５ｂへ向かう方向を順方向として設けられている。ダイオード６２と第２の電源ラインＬ５ｂとの間にはそれぞれ電流計測部６７Ｕ，６７Ｖ，６７Ｗ，６７Ｘが設けられている。電流計測部６７Ｕ，６７Ｖ，６７Ｗ，６７Ｘは、例えば、電流センサによって構成される。各電流計測部６７Ｕ，６７Ｖ，６７Ｗ，６７Ｘは、対応する各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘのリアクトル６１から流れ出る電流であるリアクトル電流を計測し、その計測値ＩＬＵ，ＩＬＶ，ＩＬＷ，ＩＬＸを制御部５０に送信する。本明細書では、各相のリアクトル電流の計測値ＩＬＵ，ＩＬＶ，ＩＬＷ，ＩＬＸを総称して、「リアクトル電流の計測値ＩＬ」、あるいは、単に「リアクトル電流ＩＬ」と呼ぶ。このように、各電流計測部６７Ｕ，６７Ｖ，６７Ｗ，６７Ｘは、リアクトル６１の出力の大きさであるリアクトル電流ＩＬを計測しており、本発明における出力計測部の下位概念のひとつであるとも解釈できる。
【００３４】
また、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘのリアクトル６１の出力端子は、スイッチング素子６３を介して、アースラインＬ６に接続されている。各スイッチング素子６３は、トランジスタ６４と、保護用ダイオード６５と、によって構成されている。トランジスタ６４は、ｎｐｎタイプのトランジスタであり、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、電力用ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ、電力用バイポーラトランジスタなどによって構成される。トランジスタ６４は、リアクトル６１側をコレクタとし、アースラインＬ６側をエミッタとして接続されている。保護用ダイオード６５は、トランジスタ６４のコレクタ−エミッタ間において、コレクタ電流の流れる方向とは逆方向に接続されている。
【００３５】
各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘのトランジスタ６４のベース端子には制御部５０から、各スイッチング素子６３のデューティ比（後述）を設定するための制御信号ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ，ＳＸのうちの対応する一つが入力される。各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘのスイッチング素子６３は、それぞれに入力される制御信号ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ，ＳＸに応じてターンオンとターンオフとを繰り返す。以下の説明では、便宜上、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘごとの制御信号ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ，ＳＸを区別することなく、総称して「制御信号Ｓ」とも呼ぶ。
【００３６】
スイッチング素子６３がターンオンすると、燃料電池１０からリアクトル６１を介してスイッチング素子６３に電流が流れ始め、リアクトル６１に直流励磁による磁気エネルギが蓄積される。スイッチング素子６３がターンオフすると、ターンオンしていた期間にリアクトル６１に蓄積された磁気エネルギは、電流として、ダイオード６２および第２の電源ラインＬ５ｂを介して、インバータ２１に出力される。
【００３７】
このように、リアクトル６１には、スイッチング素子６３がターンオンしてリアクトル６１に電流が流れている間に、電気的なエネルギとして磁気エネルギが蓄積される。そして、スイッチング素子６３がターンオフしている間に、リアクトル６１に蓄積された磁気エネルギが放出されて、リアクトル６１から第２の電源ラインＬ５ｂに電流が流れる。
【００３８】
スイッチング素子６３がターンオフされたときにリアクトル６１に蓄積された磁気エネルギによって生じる誘導電圧は、燃料電池１０の出力電圧に重ね合わされる。そのため、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘの出力電圧である第２の電源ラインＬ５ｂの電圧は、燃料電池１０の出力電圧である第１の電源ラインＬ５ａの電圧よりも高くなる。
【００３９】
各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘには、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘのスイッチング素子６３が順次ターンオンされるように制御信号Ｓが送信され、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘの出力電圧が順次、重ね合わせられる。これによって、インバータ２１に入力される電圧が、燃料電池１０の出力電圧より高く維持される。以上の動作によって、燃料電池コンバータ１１は、燃料電池１０から入力された電圧を昇圧してインバータ２１に入力する。
【００４０】
図３を参照して、燃料電池コンバータ１１のデューティ比を説明する。図３には、リアクトル電流ＩＬおよびその実効電流Ｉｅの時間変化と、スイッチング素子６３のＯＮ／ＯＦＦタイミングと、を示すタイミングチャートの一例が図示されている。図３では、リアクトル電流ＩＬの時間変化が一点鎖線で示され、リアクトル６１における実効電流Ｉｅの時間変化が実線で示されている。図３の例では、リアクトル６１における実効電流Ｉｅがほぼ一定である。
【００４１】
制御部５０は、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘごとに、一サイクル中においてスイッチング素子６３が開く期間の割合であるデューティ比を設定することによって、各相回路部１１Ｕ〜１１Ｘのリアクトル６１から流れる電流を制御する。本実施形態では、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘごとのデューティ比の設定方法は同じであるため、以下の説明では、便宜上、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘの区別をすることなく、燃料電池コンバータ１１におけるデューティ比の制御として説明する。
【００４２】
上述したように、スイッチング素子６３がターンオンされるとリアクトル電流ＩＬが増加し始め、スイッチング素子６３がターンオフされるとリアクトル電流ＩＬは低下し始める。リアクトル６１の実効電流Ｉｅは、リアクトル電流ＩＬの時間平均に相当する。従って、一サイクル中におけるスイッチング素子６３のターンオンの期間の割合が大きくなり、ターンオフの期間の割合が小さくなれば、リアクトル６１の実効電流Ｉｅは高くなっていく。逆に、一サイクル中におけるスイッチング素子６３のターンオンの期間の割合が小さくなり、ターンオフの期間の割合が大きくなれば、リアクトル６１の実効電流Ｉｅは低くなっていく。
【００４３】
図４は、制御部５０による燃料電池コンバータ１１の制御処理のフローを示す説明図である。制御部５０は、上述したデューティ比を用いて燃料電池コンバータ１１の出力電圧をフィードバック制御する。この制御部５０による制御は、燃料電池システム１００に組み込まれている電圧制御システムの制御であると解釈することもできる。制御部５０は、以下のステップＳ１０〜Ｓ６０の一連の処理を、燃料電池システム１００が起動された後、停止されるまでの間、所定の制御周期で繰り返す。なお、本実施形態では、便宜上、制御部５０の制御周期は、燃料電池コンバータ１１の駆動周期であるスイッチング素子６３の開閉周期と一致しているものとして説明する。制御部５０の制御周期は、必ずしも燃料電池コンバータ１１の駆動周期と一致していなくてもよく、燃料電池コンバータ１１の駆動周期よりも長くてもよい。
【００４４】
ステップＳ１０では、制御部５０は、燃料電池１０に出力させる目標電力と、インバータ２１に入力されるべき目標電力と、を決定する。制御部５０は、燃料電池車両のアクセルペダルＡＰを介して、運転者からの出力要求を取得し、その出力要求に応じて、それらの目標電力を決定する。また、制御部５０は、運転者の出力要求に加えて、あるいは、その代わりに、燃料電池車両に搭載されている補機類等に供給すべき電力など、燃料電池システム１００や燃料電池車両の運転のために内部的に生じる制御要求に基づいて、それらの目標電力を決定してもよい。例えば、制御部５０は、燃料電池１０や他の補機類の暖機のための燃料電池１０の発電量を、外気温や燃料電池１０の温度、二次電池１５の充電状態（ＳＯＣ）に基づいて決定し、その発電量に基づいて目標電力を決定してもよい。これらの目標電力を決定する際には、現在の燃料電池１０の出力特性（Ｉ−Ｖ特性）や、二次電池１５の充電状態（ＳＯＣ）などが考慮されることが好ましい。制御部５０は、燃料電池１０の目標電圧を燃料電池コンバータ１１の入力電圧の目標値に設定する。また、インバータ２１に入力されるべき目標電力に応じて、燃料電池コンバータ１１の出力電流の目標値である電流目標値Ｉｔを決定する。電流目標値Ｉｔは、燃料電池コンバータ１１の実効電流の値である。さらに、制御部５０は、その電流目標値Ｉｔを達成するための燃料電池コンバータ１１の出力電圧の目標値Ｖｔと、各リアクトル６１ごとの出力電流（実効電流）の目標値であるリアクトル目標電流値ＩＬｔを決定する。
【００４５】
ここで、制御部５０は、前回のサイクルにおける電流目標値Ｉｔである前回値Ｉｐを自身の記憶部に記憶している。ステップＳ２０では、下記の式（１）に示されているように、今回のサイクルにおける電流目標値Ｉｔ（以下、「今回値Ｉｔ」とも呼ぶ）から前回値Ｉｐを減じて、前回値Ｉｐに対する今回値Ｉｔの上昇量である変化量ΔＩを算出する。
ΔＩ＝Ｉｔ−Ｉｐ  …（１）
【００４６】
ステップＳ３０では、制御部５０は、デューティ比ＤＣの算出方法を決めるために、変化量ΔＩについての判定処理をおこなう。制御部５０は、変化量ΔＩが所定の閾値Ｉｔｈ未満であるときには、ステップＳ４０において、デューティ比ＤＣとして第１デューティ比ＤＣＡを算出する。一方、制御部５０は、変化量ΔＩが所定の閾値Ｉｔｈ以上であるときには、ステップＳ４２において、デューティ比ＤＣとして第２デューティ比ＤＣＢを算出する。変化量ΔＩに応じてデューティ比ＤＣの算出方法を変える理由については後述する。所定の閾値Ｉｔｈは、実験的に予め決められている値でよい。本実施形態では、所定の閾値Ｉｔｈは、当該閾値Ｉｔｈに相当する電流を目標値として、以下に説明する第１デューティ比ＤＣＡを用いて燃料電池コンバータ１１をフィードバック制御した場合に応答遅れが生じる可能性がある値に設定されている。
【００４７】
ステップＳ４０では、制御部５０は、下記の式（２ａ）に示されているように、第１デューティ比ＤＣＡを、フィードフォワード項ＦＦＣと、フィードバック項ＦＢＣと、を加算することによって算出する。フィードフォワード項ＦＦＣは、電流目標値Ｉｔに応じたデューティ比ＤＣを得るための基本項を構成する項のひとつであり、リアクトル６１における現在の入力電圧の計測値ＶＬおよび出力電圧の計測値ＶＨを用いて、または、リアクトル６１における入力電圧の目標値ＶＬｔおよび出力電圧の目標値ＶＨｔを用いて導出される成分である。本実施形態では、フィードフォワード項ＦＦＣは、リアクトル６１における現在の入力電圧の計測値ＶＬと出力電圧の計測値ＶＨとを用いて導出され、例えば、下記の式（３）によって算出される。フィードバック項ＦＢＣは、燃料電池コンバータ１１における現在の出力の大きさと目標出力との差を解消するための成分である。本実施形態では、フィードバック項ＦＢＣは、リアクトル電流ＩＬの実効値Ｉｅｍと、リアクトル目標電流値ＩＬｔと、を用いて導出される。第１デューティ比ＤＣＡのフィードバック項ＦＢＣは、例えば、下記の式（４）によって算出される。式（４）中の比例ゲインＫｐａおよび積分ゲインＫｉａは、電流を表す成分をデューティ比を表す成分に変換可能な所定の係数である。フィードバック項ＦＢＣは、電流目標値Ｉｔに応じたデューティ比ＤＣを得るための基本項を構成する項のひとつである。
【００４８】
＜第１デューティ比ＤＣＡ＞
ＤＣＡ＝ＦＦＣ＋ＦＢＣ  …（２ａ）
ＦＦＣ＝１−ＶＬ／ＶＨ  …（３）
ＦＢＣ＝Ｋｐａ・（ＩＬｔ−Ｉｅｍ）＋Ｋｉａ・Σ（ＩＬｔ−Ｉｅｍ）  …（４）
Ｋｐａ：比例ゲイン
Ｋｉａ：積分ゲイン
ＩＬｔ：リアクトル６１の出力電流の目標値（実効値）
Ｉｅｍ：リアクトル６１の現在の出力電流の計測値（実効値）
ＶＬ：燃料電池コンバータ１１の入力電圧の計測値
ＶＨ：燃料電池コンバータ１１の出力電圧の計測値
【００４９】
ステップＳ４２では、制御部５０は、下記の式（２ｂ）に示されているように、第２デューティ比ＤＣＢを、フィードフォワード項ＦＦＣとフィードバック項ＦＢＣとで構成される基本項に、追加項α／Ｔを加算することによって算出する。第２デューティ比ＤＣＢのためのフィードフォワード項ＦＦＣは、上記の式（３）から算出される値と同じでよい。一方、フィードバック項ＦＢＣは、下記の式（４’）に示されているように、第１デューティ比ＤＣＡのときとは異なる比例ゲインＫｐｂおよび積分ゲインＫｉｂを用いて算出される。なお、比例ゲインＫｐｂおよび積分ゲインＫｉｂは０であってもよい。この場合には、第２デューティ比ＤＣＢは、少なくとも、フィードフォワード項ＦＦＣのみで構成される基本項に、追加項α／Ｔが加算されることによって算出されることになる。追加項α／Ｔは、第２デューティ比ＤＣＢの値を、変化量ΔＩに応じて増加させるための成分であり、変化量ΔＩを用いて導出される。追加項α／Ｔは、例えば、下記の式（５）によって算出される。なお、変数αを、周期Ｔで除しているのは、変化量ΔＩに応じて変化する変数αをデューティ比を得るための数式に組み入れるためである。
【００５０】
＜第２デューティ比ＤＣＢ＞
ＤＣＢ＝ＦＦＣ＋ＦＢＣ＋α／Ｔ  …（２ｂ）
ＦＦＣ＝１−ＶＬ／ＶＨ…（３）
ＦＢＣ＝Ｋｐｂ・（ＩＬｔ−Ｉｅｍ）＋Ｋｉｂ・Σ（ＩＬｔ−Ｉｅｍ）  …（４’）
α／Ｔ＝（Ｌ・ΔＩ）／ＶＨｔ  …（５）
Ｋｐｂ：比例ゲイン
Ｋｉｂ：積分ゲイン
Ｌ：リアクトル６１のインダクタンス
Ｔ：スイッチング素子６３が開閉周期（燃料電池コンバータ１１の駆動周期）
【００５１】
本実施形態では、追加項α／Ｔは、リアクトル６１のインダクタンスＬが反映された値である。なお、インダクタンスＬは、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘにおけるリアクトル６１ごとに求められた値であることが望ましく、追加項α／Ｔは、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘのリアクトル６１ごとに導出され、設定されることが望ましい。これによって、追加項α／Ｔを、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘのリアクトル６１の特性が反映された値とすることができる。追加項α／Ｔを導出する上記の式（５）の由来や、追加項α／Ｔの機能・役割については後述する。
【００５２】
ステップＳ５０では、制御部５０は、ステップＳ４０またはステップＳ４２において導出されたデューティ比ＤＣによって燃料電池コンバータ１１に昇圧動作を実行させる。具体的には、制御部５０は、デューティ比ＤＣを表す制御信号Ｓを生成し、各相回路部１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘのスイッチング素子６３に送信し、各スイッチング素子６３の開閉駆動周期を設定する。
【００５３】
制御部５０は、燃料電池システム１００の運転が停止されるまで、ステップＳ１０〜Ｓ５０の処理を、所定の制御周期で繰り返す（ステップＳ６０）。なお、燃料電池システム１００の運転が停止される場合とは、燃料電池１０から他への電力の供給が途絶える場合であるとしてもよいし、燃料電池１０の運転が停止される場合であるとしてもよい。
【００５４】
本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池コンバータ１１のデューティ比ＤＣの算出に、フィードバック項ＦＢＣが用いられている。そのため、目標値Ｉｔに応じたデューティ比ＤＣが設定された後、サイクルを重ねるごとに、燃料電池コンバータ１１の出力電圧を目標値ＶＨｔに近づけることができる。特に、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池コンバータ１１の電流目標値Ｉｔが、一サイクルの間に閾値Ｉｔｈを超えるような変化量ΔＩで上昇した場合には、デューティ比ＤＣとして、追加項α／Ｔを用いて算出された第２デューティ比ＤＣＢが用いられる。これによって、以下に説明するように、燃料電池コンバータ１１の出力電流の電流目標値Ｉｔに対する追従性が高められている。
【００５５】
図５は、第２デューティ比ＤＣＢの算出に用いられている追加項α／Ｔの算出方法を説明するための説明図である。図５には、制御周期Ｔで制御されている間のリアクトル電流ＩＬの時間変化の一例が図示されている。現在の電流の目標値Ｉｃで制御されている任意の一サイクルの間（時刻ｔ１〜ｔ２）に、次の目標値Ｉｎｅが設定された場合を想定する。なお、この周期におけるターンオンの期間はＴＯＮであり、ターンオフの期間はＴＯＦＦである。また、現在の目標値Ｉｃに対する次の目標値Ｉｎｅの変化量ΔＩは、図４のステップＳ３０で用いられる所定の閾値Ｉｔｈ以上の値である。
【００５６】
このとき、仮に、次の周期（時刻ｔ２〜ｔ３）において、リアクトル６１において目標値Ｉｎｅの実効電流を得るためには、時刻ｔ２において、現在の周期（時刻ｔ１〜ｔ２）における電流の最低値Ｉｂから変化量ΔＩだけ大きい電流Ｉｓが出力されることが望ましい。時刻ｔ２において電流Ｉｓを得るために延長されるべきターンオンの時間をΔＴとすると、延長時間ΔＴと変化量ΔＩとの関係は、以下の式（８）のように表される。下記の式（８）中のＶＬ／Ｌは、ターンオンされている間のリアクトル電流ＩＬの時間に対する変化率であり、（ＶＨ−ＶＬ）／Ｌは、ターンオンされている間のリアクトル電流ＩＬの時間に対する変化率である。式（８）より、延長時間ΔＴは、その下の式（９）として得られる。
【００５７】
ΔＩ＝（ＶＬ／Ｌ）・（ＴＯＮ＋ΔＴ）−｛（ＶＨ−ＶＬ）／Ｌ｝・（ＴＯＦＦ−ΔＴ）
＝｛（ＶＬ／Ｌ）・ＴＯＮ−（ＶＨ−ＶＬ）・ＴＯＦＦ｝＋（ＶＨ／Ｌ）・ΔＴ
＝（ＶＨ／Ｌ）・ΔＴ  …（８）
（∵（ＶＬ／Ｌ）・ＴＯＮ−（ＶＨ−ＶＬ）・ＴＯＦＦ＝０）
ΔＴ＝ΔＩ・Ｌ／ＶＨ  …（９）
【００５８】
式（９）の延長時間ΔＴは、上記の式（５）で求められる変数αに相当する。つまり、追加項α／Ｔは、後続する制御周期において変化量ΔＩを達成するために、変化量ΔＩに応じて決められたターンオンの延長時間ΔＴをデューティ比に反映するための成分であると解釈できる。また、一サイクルの間の目標値の変化量ΔＩに対応したデューティ比ＤＣの変化分である延長時間ΔＴに応じた成分であるとも解釈できる。さらに、本実施形態では、制御部５０は、一サイクル中にリアクトル６１に蓄積される電気的なエネルギの変化分と、リアクトル６１から放出される電気的なエネルギの変化分と、の総和が、一サイクル中の目標値の変化分である変化量ΔＩに相当するように、追加項α／Ｔにおけるデューティ比の変化分である延長時間ΔＴを設定している、と解釈できる。
【００５９】
図６は、燃料電池コンバータ１１の出力電流と、デューティ比ＤＣにおけるフィードフォワード項ＦＦＣとフィードバック項ＦＢＣと追加項α／Ｔのそれぞれの変化を示すタイミングチャートの一例を示す説明図である。図６の時間軸は、制御周期Ｔごとに区切られている（時刻ｔ１〜ｔ５）。図６のタイミングチャートの最上段には、指令値である電流の目標値Ｉｔの変化が実線で示されており、燃料電池コンバータ１１が出力する実効電流の実測値である出力電流Ｉｍが一点鎖線で示されている。また、比較例として、第２デューティ比ＤＣＢから追加項α／Ｔを除いたデューティ比を用いて制御した場合の燃料電池コンバータ１１の出力電流Ｉｍａが二点鎖線で示されている。
【００６０】
ここで、一サイクルの間に、電流の目標値Ｉｔが、変化量ΔＩが閾値Ｉｔｈを超えるような急激な上昇を示す場合がある。本実施形態の燃料電池システム１００では、そうした場合には、まず、追加項α／Ｔが加算されることによって、ターンオンの期間の割合が大きく増大された第２デューティ比ＤＣＢが用いられる。そのため、フィードバック項ＦＢＣの値が上昇し始める前から、デューティ比ＤＣの値を大きくすることができ、燃料電池コンバータ１１の出力電流Ｉｍを、より短期間で目標値Ｉｔに近づけることができる。特に、本実施形態の追加項α／Ｔは、図５で説明したように、目標値Ｉｔの変化分である変化量ΔＩや、リアクトル６１のインダクタンスＬが反映された値であるため、出力電流Ｉｍの上昇量が適切に制御される。
【００６１】
また、本実施形態の燃料電池システム１００では、フィードバック項ＦＢＣの値が上昇し始め、目標値Ｉｔと現在の出力電流Ｉｍとの間の差が小さくなった場合には、第２デューティ比ＤＣＢの代わりに、追加項α／Ｔが加算されていない第１デューティ比ＤＣＡが用いられる。つまり、本実施形態の燃料電池システム１００では、変化量ΔＩが所定の閾値Ｉｔｈよりも大きいときには、目標出力の変化が大きい過渡的な期間として、デューティ比ＤＣに、追加項α／Ｔが一時的に追加される。そして、変化量ΔＩが所定の閾値Ｉｔｈ以下であるときを定常的な期間として、デューティ比ＤＣに対する追加項α／Ｔの加算が解除される。このように、本実施形態の燃料電池システム１００では、過渡的な期間にのみ、追加項α／Ｔが基本項に一時的に追加されるため、定常的な期間に、デューティ比ＤＣの設定に追加項α／Ｔが用いられることによって、一サイクル中のターンオンの時間ＴＯＮが無駄に増加してしまうことが抑制される。従って、過渡的な期間から定常的な期間に移行したときに、燃料電池コンバータ１１の出力電流Ｉｍが目標値Ｉｔを大きく超えてしまうオーバーシュートが抑制され、そうしたオーバーシュートに起因して、出力電流Ｉｍがハンチングしてしまうことが抑制される。
【００６２】
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池コンバータ１１の出力電流の目標値に対する応答性や追従性が高められており、燃料電池コンバータ１１の制御性が高められている。
【００６３】
B．変形例：
B1．変形例１：
上記実施形態では、燃料電池コンバータ１１は、四相ブリッジコンバータによって構成されているが、燃料電池コンバータ１１の相数は四相に限定されることはない。燃料電池コンバータ１１の相数は、一相や二相、三相であってもよいし、四相以上であってもよい。また、上記実施形態では、燃料電池コンバータ１１は、電気的なエネルギを蓄積する素子としてリアクトル６１を備えている。これに対して、燃料電池コンバータ１１は、リアクトル６１の代わりに、電気的なエネルギを蓄積する他の素子を備えていてもよい。
【００６４】
B2．変形例２：
上記実施形態では、前回値Ｉｐに対して今回値Ｉｔが、所定の閾値Ｉｔｈを超える変化量ΔＩで上昇したときに、正の追加項α／Ｔが加算される第２デューティ比ＤＣＢが用いられている。これに対して、前回値Ｉｐに対して今回値Ｉｔが、所定の閾値を超える変化量ΔＩで減少したときに、変化量ΔＩに応じたデューティ比ＤＣの減少分を表す負の追加項α／Ｔが加算された第２デューティ比ＤＣＢが用いられてもよい。また、目標値Ｉｔが上昇するときと減少するときとで、追加項の絶対値が異なっていてもよく、例えば、目標値Ｉｔが減少するときには、目標値Ｉｔが上昇するときに比較して、数割程度小さい追加項が用いられてもよい。
【００６５】
B3．変形例３：
上記実施形態では、変化量ΔＩが所定の閾値Ｉｔｈ未満である場合には、追加項α／Ｔが用いられずに導出される第１デューティ比ＤＣＡがデューティ比ＤＣとして設定されている。これに対して、ステップＳ３０の判定処理や第１デューティ比ＤＣＡが用いられる制御は省略されてもよく、変化量ΔＩの値にかかわらず、追加項α／Ｔが加算される第２デューティ比ＤＣＢが用いられる制御が実行されてもよい。このような構成であっても、変化量ΔＩが小さくなったときに、追加項α／Ｔの値も小さくなるため、追加項α／Ｔが加算されていることによる制御性の低下は抑制される。ただし、この場合には、第２フィードバック項ＦＢＣの比例ゲインＫｐｂおよび積分ゲインＫｉｂはともに０でないことが望ましい。
【００６６】
B4．変形例４：
上記実施形態では、追加項α／Ｔは、リアクトル６１のインダクタンスＬと、変化量ΔＩと、燃料電池コンバータ１１の出力電圧の目標値ＶＨｔと、を用いた式（５）によって算出されている。これに対して、追加項α／Ｔは、他の数式を用いて算出されてもよい。例えば、追加項α／Ｔは、出力電圧の目標値ＶＨｔに代えて、燃料電池コンバータ１１の出力電圧の計測値ＶＨを用いて算出されてもよく、例えば、下記の式（１０）によって算出されてもよい。これによれば、追加項α／Ｔに、現在の出力電圧の計測値ＶＨを反映させることができる。
α／Ｔ＝（Ｌ・ΔＩ）／ＶＨ  …（１０）
【００６７】
B5．変形例５：
上記実施形態においては、デューティ比ＤＣのフィードフォワード項ＦＦＣは、上記の式（３）によって算出されており、フィードバック項ＦＢＣは、上記の式（４）によって算出され、追加項α／Ｔは、上記の式（５）によって算出されている。これに対して、デューティ比ＤＣのフィードフォワード項ＦＦＣやフィードバック項ＦＢＣ、追加項α／Ｔは、他の数式によって算出されてもよいし、数式を用いた方法以外の方法で導出されてもよい。例えば、フィードフォワード項ＦＦＣは、下記の式（３’）によって算出されてもよい。
ＦＦＣ＝１−ＶＬｔ／ＶＨｔ  …（３’）
ＶＬｔ：燃料電池コンバータ１１の入力電圧の目標値
ＶＨｔ：燃料電池コンバータ１１の出力電圧の目標値
【００６８】
フィードフォワード項ＦＦＣは、リアクトル６１における現在の入力電圧の計測値ＶＬおよび出力電圧の計測値ＶＨとの組み合わせ、あるいは、リアクトル６１における入力電圧の目標値ＶＬｔおよび出力電圧の目標値ＶＨｔの組み合わせに対して一意に値が定まるマップを用いて導出されてもよい。また、フィードフォワード項ＦＦＣは、入力電流の目標値と出力電流の目標値とを用いて導出されてもよいし、入力電力の計測値と出力電力の計測値とを用いて導出されてもよい。
【００６９】
上記実施形態では、フィードバック項ＦＢＣは、リアクトル６１の出力の計測値に相当する実効値Ｉｅｍと、リアクトル６１の出力の目標値に相当するリアクトル目標電流値ＩＬｔと、を用いた上記の式（４），（４’）によって算出されている。これに対して、フィードバック項ＦＢＣは、実効値Ｉｅｍとリアクトル目標電流値ＩＬｔとの組み合わせに対して一意に値が定まるマップなどを用いて導出されてもよい。また、フィードバック項ＦＢＣは、リアクトル６１の出力の計測値と目標値として、出力電圧の計測値ＶＨと目標値ＶＨｔとを用いて導出されてもよい。フィードバック項ＦＢＣは、リアクトル６１の出力電力の計測値と目標値とを用いて導出されてもよい。第１デューティ比ＤＣＡの導出に用いられるフィードバック項ＦＢＣと、第２デューティ比ＤＣＢの導出に用いられるフィードバック項ＦＢＣと、は上記実施形態で説明したように異なっていてもよいし、同じであってもよい。
【００７０】
追加項α／Ｔは、変化量ΔＩを用いて、あるいは、前回値Ｉｐと今回値Ｉｔとを用いて導出されればよい。例えば、予め設定されているマップなどによって、変化量ΔＩや、前回値Ｉｐと今回値Ｉｔとの組み合わせに対して、変化量ΔＩに応じて変化する値が一意に導出される構成としてもよい。デューティ比ＤＣには、フィードフォワード項ＦＦＣや、フィードバック項ＦＢＣ、追加項α／Ｔの他に、他の成分が、燃料電池コンバータ１１の電圧制御に影響が出ない範囲において含まれていてもよい。
【００７１】
B6.変形例６：
上記実施形態において、制御部５０は、燃料電池コンバータ１１に対して、目標値Ｉｔが低く、リアクトル６１の出力電流が断続的に０になるときの不連続モードの制御と、目標値Ｉｔが高く、リアクトル６１の出力電流が一サイクルの間、継続的に０より大きくなる連続モードの制御とを、それぞれ異なる基準で設定されるデューティ比を用いて実行してもよい。この場合には、上記実施形態における追加項を用いたデューティ比ＤＣの制御は、少なくとも、連続モードの制御に適用されればよい。
【００７２】
B7.変形例７：
上記実施形態では、本発明の一実施形態である電圧制御システムが、燃料電池システム１００に適用されて、燃料電池１０の電圧の昇圧に用いられている構成例が説明されている。これに対して、本発明の電圧制御システムの構成は、燃料電池システム１００に限らず、電圧を発生する種々の装置やシステムに適用されてもよい。例えば、燃料電池以外の発電体を備えた発電システムに適用されてもよい。
【００７３】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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することができる。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、実施例、変形例中の技術的特徴は、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。
【符号の説明】
【００７４】
１０…燃料電池
１１…燃料電池コンバータ
１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１１Ｘ…相回路部
１５…二次電池
１６…二次電池コンバータ
２０…駆動モータ
２１…インバータ
３１，３２…電圧計測部
５０…制御部
６１…リアクトル
６２…ダイオード
６３…スイッチング素子
６４…トランジスタ
６５…保護用ダイオード
６６…平滑コンデンサ
６７Ｕ，６７Ｖ，６７Ｗ，６７Ｘ…電流計測部
１００…燃料電池システム
Ｌ１〜Ｌ４…直流導線
Ｌ５ａ，Ｌ５ｂ…電源ライン
Ｌ６…アースライン
Ｉｃ…目標値
Ｉｅ…実効電流
ＩＬ，ＩＬＵ，ＩＬＶ，ＩＬＷ，ＩＬＸ…リアクトル電流
Ｉｍ，Ｉｍａ…出力電流
Ｉｎｅ…目標値
Ｉｓ…電流
Ｉｔ…目標値
Ｓ，ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ，ＳＸ…制御信号
Ｔ…制御周期
ＴＯＮ…ターンオンの時間
ＴＯＦＦ…ターンオフの時間
ＶＬ，ＶＨ…電圧の計測値
ＶＬｔ，ＶＨｔ…電圧の目標値
ΔＩ…変化量
ΔＴ…延長時間
【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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