JP4873260B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、複数相を備え、相数の切り替えが可能なＤＣ／ＤＣコンバータを備える燃料電池システムにおいて、相数を切り替えることにより不都合が生じるような場合に対応した燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、燃料電池と燃料電池の余剰電力や回生電力を充電するバッテリとを備えることが多い。このような燃料電池システムでは、燃料電池の出力電圧とバッテリの入出力電圧とが相違しているため、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してバッテリが接続される一次側の電圧を燃料電池が接続される二次側の電圧にまで昇圧または降圧し、または、二次側の電圧を一次側の電圧にまで降圧または昇圧して、電力供給するように構成されている。

近年、複数の相回路が並列接続され、駆動する相数を切り替え可能に構成されたＤＣ／ＤＣコンバータが開発されている。例えば、特開２００６−３３９３４号公報には、システムの負荷量の変化を予測して、予測された負荷量に応じてＤＣ／ＤＣコンバータの相数を切替え可能に構成された提案が開示されている（特許文献１参照）。

また、特開２００３−２３５２５２公報には、マスター・スレーブ式の多段のＤＣ／ＤＣコンバータを備え、このＤＣ／ＤＣコンバータへの入力電力（Ｐｉｎ）及び出力電力（Ｐｏｕｔ）を計測器で計測して出力電力（Ｐｏｕｔ）に応じてＤＣ／ＤＣコンバータの並列代数を決定すると共に、指示出力電圧の増分に応じたＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率（Ｐｉｎ／Ｐｏｕｔ）を算出することで、最大効率を与える指示出力電圧を決定する電源回路が提案されている（特許文献２参照）。

なお、多相ＤＣ／ＤＣコンバータ自体に関する提案として、例えば特開２００６−３１１７７６公報には、コストを削減すると共に製品寿命を長くした多相ＤＣ／ＤＣコンバータが提案されている（特許文献３参照）。
特開２００６−３３９３４号公報 特開２００３−２３５２５２号公報 特開２００６−３１１７７６号公報

しかしながら、上記公知の技術では、システムの負荷量やＤＣ／ＤＣコンバータの入出力電力に応じて多相のＤＣ／ＤＣコンバータを切り替え、効率等を向上することは可能であるが、システムの運転状態、例えば、燃料電池に指令する出力電圧値が急変し、実際に燃料電池の出力電圧値が急変したような場合に、システムに好ましくない影響を与えてしまう（例えばＤＣ／ＤＣコンバータに過電流が流れる）ことまでは考慮されていなかった。

そこで本発明は、複数相を備え、駆動する相数を切り替え可能に構成された電圧変換装置を備える燃料電池システムにおいて、電圧変換装置に不都合を生じないように相数の切り替え制御を可能とした燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、複数相を備えており、駆動する相数を切り替え可能に構成された電圧変換装置（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ）を有する燃料電池システムにおいて、蓄電装置が前記電圧変換装置の一次側に、前記燃料電池が前記電圧変換装置の二次側に、それぞれ接続されており、負荷装置が前記電圧変換装置の一次側または二次側の少なくともいずれか一方に接続されており、前記電圧変換装置は、燃料電池に指令する出力電圧指令値と前記燃料電池の実際の出力電圧値との間に応答遅れによって偏差が生じた場合に、スイッチングパルスのデューティー比が変更されるように構成されており、前記燃料電池の前記出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態を検出する検出部と、前記システム状態が検出された場合に、前記電圧変換装置を予め定めた相数以下で駆動することを禁止する禁止部と、を備えていることを特徴とする。

このように構成することにより、燃料電池の出力電圧指令値が一定値以上変化するような、すなわち急変するようなシステム状態である場合には、所定の相数以下での駆動が予め禁止されるので、電圧変換装置に過電流が流れる等の不都合を効果的に防止することができる。

ここで「燃料電池の出力電圧指令値」は燃料電池に出力させる電圧を指令する制御値であるが、出力電圧指令値に基づいて制御された結果、燃料電池から出力される電圧である「出力電圧値」と捉えてもよい。

この「出力電圧指令値」が「一定値以上変化」するとは、「出力電圧指令値」が急変するような場合を含むが、どのようなシステム状態であっても同一の特定値以上の変化率を示す場合だけではなく、システム状態に応じて異なる変化率を示す場合であってもよい。また、ここにいう「一定値以上変化させるシステム状態」は、そのようなシステム状態となったとすれば、現実に「一定値以上」の変化を示すという厳密な意味ではなく、「出力電圧指令値」が急変する蓋然性が推測できるようなシステム状態であることを意味する。

ここで、禁止部は、上記システム状態が検出された場合に、電圧変換装置の前記相数以下での駆動を禁止することは好ましい。係る構成によれば、燃料電池の出力電圧が急変する可能性のあるシステム状態において、所定の相数以下での駆動が禁止されるので、極端にリアクトル電流が上昇する等の不都合を効果的に防止可能である。

ここで、禁止部は、上記システム状態が検出された場合に、電圧変換装置が既に上記相数以下で駆動されていたときには、この相数より多い相数での駆動に切り替えることは好ましい。係る構成によれば、燃料電池の出力電圧が急変する可能性のあるシステム状態になったことが検出された場合に、所定の相数以下での駆動されていた場合には、急きょ所定の相数より多い駆動に切り替えられるので、燃料電池の出力電圧が急変しても極端に特定の相のリアクトル電流が上昇しまう等の不都合を効果的に予防可能である。

例えば、燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、通常運転モードにおいて、以下のうち少なくとも一つの状態が含まれる。

１）当該燃料電池システムの起動シーケンス処理中または該起動シーケンスから前記通常運転に移行後に運転状態が安定するまでの一定期間経過後までの期間中である状態。

このような状態は、例えばシステムが立ち上げられ、起動時に必要な処理が完了し、通常運転のため燃料電池の出力電力を上昇させるために燃料電池の出力電圧が変更されてから安定するまでの状態である。具体的には、燃料電池システムが電気自動車の動力源として搭載されている場合、起動シーケンス（例えばシステムチェックおよび暖機運転）が終了し、アクセル操作に対応して燃料電池の電圧を下げる措置がとられてから所定時間経過後までの状態をいう。

２）前記燃料電池に対する水素消費制御中である状態。
このような状態は、システム停止処理中に実施すべき、残留する燃料ガスを消費するための発電状態である。具体的には、システムの停止操作がされ、燃料電池の燃料ガス配管中の燃料ガスを消費するために燃料電池が断続的にまたは継続的に発電モードに切り替えられ、出力電圧が発電電圧である所定の低電圧に切り替えられ得る状態をいう。

３）前記燃料電池のリレーが溶着したかを検出する状態。
このような状態は、燃料電池の出力端子に設けられている漏電防止等の異常時電流遮断用のリレーが溶着したかを検査するような場合である。具体的には、リレーを動作させる電流を流していないにも拘わらず、リレーの接点がオン状態から元に戻らなくなったことを検出するために、リレーを動作させる電流を流さない状態で、電圧変換装置の燃料電池側の電圧を上昇させたり下降させたりして、その際検出される燃料電池の電流からリレーの溶着の有無を検査する。この検査のために燃料電池の出力電圧を変化させるような場合をいう。

４）前記燃料電池に対する電流制限処理中である状態。
このような状態は、燃料電池を構成するセルのうち、いずれかのセル電圧が許容電圧以下に落ちてしまったような状態である。具体的には、セルモニタで検出されるセル電圧のうちいずれかが基準電圧以下となった場合に、燃料電池からの電流供給を一旦停止させる必要があり、そのため燃料電池の出力電圧を所定の高電圧に戻すような場合である。

５）出力制限処理中である状態。
このような状態は、システムの負荷装置に異常が発生したために出力制限処理を行うような状態をいう。具体的には、例えば、負荷装置（モータ等）に電流を供給するインバータから過電流や過熱を原因とする異常信号が出力されたような場合、このような負荷装置への電流供給を一時的に停止するため燃料電池の出力電圧を所定の高電圧に戻すような場合である。また燃料電池制御部から燃料電池の高温化や燃料ガス供給系の事情で出力制限が指示されているような場合も含む。

６）当該燃料電池システムの停止シーケンス処理中である状態。
このような状態は、システムを停止させるために燃料電池の発電が停止されるような場合である。具体的には、システムの停止指示がされ、システムに対する出力要求が無くなり、燃料電池の出力電流を下げるため出力電圧を所定の高電圧に戻すような場合である。

例えば、燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、通常運転モードから間欠運転モードに移行中の状態が含まれる。
このような状態は、システムの発電状態から停止・待機状態に移行するため負荷装置への電力供給を停止し、発電電流を下げるために燃料電池の出力電圧を所定の高電圧に変化させるような場合である。

例えば、燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、間欠運転モードにおいて、以下のうち少なくとも一つの状態が含まれる。

１）当該燃料電池システムから燃料ガス漏洩を検出する状態。
このような状態は、システムの停止・待機状態において実施される燃料ガスの漏洩検出を行う場合である。具体的には、システムの燃料ガス配管等から燃料ガスが洩れているか否かは、燃料電池の発電動作が停止した状態で行われるものであり、その検査のために燃料電池は所定の高電圧または高電位回避電圧に急変させられるような場合である。
ここで「高電位回避電圧」とは、燃料電池の耐久性向上のために燃料電池の電圧を最高電圧より低い一定電圧以下に制限するためのその電圧をいう。

２）負荷装置が動作していない間欠運転中である状態。
このような状態は、システムの停止時にはシステムに設けられている絶縁抵抗の検査をする場合である。具体的には、絶縁抵抗の検査をする場合には、燃料電池の発電電圧を変更しながら行うことを要し、そのために発電電圧を変化させるからである。

３）前記燃料電池の触媒活性化処理からの復帰処理における所定期間中である状態。
このような状態は、燃料電池の触媒を活性化させる、いわゆるリフレッシュ処理期間中である場合をいう。具体的に、リフレッシュ処理においては触媒の還元反応が生じる所定の低電圧にまでに燃料電池の出力電圧を低下させる必要があるからである。

４）前記燃料電池の触媒活性化処理を中断してから復帰処理における所定期間中である状態。
このような状態は、リフレッシュ処理の中断をして燃料電池の出力電圧を変化させるような場合をいう。具体的には、リフレッシュ処理期間中は、燃料電池の出力電圧を継続的に低下させ、触媒において還元反応が生じる低電圧でしばらく維持するが、このようなリフレッシュ処理を中断せざるを得なくなったような場合は、燃料電池の出力電圧を元に復帰させる必要があるからである。

例えば、燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、間欠運転モードから通常運転モードに移行中の状態が含まれる。
このような状態は、システムの停止・待機状態である低負荷状態から出力状態に移行するような場合である。具体的には、システムに対する出力要求があり（例えばアクセルが踏まれたような場合）、燃料電池から直接電力を供給する必要が出てきたような場合、燃料電池の出力電圧を低下させ、出力電力を上昇させる必要があるからである。

例えば、燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、通常運転モードまたは間欠運転モードにおいて、以下のうち少なくとも一つの状態が含まれる。

１）高電位回避運転が許可された時または禁止された時から電圧状態が安定するまでの一定期間中である状態。
このような状態は、燃料電池の耐久性向上のための上限電圧である高電位回避電圧以下に出力電圧を制限しての発電が許可された直後や禁止された直後の状態をいう。具体的には、システム状態、燃料電池発電状態、低温動作モード、蓄電装置昇温制御切り替え等により、高電位回避電圧での発電の許可・禁止が切り替え制御される。そのような切り替えタイミングにおいては燃料電池の出力電圧が急変するからである。

２）高電位回避運転の目標電圧が所定値以上の変化率を示している状態。
このような状態は、負荷状態が変化し、その負荷状態に応じた高電位回避運転の目標電圧（すなわち高電位回避電圧）が変化するような場合である。具体的には、電気自動車の駆動源として燃料電池システムが適用されている場合、シフトポジションに応じて高電位回避運転の目標電圧が変わるため、シフトチェンジを検出した場合には燃料電池の出力電圧が変化すると判断できるからである。

３）負荷装置に対する電力供給許可時または禁止時から電力状態が安定するまでの一定期間中である状態。
このような状態は、負荷装置への電力供給状態が変化する場合である。具体的には、例えば電気自動車の動力源として燃料電池システムが適用されている場合、例えばトラクションモータ自体やインバータにおいて過熱等の異常が検出され駆動許可状態が変化した場合には、燃料電池の出力電圧が変化するからである。

本発明によれば、システムに不都合を生じうるシステム状態を予め検出し、そのようなシステム状態である場合には少ない相数での駆動が禁止されるので、電圧変換装置に過電流が流れる等の不都合を効果的に防止することが可能である。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載するハイブリッド燃料電池システムに本発明を適用したものである。

（システム構成）
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムのシステム全体図である。
本実施形態に係るハイブリッド型燃料電池システム（ハイブリッド燃料電池システム１）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０、蓄電装置に相当する高圧バッテリ２１、燃料電池２２、逆流防止用ダイオード２３、インバータ２４、トラクションモータ２５、ディファレンシャル２６、シャフト２７、車輪２９、ハイブリッド制御部１０、および電源制御部１１を備えている。

高圧バッテリ２１は、充放電自在なニッケル−水素電池等のバッテリーユニットを複数積層し直列接続することによって所定の電圧を出力するようになっている。高圧バッテリ２１の出力端子には電源制御部１０と通信可能なバッテリコンピュータ１４が設けられており、高圧バッテリ２１の充電状態を過充電や過放電に至らない適正な値に維持するとともに、万が一高圧バッテリに異常が生じた場合に安全を保つように動作するようになっている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、本発明の電圧変換装置に係り、一次側（入力側：バッテリ２１側）に入力された電力を、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：燃料電池２２側）出力し、また逆に、二次側に入力された電力を、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。当該実施形態では、高圧バッテリ２１の直流出力電圧（例えば約２００Ｖ）をさらに高い直流電圧（例えば約５００Ｖ）に昇圧することによって、トラクションモータ２５を小電流・高電圧で駆動することを可能とし、電力供給による電力損失を抑制し、トラクションモータ２５の高出力化を可能としている。

当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、複数の相回路を備えており、駆動する相数が切り替え可能に構成されている。すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、三相運転方式が採用されており、具体的な回路方式としては三相ブリッジ形コンバータとしての回路構成を備えている。図１に示すように、当該三相ブリッジ形コンバータの回路構成は、三つのブリッジ形コンバータ相回路（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）が並列接続された構成をしている。それぞれの相回路は、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。具体的には、一次側入力端子間及び二次側出力端子間のそれぞれに、スイッチング素子Ｔｒ及び整流器Ｄの並列接続構造が二段重ねされており、一次側と二次側とのそれぞれの二段重ね構造の中間点同士がリアクトルＬで連結された構造をしている。スイッチング素子Ｔｒとしては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を利用可能であり、整流器Ｄとしてはダイオードを利用可能である。当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は相回路間の位相差が１２０度（２π／３）ごとになるように調整されたタイミングでスイッチングされるようになっている。

ここで、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、電源制御部１１からの相切換制御信号Ｃphに基づいて、駆動する相が任意に変更可能に構成されている。本実施形態では、実測された負荷または負荷予測に基づき、三相運転と単相運転とを切り換えるようになっている。

また当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０では、三相ブリッジ形回路構成で直流電流を一旦交流電流に変換するが、その交流電流のデューティー比を、電源制御部１１からのデューティー比制御信号Ｃｄに対応させてこの交流電流のデューティー比を変化させることが可能になっている。この交流電流のデューティー比は、当該コンバータを通過する電力の実効値を変化させることになるため、コンバータの出力電力や出力電圧を変化させることになる。デューティー比の変更によって瞬時の出力調整が可能になっているのである。このようなデューティー比の一時的な変更は、特に当該コンバータが恒常的に行う制御動作の過渡期において有効である。

なお、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の入力電流は電流センサ１５により、また入力電圧Ｖｉは電圧センサ１６により実測可能になっている。また、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力電流は電流センサ１７により、出力電圧Ｖｏは電圧センサ１８により実測可能になっている。さらに各相のリアクトルＬには、リアクトルを流れる電流を検出可能に構成された電流センサ１９（１９−１、１９−２、１９−３）が設けられている。

また、このＤＣ−ＤＣコンバータ２０は軽負荷運転時やブレーキ動作時には、トラクションモータ２５を逆にジェネレータとして発電を行い、コンバータの二次側から一次側へ直流電圧を変換して、高圧バッテリ２１に充電を行う回生動作が可能なようになっている。

燃料電池スタック２２は、複数の単位セルをスタックし、直列接続して構成されている。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狭み込んだＭＥＡという構造物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。

燃料電池スタック２２には、図示しない、燃料ガスを供給する系統、酸化ガスを提供する系統、及び冷却液を提供する系統が設けられており、ハイブリッド制御部１０からの制御信号Ｃｆｃ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、任意の発電量で発電可能になっている。

インバータ２４は、走行モータ用インバータであり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０によって昇圧された高圧直流を互いの位相差が１２０度の三相交流に変換するようになっている。当該インバータ２４は、ハイブリッド制御部１０からのインバータ制御信号Ｃｉによって電流制御がされるようになっている。

トラクションモータ２５は、本電気自動車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２６は減速装置であり、トラクションモータ２５の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ２９が設けられたシャフト２７を回転させる。シャフト２７には車輪速センサ２８が設けてあり、車輪速パルスＳｒをハイブリッド制御部１０に出力可能になっている。

ハイブリッド制御部１０は、システム全体の制御用のコンピュータシステムであり、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）１０１、ＲＡＭ１０２、ＲＯＭ１０３等を備えている。当該ハイブリッド制御部１０は、アクセル位置信号Ｓａやシフト位置信号Ｓｓ、車輪速センサ２８からの車輪速信号Ｓｒその他の各種センサからの信号を入力して、運転状態に応じた燃料電池スタック２２の発電量及びトラクションモータ２５におけるトルクを求めて、燃料電池スタック２２、トラクションモータ２５、及び高圧バッテリ２１の電力収支を計算し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０やインバータ２４における損失を加算したシステム動作の全体制御を行うようにプログラムされている。また、ハイブリッド制御部１０は、電流センサ１５の検出する入力電流および電圧センサ１６の検出する入力電圧によりＤＣ−ＤＣコンバータ２０の一次側に流通する電力を認識し、電流センサ１７の検出する出力電流および電圧センサ１８の検出する出力電圧によりＤＣ−ＤＣコンバータ２０の二次側に流通する電力を認識することが可能になっている。さらに電力制御部１０は、電流センサ１９−１〜１９−３の検出信号に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ２０の各相別の通過電流を認識することが可能になっている。

特に本実施形態では、上記ハイブリッド制御部は、本発明に係るシステム状態の検出部と、相数の切り替えを禁止する禁止部と、に相当している。

電源制御部１１は、電源、特にコンバータ制御用のコンピュータシステムであり、図示しないが、ハイブリッド制御部１０と同様に、中央処理装置（ＣＰＵ）、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。当該電源制御部１１は、ハイブリッド制御部１０から供給されるコンバータ制御信号Ｃｃに基づいて、相切換制御信号ＣphをＤＣ−ＤＣコンバータ２０に出力し、駆動する相数を変更可能する。また、コンバータ制御信号Ｃｃに基づいて、デューティー比制御信号ＣｄをＤＣ−ＤＣコンバータ２０に出力し、交流電流のデューティー比を変化させることが可能になっている。

図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の１相分の回路を抜き出した負荷駆動回路の構成図である。
図２に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０（１相分）は、スイッチング素子Ｔｒ１〜４、ダイオードＤ１〜４、およびリアクトルＬを有し、燃料電池２２の出力側（二次側）では、スイッチング素子Ｔｒ１とダイオードＤ１の並列接続回路と、スイッチング素子Ｔｒ２とダイオードＤ２との並列接続回路とが直列接続（２段重ね）された構成となっている。また、高圧バッテリ２１の出力側（一次側）では、スイッチング素子Ｔｒ３とダイオードＤ３の並列接続回路と、スイッチング素子Ｔｒ４とダイオードＤ４との並列接続回路とが直列接続（２段重ね）された構成となっている。

このＤＣ−ＤＣコンバータ２０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機能を有する回路部分と、得られた交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する回路部分とが組み合わされたものである。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０において、前記直列接続の接点は燃料電池２１の出力側に１箇所、バッテリ２１の出力側に１箇所存在し、この２箇所の接点はリアクトルＬを介して電気的に接続されており、この電流センサ１９によって、リアクトルＬを通過する電流を計測することが可能になっている。

図２では、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の入力側に高圧補機用インバータ８４（図１には図示せず）が接続されており、出力側には走行モータ用トラクションモータ２５のためのインバータ２４が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の一次側に接続する負荷装置、二次側に接続する負荷装置は任意に選択することが可能であるが、一次側の電圧および二次側の電圧に応じて定めることが妥当である。消費電力の多い負荷装置は高電圧側（本実施形態では二次側）に接続して、高電圧―低電流で電力制御することが効率がよい。

図３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を主体とする回路の主要経路における電流、電圧、および電力の流れを説明するための回路ブロック図である。
図３に示すのは電力の流れの一例であり、トラクションモータ２５に対し、バッテリ２１と燃料電池２２とから電力が供給される場合を示している。図３に示すように、高圧バッテリ２１からの出力電力が、インバータ８４への駆動電力とＤＣ−ＤＣコンバータ２０への入力電力へ分岐し、インバータ８４からは高圧補機８５へ駆動電力（補機損失）が供給される。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力電力Ｐｉは走行モータ用インバータ２４経由でトランクションモータ２５に出力される。

間欠運転モードなど、燃料電池２２が発電動作を中止する期間中は、バッテリ２１からの電力のみがＤＣ−ＤＣコンバータ２０を介して走行モータ用インバータ２４に供給される。

一方、燃料電池２２の発電余力がある場合には、燃料電池の出力電力が走行モータ用インバータ２４に供給されるとともに、図３の白抜き矢印とは逆の方向にＤＣ−ＤＣコンバータ２０の二次側から一次側に電力が供給され、高圧補機用インバータ８４への高圧補機損失を除いた電力がバッテリ２１に充電されるようになっている。

また、制動動作中にはトラクションモータ２５で生成された回生電力が、インバータ２４経由で、上記と同様にＤＣ−ＤＣコンバータ２０の二次側から一次側へ供給され、高圧補機用インバータ８４への高圧補機損失を除いた電力がバッテリ２１に充電されるようになっている。

（動作の説明）
ハイブリッド制御部１０は、本発明の検出部および禁止部を含んでいる。ハイブリッド制御部１０の検出部は、各センサ等からの入力情報に基づいてシステム状態を監視する。この監視項目には、前述の電源の全体制御の際に、燃料電池２２への指令電圧値を急変させる結果を招来するシステム状態（図５参照）の検出も含まれている。ハイブリッド制御部１０の禁止部は、燃料電池２２への指令電圧値を急変させるシステム状態を検出すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の単相駆動を許可するフラグ（単相駆動フラグ）をオフにするためのコンバータ制御信号Ｃｃを出力する。これとは逆に、燃料電池２２への指令電圧値を急変させるシステム状態が解除されたことを検出すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の単相駆動を許可するフラグ（単相駆動フラグ）をオンにするためのコンバータ制御信号Ｃｃを出力する。

図４は、このようなシステム状態に応じた相数駆動切り替えが行われず、少ない相数、例えば単相のみの駆動が継続された場合に生じる不都合を説明する図である。図４（ａ）は燃料電池２２（ＦＣ）の指令電圧値と実際の出力電圧の測定値との関係、図４（ｂ）は燃料電池（ＦＣ）電流とコンバータのリアクトルＬに流れるリアクトル電流との関係、図４（ｃ）は単相駆動フラグのオン／オフのフラグ状態、および図４（ｄ）は電力変化の過渡期に実施されるデッドタイム補正と相回路Ｐのスイッチングのデューティ比との関係、をそれぞれ示すものである。

まず、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が単相駆動中に、システムの状態が急変するような、すなわち変化率が一定値以上の出力電圧指令値を与えるようなシステム状態（図５参照）になると、応答遅れによって電圧指令値と実際の出力電圧の測定値との偏差値が大きい状態となる（図４（ａ））。このように偏差が大きくなると、デッドタイム補正が作動し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０におけるスイッチングパルスのデューティー比が急変する（図４（ｄ））。この間、単相駆動フラグはオンであって、単相駆動は継続されている（図４（ｃ））。スイッチングパルスのデューティー比が急変すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０のリアクトル電流が急増する（図４（ｂ））。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、単相駆動中であるため、通過電流がＶ相に集中することになる（図４（ｂ）におけるリアクトル電流の急増）。このようにリアクトル電流が急増すると、発熱に伴う素子・回路破壊が生じかねない不都合な状態となる。よって、本発明では、このようなコンバータの過電流につながる出力電圧指令値の急増の原因となるシステム状態を予め規定しておき、そのようなシステム状態となった場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０における、所定数以下の相数での運転、本実施形態では単相駆動を禁止するように、ハイブリッド制御部１０は、単相駆動許可フラグを制御する。

図５は、燃料電池２２の指令電圧値を急変させるシステム状態の分類を示す説明図である。
図５には、単相駆動禁止ではない場合の分類項目として、「ＦＣ（燃料電池）発電状態」、「ＦＣ発電モード」、および対応する「システム状態」が示されている。各発電状態において掲げられた「システム状態」に合致する場合に、より少ない相数（ここでは単相）での運転が禁止される。

例えば、通常運転モードにおいて、以下のうち少なくとも一つの状態が含まれる。
１）当該燃料電池システムの起動シーケンス処理中または該起動シーケンスから前記通常運転に移行後に運転状態が安定するまでの一定期間経過後までの期間中である状態が挙げられる。具体的には、起動シーケンス（例えばシステムチェックおよび暖機運転）が終了し、アクセル操作に対応して燃料電池の電圧を下げる措置がとられてから所定時間経過後までの状態をいう。

２）前記燃料電池に対する水素消費制御中である状態が挙げられる。具体的には、運転者によって電源がオフにされ、システムの停止操作がされ、燃料電池の燃料ガス配管中の燃料ガスを消費するために燃料電池が断続的にまたは継続的に発電モードに切り替えられ、出力電圧が発電電圧である所定の低電圧に切り替えられ得る状態をいう。

３）前記燃料電池のリレーが溶着したかを検出する状態が挙げられる。具体的には、リレーを動作させる電流を流していないにも拘わらず、リレーの接点がオン状態から元に戻らなくなったことを検出するために、リレーを動作させる電流を流さない状態で、電圧変換装置の燃料電池側の電圧を上昇させたり下降させたりして、その際検出される燃料電池の電流からリレーの溶着の有無を検査する。この検査のために燃料電池の出力電圧を変化させるような場合をいう。

４）燃料電池に対する電流制限処理中である状態が挙げられる。具体的には、燃料電池２２に設けられるセルモニタで検出されるセル電圧のうちいずれかが基準電圧以下となった場合に、燃料電池からの電流供給を一旦停止させる必要があり、そのため燃料電池の出力電圧を所定の高電圧に戻すような場合である。

５）出力制限処理中である状態が挙げられる。具体的には、例えば、トラクションモータ２５に電流を供給するインバータ２４から過電流や過熱を原因とする異常信号が出力されたような場合、このような負荷装置への電流供給を一時的に停止するため燃料電池の出力電圧を所定の高電圧に戻すような場合である。またハイブリッド制御部１０から燃料電池２２の高温化や燃料ガス供給系の事情で出力制限が指示されているような場合も含む。

６）燃料電池システムの停止シーケンス処理中である状態が挙げられる。具体的には、運転者によって電源がオフにされ、システムに対する出力要求が無くなり、燃料電池の出力電流を下げるため出力電圧を所定の高電圧に戻すような場合である。

また、燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、通常運転モードから間欠運転モードに移行中の状態が含まれる。このような状態は、システムの発電状態から停止・待機状態に移行するため負荷装置への電力供給を停止し、発電電流を下げるために燃料電池の出力電圧を所定の高電圧に変化させるような場合である。

また、燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、間欠運転モードにおいて、以下のうち少なくとも一つの状態が含まれる。

１）当該燃料電池システムから燃料ガス漏洩を検出する状態が挙げられる。具体的には、システムの燃料ガス配管等から燃料ガスが洩れているか否かは、燃料電池の発電動作が停止した状態で行われるものであり、その検査のために燃料電池は所定の高電圧または高電位回避電圧に急変させられるような場合である。

２）負荷装置が動作していない間欠運転中である状態が挙げられる。具体的には、絶縁抵抗の検査をする場合には、燃料電池の発電電圧を変更しながら行うことを要し、そのために発電電圧を変化させるからである。

３）燃料電池の触媒活性化処理からの復帰処理における所定期間中である状態が挙げられる。具体的に、リフレッシュ処理においては触媒の還元反応が生じる所定の低電圧にまでに燃料電池の出力電圧を低下させる必要があるからである。

４）燃料電池の触媒活性化処理を中断してから復帰処理における所定期間中である状態が挙げられる。具体的には、リフレッシュ処理期間中は、燃料電池の出力電圧を継続的に低下させ、触媒において還元反応が生じる低電圧でしばらく維持するが、このようなリフレッシュ処理を中断せざるを得なくなったような場合は、燃料電池の出力電圧を元に復帰させる必要があるからである。

例えば、燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、間欠運転モードから通常運転モードに移行中の状態が含まれる。具体的には、システムに対する出力要求があり（例えばアクセルが踏まれたような場合）、燃料電池から直接電力を供給する必要が出てきたような場合、燃料電池の出力電圧を低下させ、出力電力を上昇させる必要があるからである。

また、燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、通常運転モードまたは間欠運転モードにおいて、以下のうち少なくとも一つの状態が含まれる。

１）高電位回避運転が許可された時または禁止された時から電圧状態が安定するまでの一定期間中である状態が挙げられる。具体的には、システム状態、燃料電池発電状態、低温動作モード、蓄電装置昇温制御切り替え等により、高電位回避電圧での発電の許可・禁止が切り替え制御される。そのような切り替えタイミングにおいては燃料電池の出力電圧が急変するからである。

２）高電位回避運転の目標電圧が所定値以上の変化率を示している状態が挙げられる。具体的には、電気自動車の駆動源として燃料電池システムが適用されている場合、シフトポジションに応じて高電位回避運転の目標電圧が変わるため、シフトチェンジを検出した場合には燃料電池の出力電圧が変化すると判断できるからである。

３）負荷装置に対する電力供給許可時または禁止時から電力状態が安定するまでの一定期間中である状態が挙げられる。具体的には、例えば電気自動車の動力源として燃料電池システムが適用されている場合、例えばトラクションモータ自体やインバータにおいて過熱等の異常が検出され駆動許可状態が変化した場合には、燃料電池の出力電圧が変化するからである。

なお、上述した出力電圧指令値を急変させるようなシステム状態は、例示であり、上記に限定されるものではなく、出力電圧が変動する結果、ＤＣ−ＤＣコンバータの通過電流を一時的に上昇させてしまうような可能性のある状態に適用される。

次に、図６のハイブリッド制御部１０の指令電圧値に関するシステム状態監視動作を示すフローチャートを参照しながら、ハイブリッド制御部１０の指令電圧値に関するシステム状態監視動作について説明する。

ステップＳ１において、まず、電圧指令値が急変するシステム状態（図５参照）のいずれかに該当するか否かを検証する。そして、電圧指令値が急変するシステム状態に該当する場合（ＹＥＳ）はステップＳ２に進み、電圧指令値が急変するシステム状態に該当しない場合は（ＮＯ）、ステップＳ３に移る。

ステップＳ２において、システム状態が出力電圧指令値を急変させるような状態であるため、ハイブリッド制御部１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の単相駆動を禁止するために、単相駆動許可フラグをオフにリセットさせるコンバータ制御信号Ｃｃを電源制御部１１に出力する。電源制御部１１では、このコンバータ制御信号Ｃｃを受けて単相駆動許可フラグをリセットし、以降、解除されるまで、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の単相駆動を禁止する。

一方、ステップＳ３においては、システム状態が出力電圧指令値を急変させる状態ではないため、単相駆動も可能でるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の単相駆動を許可するため、単相駆動許可フラグをオンにセットさせるコンバータ制御信号Ｃｃを電源制御部１１に出力する。電源制御部１１では、このコンバータ制御信号Ｃｃを受けて単相駆動許可フラグをセットする。それまで単相駆動フラグがオフであった場合には、この処理により単相駆動の禁止が解除されることになる。以降、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の単相駆動は許可される。

（その他の変形例）
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では燃料電池の出力電圧指令値を急変させるようなシステム状態を検出して事前に相数の切り替えを禁止制御していたが、ハイブリッド制御部１０が出力電圧指令値を監視し、この出力電圧指令値が一定値以上変化した場合に、相数切り替えを禁止するように電源制御部１１を制御するよう構成してもよい。

また上記実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が三相回路を有しており、所定のシステム状態が検出された場合に、三相駆動を単相駆動とすることを禁止していたが、これに限定されない。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータは２相または４相以上の相数を有していてもよい。また、切り替えが禁止される相数が、単相以上の相数であってもよい。すなわち、最多運転相数をＭ、切り替えを禁止する相数をＮとした場合、Ｍ〜Ｎ＋１の相数が駆動されている状態において所定のシステム状態が検出された場合に、Ｎ相以下で駆動することを禁止するように本発明を適用することも可能である。

また、上記実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０のリアクトル電流が急増する場合の相数切り替え禁止制御を例示したが、これに限られない。ＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成および制御態様によって、相数の減少に伴ってオーバーシュートの生じる箇所は異なる。よって、そのような箇所にオーバーシュートを生じさせるようなシステム状態を検出して、相数の切り替えを禁止する制御を行えばよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムのシステム全体図。 ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の１相分の単相回路を主体とする負荷駆動回路の構成図。 ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を主体とする回路の主要経路における電流、電圧、および電力の流れを説明するための回路ブロック図。 ＤＣ−ＤＣコンバータ２０のリアクトルに過電流が生じるメカニズムを示す説明図であり、図４（ａ）はＦＣ（燃料電池２２）の指令電圧と測定値との関係、図４（ｂ）はＦＣ電流とリアクトル電流との関係、図４（ｃ）は単相駆動フラグのオン／オフ・タイミング、図４（ｄ）はデッドタイム補正とデューティ比との関係、をそれぞれ示すものである。 燃料電池２２の指令電圧値を急変させるシステム状態の分類を示す説明図である。 電源制御部１０の指令電圧値に関するシステム状態監視動作を示すフローチャート図である。

符号の説明

Ｓａ…アクセル位置信号、Ｓｓ…シフト位置信号、Ｓｒ…車輪速信号、Ｃｉ…インバータ制御信号、Ｃｄ…デューティー比制御信号、Ｃｐｈ…相数切換制御信号、Ｖｉ…入力電圧、Ｖｏ…出力電圧、１…ハイブリッド燃料電池システム、１０…電源制御部、１４…バッテリコンピュータ、１５、１７、１９…電流センサ、１６、１８…電圧センサ、２０…ＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧変換器）、２２…燃料電池スタック、２３…逆流防止用ダイオード、２４…インバータ、２５…トラクションモータ、２６…減速機、２７…シャフト、２８…車輪速センサ、２９…車輪、Ｌ…リアクトル。

Claims (8)

1. 複数相を備えており、駆動する相数を切り替え可能に構成された電圧変換装置を有する燃料電池システムにおいて、
   蓄電装置が前記電圧変換装置の一次側に、前記燃料電池が前記電圧変換装置の二次側に、それぞれ接続されており、負荷装置が前記電圧変換装置の一次側または二次側の少なくともいずれか一方に接続されており、
   前記電圧変換装置は、燃料電池に指令する出力電圧指令値と前記燃料電池の実際の出力電圧値との間に応答遅れによって偏差が生じた場合に、スイッチングパルスのデューティー比が変更されるように構成されており、
   前記燃料電池の前記出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態を検出する検出部と、
   前記システム状態が検出された場合に、前記電圧変換装置を予め定めた相数以下で駆動することを禁止する禁止部と、
   を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記禁止部は、前記システム状態が検出された場合に、前記電圧変換装置の前記相数以下での駆動を禁止する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記禁止部は、前記システム状態が検出された場合に、前記電圧変換装置が既に前記相数以下で駆動されていたときには、前記相数より多い相数での駆動に切り替える、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、
   通常運転モードにおいて、以下のうち少なくとも一つの状態が含まれる、請求項１に記載の燃料電池システム。
   １）当該燃料電池システムの起動シーケンス処理中または該起動シーケンスから前記通常運転に移行後に運転状態が安定するまでの一定期間経過後までの期間中であること；
   ２）前記燃料電池に対する水素消費制御中であること；
   ３）前記燃料電池のリレーが溶着したかを検出すること；
   ４）前記燃料電池に対する電流制限処理中であること；
   ５）出力制限処理中であること；および
   ６）当該燃料電池システムの停止シーケンス処理中であること。
5. 前記燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、通常運転モードから間欠運転モードに移行中の状態が含まれる、請求項１記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、間欠運転モードにおいて、以下のうち少なくとも一つの状態が含まれる、請求項１に記載の燃料電池システム。
   １）当該燃料電池システムから燃料ガス漏洩を検出すること；
   ２）負荷装置が動作していない間欠運転中であること；
   ３）前記燃料電池の触媒活性化処理からの復帰処理における所定期間中であること；および
   ４）前記燃料電池の触媒活性化処理を中断してから復帰処理における所定期間中であること。
7. 前記燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、間欠運転モードから通常運転モードに移行中の状態が含まれる、請求項１記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の出力電圧指令値を一定値以上変化させるシステム状態には、通常運転モードまたは間欠運転モードにおいて、以下のうち少なくとも一つの状態が含まれる、請求項１に記載の燃料電池システム。
   １）高電位回避運転が許可された時または禁止された時から電圧状態が安定するまでの一定期間中であること；
   ２）高電位回避運転の目標電圧が所定値以上の変化率を示していること；および
   ３）負荷装置に対する電力供給許可時または禁止時から電力状態が安定するまでの一定期間中であること。

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