(57)【要約】【課題】既存の燃料電池システムよりも，高い昇圧比まで昇圧が可能な燃料電池システム等を提供する。【解決手段】燃料電池と、当該燃料電池の出力電圧を昇圧するための，パルス幅変調方式方式のソフトスイッチングコンバータを備えた燃料電池システムを、必要とされる昇圧比が所定値（“第２閾値”）よりも高い場合、ソフトスイッチングコンバータの制御周期が通常よりも長いもの（“特殊制御周期”）に変更されるシステム等として構成しておく。【選択図】図４
2009163947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を消費して動作する電力消費装置に電力を供給するための燃料電池システムにおいて、
燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を昇圧するための，パルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータと、
前記ソフトスイッチングコンバータの変圧比を制御するための制御ユニットであって、目的とする変圧比に依って前記ソフトスイッチングコンバータの制御周期を変更する制御ユニットと
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御ユニットが、
目的とする変圧比が予め定められている規定変圧比よりも高い場合に、前記ソフトスイッチングコンバータの制御周期を長くするユニットである
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御ユニットが、
目的とする変圧比がソフトスイッチング制御が不可能な低い変圧比である場合に、前記ソフトスイッチングコンバータの制御周期を長くするユニットである
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
入力電圧を昇圧するためのパルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータと、
前記ソフトスイッチングコンバータの変圧比を制御するための制御ユニットであって、目的とする変圧比に依って前記ソフトスイッチングコンバータの制御周期を変更する制御ユニットと
を備えることを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力消費装置に電力を供給するための燃料電池システムと、燃料電池等から入力される電圧を昇圧するための電源装置とに、関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、変圧比（昇降圧比）を制御可能なＤＣ−ＤＣコンバータとしては、スイッチング周波数（１サイクル分の制御時間の逆数）を変更することにより変圧比を制御するタイプのもの（例えば、特許文献１〜４参照。）と、スイッチ素子のＯＮ時間を変更することにより変圧比を制御するタイプのもの（例えば、特許文献５参照。）とが、存在している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０４２８９号公報
【特許文献２】特開２００１−１９００６２号公報
【特許文献３】特開平７−１２３７１８号公報
【特許文献４】特開平１１−２８９７５９号公報
【特許文献５】特開２００４−９６８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スイッチ素子のＯＮ時間を変更することにより変圧比を制御するタイプのＤＣ−ＤＣコンバータ（以下、パルス幅変調方式コンバータと表記する）は、回路構成上は、スイッチング周波数を変更することが可能なものである。しかしながら、パルス幅変調方式コンバータについては、『入力電流のリプルを低減するために、パルス幅変調方式コンバータ（スイッチング電源）の温度に基づき，スイッチング周波数を補正する』（特許文献５参照）といったことしか行われていないのが、現状である。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、パルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータ（ソフトスイッチングが可能なパルス幅変調方式コンバータ）を備えた燃料電池システム，電源装置であって、ソフトスイッチングコンバータ（パルス幅変調方式コンバータ）のスイッチング周波数の制御（変更）をより直接的な性能向上のために行う燃料電池システム，電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の，電力を消費して動作する電力消費装置に電力を供給するための燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の出力電圧を昇圧するための，パルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータと、ソフトスイッチングコンバータの変圧比を制御するための制御ユニットであって、目的とする変圧比に依ってソフトスイッチングコンバータの制御周期を変更する制御ユニットとを、備える。
【０００７】
すなわち、パルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータは、その回路構成上、ソフトスイッチングを実現するための処理（スイッチ素子の印加電圧或いは導通電流を０Ｖ或いは０Ａとするための処理；ソフトスイッチング用処理と表記する）に或る程度の時間がかかるコンバータ（ソフトスイッチング用処理にかかる時間によって昇圧比の上限が定まるコンバータ）となっている。また、パルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータは、その回路構成上、昇圧比が低いとソフトスイッチングが実現できないコンバータともなっているのであるが、本発明の燃料電池システムは、そのようなパルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータの制御周期（キャリア周期，スイッチング周波数の逆数）
を、目的とする（必要とされる）変圧比に依って変更する構成を有している。
【０００８】
そして、制御ユニットとして、例えば、目的とする変圧比が予め定められている規定変圧比よりも高い場合に、ソフトスイッチングコンバータの制御周期を長くするものを採用しておけば、ソフトスイッチング用処理にかかる時間の割合を低減できることになる結果として、そのような制御周期の変更機能を有さない燃料電池システムよりも，高い昇圧比まで昇圧が可能な燃料電池システムを実現できることになる。また、制御ユニットとして、例えば、目的とする変圧比がソフトスイッチング制御が不可能な低い変圧比である場合に、ソフトスイッチングコンバータの制御周期を長くするものを採用しておけば、目的とする変圧比が低い場合のスイッチング損失（システムの起動時等のスイッチング損失）が少ない燃料電池システムを実現できることになるのであるから、本発明の燃料電池システムは、ソフトスイッチングコンバータのスイッチング周波数の制御（変更）をより直接的な性能向上のために行う構成を有していることになる。
【０００９】
また、本発明の電源装置は、入力電圧を昇圧するためのパルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータと、前記ソフトスイッチングコンバータの変圧比を制御するための制御ユニットであって、目的とする変圧比に依って前記ソフトスイッチングコンバータの制御周期を変更する制御ユニットとを備えた装置となっている。従って、本発明の電源装置も、ソフトスイッチングコンバータのスイッチング周波数の制御（変更）をより直接的な性能向上のために行う装置となっていると言うことが出来る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、制御周期の変更機能を有さない既存の燃料電池システム，電源装置よりも、性能の良い燃料電池システム，電源装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
まず、図１を用いて、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０の概要を説明する。
【００１３】
図示してあるように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池１１，ＦＣ昇圧コンバータ１２，バッテリ１３，バッテリ昇圧コンバータ１４，インバータ１５，電子制御ユニット１６，水素タンク１７及びコンプレッサ１８を備えたシステムである。また、燃料電池システム１０は、車両１のモータ２０（本実施形態では、いわゆる三相交流モータ）に電力を供給するためのシステムとなっている。
【００１４】
この燃料電池システム１０が備える電子制御ユニット１６（以下、ＥＣＵ１６とも表記する）は、アクセルペダルセンサ２１からの信号，モータ２０からの信号等に基づき、ＦＣ昇圧コンバータ１２，バッテリ昇圧コンバータ１４，インバータ１５，水素タンク１７及びコンプレッサ１８を統合的に制御するユニットである。なお、アクセルペダルセンサ２１とは、アクセル開度（車両１に設けられているアクセスペダルの踏み込みの程度を示す情報）を検出するためのセンサのことである。また、モータ２０からの信号とは、モータ２０の回転数を示す信号のことである。
【００１５】
インバータ１５は、直流電力を，モータ２０を駆動するための交流電力に変換する回路である。燃料電池１１（以下、ＦＣ１１とも表記する）は、水素タンク１７からの水素ガスとコンプレッサ１８によって圧送されてくる空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う電池である。
【００１６】
ＦＣ昇圧コンバータ１２は、ＦＣ１１の出力電圧を昇圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータである。
【００１７】
バッテリ１３は、燃料電池１１からインバータ１５へ所望の電力が供給できない場合に、不足分の電力の供給源として機能する二次電池（蓄電池）である。このバッテリ１３は、車両１の減速時にモータ２０が発電する電力や，ＦＣ１１からの電力により，充電が行われるものとなっている。
【００１８】
バッテリ昇圧コンバータ１４は、バッテリ１３の出力電圧を昇圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータである。このバッテリ昇圧コンバータ１４は、既存の多相コンバータと同様に、同一構成の複数の昇圧スイッチングコンバータを並列接続したものとなっている。
【００１９】
以上のことを前提に、以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成及び動作をさらに具体的に説明する。
【００２０】
まず、図２を用いて、ＦＣ昇圧コンバータ１２の回路構成を説明することにする。なお、この図２における負荷４０とは、バッテリ１３，バッテリ昇圧コンバータ１４，インバータ１５及びモータ２０で構成されている部分（図１参照）のことである。
【００２１】
図から明らかなように、ＦＣ昇圧コンバータ１２は、パルス幅変調方式の昇圧スイッチングコンバータ〔コイルＬ１，ダイオードＤ５，スイッチ素子Ｓ１，コンデンサＣ３（及び帰還ダイオードＤ４）からなる回路〕に、補助回路３０，平滑コンデンサＣ１及び平滑コンデンサＣ４を追加したものとなっている。なお、パルス幅変調方式の昇圧スイッチングコンバータとは、１制御周期当たりのスイッチ素子Ｓ１のＯＮ時間（いわゆるデューティ比）を変更することにより，昇圧比を調整できるコンバータのことである。
【００２２】
このＦＣ昇圧コンバータ１２に追加されている補助回路３０は、スイッチ素子Ｓ１（本実施形態では、ＩＧＢＴ）のソフトスイッチング（ゼロ電圧スイッチング）を可能とするための回路である。
【００２３】
より具体的には、補助回路３０は、コンデンサＣ２，コイルＬ２，及び，それをＯＮにすることにより，ＦＣ１１，コイルＬ２，コンデンサＣ２及びダイオードＤ２が直列接続された回路（一種のＬＣ回路；以下、半波共振回路と表記する）が形成されることになるスイッチ素子Ｓ２を主要な構成要素とした回路となっている。また、補助回路３０は、スイッチ素子Ｓ１にかかる電圧と同じ電圧が、コンデンサＣ２にかかる回路となっている。
【００２４】
従って、スイッチ素子Ｓ１に電圧がかかっている状態で，この補助回路３０のスイッチ素子Ｓ２をＯＮにすると、コンデンサＣ２に貯まっているエネルギーがコイルＬ２に移行することによりコンデンサＣ２の電圧（＝スイッチ素子Ｓ１の電圧）が下がることになる。なお、このエネルギーの移行が、短時間で完了する形，かつ，出力電圧にさほど影響を与えない形で行われるようにするために、補助回路３０は、コンデンサＣ２，コイルＬ２として、それぞれ、低キャパシタンスのもの、低インダクタンスのものを用いた回路となっている。
【００２５】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１０に用いられているＥＣＵ１６の機能を説明する。
【００２６】
ＥＣＵ１６は、アクセル開度，モータ２０の回転数，ＦＣ１１の出力電圧等から，必要とされる昇圧比（ＦＣ昇圧コンバータ１２の出力電圧／ＦＣ１１の出力電圧）を求め、その昇圧比での昇圧動作を行わせるための制御を、ＦＣ昇圧コンバータ１２に対して行うユ
ニットである。
【００２７】
より具体的には、ＥＣＵ１６は、図３に模式的に示してあるように、必要とされる昇圧比（及び１制御時間）に応じた時間分，スイッチ素子Ｓ１をＯＮとする制御を，繰り返すユニットとなっている。また、ＥＣＵ１６は、スイッチ素子Ｓ１のＯＮ時間の，Ｓ２先行時間前に，スイッチ素子Ｓ２をＯＮとし、スイッチ素子Ｓ１をＯＦＦとする際に、スイッチ素子Ｓ２もＯＦＦとするユニットとなっている。なお、Ｓ２先行時間とは、Ｃ２のインダクタンス，Ｌ２のキャパシタンス等によって定まる、スイッチ素子Ｓ１の電圧を“ゼロ”とする（或いは、ある程度のレベルまで下げる）ために必要な時間のことである。
【００２８】
さらに、本実施形態に係るＥＣＵ１６は、必要とされる昇圧比に依って，ＦＣ昇圧コンバータ１２の制御周期を変更するユニットとなっている。
【００２９】
具体的には、ＥＣＵ１６は、図４に示した手順の処理を行うユニットとして構成されている。
【００３０】
すなわち、ＥＣＵ１６は、燃料電池システム１０が起動されると、まず、通常の制御周期（詳細は後述）よりも長い制御周期でＦＣ昇圧コンバータ１２を制御する処理である特殊制御処理を開始する（ステップＳ１０１）。その後、ＥＣＵ１６は、アクセル開度，モータ２０の回転数，ＦＣ１１の出力電圧等から、必要とされる昇圧比を特定する処理（ステップＳ１０２）を行う。
【００３１】
特定した昇圧比が，予め定められている第１閾値（本実施形態では、“２”）〜第２閾値の範囲内の値であった場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、ＥＣＵ１６は、実行中の制御処理が特殊制御処理であるか否かを判断する（ステップＳ１０４）。
【００３２】
そして、ＥＣＵ１６は、実行中の制御処理が特殊制御処理であった場合（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）には、通常の制御周期でＦＣ昇圧コンバータ１２を制御する処理である通常制御処理を開始（ステップＳ１０５）してから、ステップＳ１０２以降の処理を再び開始する。また、ＥＣＵ１６は、実行中の制御処理が特殊制御処理でなかった場合（ステップＳ１０４；ＮＯ）には、ステップＳ１０５の処理を行うことなく（実行する制御処理を変えることなく）、ステップＳ１０２以降の処理を開始する。
【００３３】
一方、特定した昇圧比が，第１閾値〜第２閾値の範囲内の値ではなかった場合（ステップＳ１０３；ＮＯ）、ＥＣＵ１６は、実行中の制御処理が通常制御処理であるか否かを判断する（ステップＳ１０６）。
【００３４】
そして、ＥＣＵ１６は、実行中の制御処理が通常制御処理であった場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）には、特殊制御処理を開始（ステップＳ１０７）してから、ステップＳ１０２以降の処理を再び開始する。また、ＥＣＵ１６は、実行中の制御処理が通常制御処理でなかった場合（ステップＳ１０６；ＮＯ）には、実行する制御処理を変えることなく、ステップＳ１０２以降の処理を開始する。
【００３５】
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る燃料電池システム１０内のＥＣＵ１６は、必要とされる昇圧比が，第１閾値と第２閾値との間におさまっている状態から第２閾値（本発明の規定変圧比に相当）よりも高い状態になった場合には、ＦＣ昇圧コンバータ１２の制御周期を、通常の制御周期よりも長いものに変更する（スイッチング周波数を下げる）ユニットとなっている。
【００３６】
そして、図５に模式的に示してあるように、昇圧比が第２閾値以上のときに、ＦＣ昇圧
コンバータ１２の制御周期をより長いものに変更すれば、Ｓ２先行時間の１制御周期にしめる割合が少なくなるので，デューティ比（スイッチ素子Ｓ１が実際にＯＮとなっている時間／制御周期）が稼げることになる。従って、燃料電池システム１０は、制御周期の変更機能を有さない燃料電池システムよりも，高い昇圧比まで昇圧が可能なシステムとなっていると言うことが出来る。
【００３７】
また、ＦＣ昇圧コンバータ１２（図２）は、その回路構成上、スイッチ素子Ｓ２のＯＮ時点におけるコンデンサＣ２の電圧が，ＦＣ１１の出力電圧の２倍以上でないと、コンデンサＣ２の電圧がゼロまで落ちない回路なのであるが、ＥＣＵ１６は、必要とされる昇圧比が，第１閾値（“２”）よりも低い場合、ＦＣ昇圧コンバータ１２の制御周期を、通常の制御周期よりも長いものに変更するユニットとなっている。
【００３８】
このため、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、低昇圧比で動作させた場合のスイッチング損失が少ないシステムでもあることになる。
【００３９】
《変形形態》
上記した燃料電池システム１０は、各種の変形を行うことが出来る。例えば、ＦＣ昇圧コンバータ１２を、上記したものとは具体的な回路構成が異なる昇圧コンバータや昇降圧コンバータに変形することが出来る。また、燃料電池システム１０を，燃料電池自動車以外の装置／システム用のものに変形しても良いことや、ＦＣ昇圧コンバータ１２を，燃料電池１１以外の電源からの出力電圧を昇圧するために用いても良いことなどは、当然のことである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成及び使用形態の説明図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池システムに用いられているＦＣ昇圧コンバータの回路構成の説明図である。
【図３】実施形態に係る燃料電池システムに用いられている電子制御ユニットの，ＦＣ昇圧コンバータに対する制御内容を説明するための図である。
【図４】電子制御ユニットの，ＦＣ昇圧コンバータに対する制御周期の変更手順を示した流れ図である。
【図５】制御周期を変更している理由を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・・車両
１０・・・・燃料電池システム
１１・・・・燃料電池（ＦＣ）
１２・・・・ＦＣ昇圧コンバータ
１３・・・・バッテリ
１４・・・・バッテリ昇圧コンバータ
１５・・・・インバータ
１６・・・・電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２０・・・・モータ
２１・・・・アクセルペダルセンサ
３０・・・・補助回路
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・・スイッチ素子
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４・・・・コンデンサ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３・・・・コイル
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６・・・・ダイオード
【図１】
2009163947.tif 000003
【図２】
2009163947.tif 000004
【図３】
2009163947.tif 000005
【図４】
2009163947.tif 000006
【図５】
2009163947.tif 000007