JP5148380B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータ装置、電気車両及びｄｃ／ｄｃコンバータの制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、第１電力装置と第２電力装置との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータを制御するＤＣ／ＤＣコンバータ装置及び該ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を備える電気車両、並びに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法に関する。

従来から、直流電源（第１電力装置）をＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータを介して車両走行用の電動機（第２電力装置）に接続し、該電動機の回転により車輪を回転させることで電気車両を駆動させることが提案されている（特許文献１参照）。

この場合、前記電気車両に搭載されたＤＣ／ＤＣコンバータ装置の制御部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるインバータ側の出力電圧（２次電圧）のオーバーシュートを抑制するために、（１）前記２次電圧の指令値の大きさに応じて、制御タイミング間における該指令値の変化率を変化させるか、あるいは、（２）前記指令値が閾値に到達するまでは、前記変化率を第１の値に設定し、前記指令値が前記閾値以上になったときには、前記変化率を前記第１の値よりも小さい第２の値に設定し、上記（１）又は（２）の変化量制限処理（レートリミット処理）後の指令値を前記２次電圧の目標値に用いて前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を駆動する。

特開２００６−３５３０３２号公報

しかしながら、指令値の変化率を設定（変化）しても、前記変化率の変化点（前記指令値の傾きの変化点）における前記変化率（前記傾き）の急変に起因して、直流電源からＤＣ／ＤＣコンバータを介してインバータの間に流れる電流にリップルが発生する。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、リップルを低減することが可能となるＤＣ／ＤＣコンバータ装置及び該ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を備える電気車両、並びに、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法を提供することを目的とする。

第１の発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、
第１電力装置と第２電力装置との間に配置され、スイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータと、
該ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第１電力装置側の電圧（以下、１次電圧という。）又は前記第２電力装置側の電圧（以下、２次電圧という。）の指令値に対して一次遅れ処理を行うことにより前記１次電圧又は前記２次電圧の目標値を算出し、算出した前記目標値に基づいて前記スイッチング素子を駆動する制御部とを備えることを特徴としている。

また、第２の発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法は、
第１電力装置と第２電力装置との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータの前記第１電力装置側の電圧（１次電圧）又は前記第２電力装置側の電圧（２次電圧）の指令値に対して一次遅れ処理を行うことにより前記１次電圧又は前記２次電圧の目標値を算出し、
算出した前記目標値に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を駆動することを特徴としている。

これらの第１及び第２の発明によれば、前記指令値に前記一次遅れ処理を施して前記目標値を算出することにより、前記目標値の変化率が不連続になる（変化率が急変する）部分の発生を抑制することができるので、該目標値に基づいて前記スイッチング素子を駆動すれば、前記第１電力装置から前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記第２電力装置の間に流れる電流のリップルを低減することが可能となる。

第３の発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、前記制御部が、前記第１電力装置及び前記第２電力装置の電力配分に基づいて前記指令値を決定する上位制御部と、前記指令値に対して前記一次遅れ処理を行うことにより前記目標値を算出し、算出した前記目標値に基づいて前記スイッチング素子を駆動するコンバータ制御部とに分けられ、前記コンバータ制御部の処理周期は、前記上位制御部の処理周期よりも短い周期に設定されている。

この場合、前記コンバータ制御部で受信される前記指令値は、時間経過に伴ってステップ状に変化する特性となる。そこで、第３の発明では、前記ステップ状に変化する前記指令値に対して前記一次遅れ処理を施している。これにより、第３の発明によれば、時間経過に対して滑らかな前記目標値の特性が容易に得られるので、前記リップルを低減することができる。

この場合、前記コンバータ制御部は、前記指令値に対して変化率が固定とされた変化量制限処理を行った後に、該変化量制限処理後の指令値に対して前記一次遅れ処理を行うことが好ましい（第４の発明）。

第４の発明によれば、前記一次遅れ処理を行う前に、前記指令値に対して前記変化率が固定とされた前記変化量制限処理を施すので、シンプルな制御で前記指令値に関わる前記１次電圧又は前記２次電圧でのオーバーシュートの抑制と、前記リップルの低減とを両立することが可能となる。

第５の発明に係る電気車両は、上述したＤＣ／ＤＣコンバータ装置を備え、前記第１電力装置は、前記１次電圧を発生する蓄電装置であり、前記第２電力装置は、車輪を回転させる電動機と、該電動機を駆動するインバータに接続され且つ発電電圧を発生する発電装置とを有し、前記発電電圧又は前記電動機が発電機として動作したときに前記インバータに発生する回生電圧を前記２次電圧とすることを特徴としている。

第５の発明によれば、前記リップルの低減することができるので、前記電気車両に前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置を搭載することにより、前記電動機、前記発電装置及び前記インバータや、これらの装置に接続される部品の耐電圧性及び耐久性を向上することが可能となる。また、耐電圧性及び耐久性が向上することにより、コストの低減、軽量化及び小型化を実現することもできる。

また、前記発電装置が燃料電池である場合（第６の発明）には、前記オーバーシュート及び前記リップルの低減によって、前記燃料電池を構成するセルの劣化を確実に防止することが可能となる。

この発明によれば、指令値に一次遅れ処理を施して目標値を算出することにより、前記目標値の変化率が不連続になる（変化率が急変する）部分の発生を抑制することができるので、該目標値に基づいてスイッチング素子を駆動すれば、電流のリップルを低減することが可能となる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態に係るハイブリッド直流電源システム１０が適用された一実施形態に係る燃料電池車両（電気車両）２０の回路図である。

ハイブリッド直流電源システム１０は、基本的には、エネルギストレージでありバッテリ電圧Ｖｂａｔを発生する蓄電装置（以下、バッテリともいう。）２４（第１電力装置）と、このバッテリ電圧Ｖｂａｔより高い電圧である発電電圧Ｖｆを発生する発電装置としての燃料電池２２（第２電力装置）と、バッテリ２４と燃料電池２２との間に配置され電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３６と、統括制御部５６（上位制御部）から供給される電圧指令値に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ３６の電圧制御目標値を設定し、バッテリ２４と燃料電池２２との間での前記電圧変換を制御するコンバータ制御部５４とから構成される。

ここで、コンバータ制御部５４とＤＣ／ＤＣコンバータ３６とは、バッテリ２４が接続される１次側１Ｓと、燃料電池２２及びモータ２６（インバータ３４）が接続される２次側２Ｓとの間で、昇降圧の電圧変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータ装置｛ＶＣＵ（Voltage Control Unit）という。｝２３を構成する。

燃料電池車両２０は、前記のハイブリッド直流電源システム１０と、このハイブリッド直流電源システム１０からモータ電流Ｉｍ（電力）がインバータ（駆動回路）３４を通じて供給される負荷としての走行用のモータ２６（電動機）と、から構成される。

モータ２６の回転は、減速機１２、シャフト１４を通じて車輪１６に伝達され、車輪１６を回転させる。

燃料電池２２は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造である。燃料電池２２には、水素タンク２８とエアコンプレッサ３０とが配管により接続されている。燃料電池２２内で反応ガスである水素（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）との電気化学反応により生成された発電電流Ｉｆは、電流センサ３２及びダイオード（ディスコネクトダイオードともいう。）３３を介して、インバータ３４及び（又は）ＤＣ／ＤＣコンバータ３６側に供給される。

インバータ３４は、直流／交流変換を行い、モータ電流Ｉｍをモータ２６に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後のモータ電流Ｉｍを２次側２ＳからＤＣ／ＤＣコンバータ３６を通じて１次側１Ｓに供給する。

この場合、回生電圧又は発電電圧Ｖｆである２次電圧Ｖ２がＤＣ／ＤＣコンバータ３６により低電圧に変換された１次電圧Ｖ１は、ダウンバータ４２により降圧されてさらに低電圧とされ、ライト、パワーウインド、ワイパー用電動機等の補機４４に補機電流Ｉａｕとして供給されると共に、余剰電力があればバッテリ電流Ｉｂａｔ（充電電流Ｉｂｃ）としてバッテリ２４に流し込まれバッテリ２４を充電する。

１次側１Ｓに電力ケーブル１８を通じて接続されるバッテリ２４は、例えば、リチウムイオン２次電池、ニッケル水素２次電池又はキャパシタを利用することができる。

バッテリ２４は、ダウンバータ４２を通じて補機４４に補機電流Ｉａｕを供給すると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を通じてインバータ３４にモータ電流Ｉｍを供給するためのバッテリ電流Ｉｂａｔ（放電電流Ｉｂｄ）を流し出す。

なお、インバータ３４に供給されるモータ電流Ｉｍは、バッテリ電流ＩｂａｔがＶＣＵ２３により変換された２次電流Ｉ２と発電電流Ｉｆとの合成電流である。

１次側１Ｓ及び２次側２Ｓには、それぞれ平滑用のコンデンサ３８、３９が設けられている。

燃料電池２２を含むシステムはＦＣ制御部５０により制御され、インバータ３４とモータ２６とを含むシステムはインバータ駆動部を含むモータ制御部５２により制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を含むシステムはコンバータ駆動部を含むコンバータ制御部５４により、それぞれ基本的に制御される。

そして、これらＦＣ制御部５０、モータ制御部５２及びコンバータ制御部５４は、燃料電池２２の総負荷量Ｌｔ等を決定する上位制御部としての統括制御部５６により制御される。

統括制御部５６、ＦＣ制御部５０、モータ制御部５２及びコンバータ制御部５４は、それぞれＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマの他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェース、並びに、必要に応じてＤＳＰ（Digital Signal Processor）等を有している。

統括制御部５６、ＦＣ制御部５０、モータ制御部５２及びコンバータ制御部５４は、車内ＬＡＮであるＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信線７０を通じて相互に接続され、各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を共有し、これら各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を入力として各ＣＰＵが各ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する。

ここで、車両状態を検出する各種スイッチ及び各種センサとしては、発電電流Ｉｆを検出する電流センサ３２の他、１次電圧Ｖ１（バッテリ電圧Ｖｂａｔに等しい。）を検出する電圧センサ６１、１次電流Ｉ１｛バッテリ電流Ｉｂａｔ（放電電流Ｉｂｄ又は充電電流Ｉｂｃ）｝を検出する電流センサ６２、２次電圧Ｖ２（ディスコネクトダイオード３３が導通しているとき、略燃料電池２２の発電電圧Ｖｆに等しい。）を検出する電圧センサ６３、２次電流Ｉ２を検出する電流センサ６４、通信線７０に接続されるイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）６５、アクセルセンサ６６、ブレーキセンサ６７、車速センサ６８、及び上記したライト、パワーウインド、ワイパー用電動機等の補機４４の操作部５５等がある。

統括制御部５６は、燃料電池２２の状態、バッテリ２４の状態、モータ２６の状態、及び補機４４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に基づき決定した燃料電池車両２０の総負荷要求量Ｌｔから、燃料電池２２が負担すべき燃料電池分担負荷量（要求出力）Ｌｆと、バッテリ２４が負担すべきバッテリ分担負荷量（要求出力）Ｌｂと、回生電源が負担すべき回生電源分担負荷量Ｌｒとの配分（分担）を調停しながら決定し、ＦＣ制御部５０、モータ制御部５２及びコンバータ制御部５４に指令を送出する。

統括制御部５６による処理周期は、例えば、燃料電池車両２０が、ユーザのアクセル操作等に対して違和感のない程度に円滑に応答すればよいことを考慮し、コンバータ制御部５４の処理周期（この実施形態ではスイッチング周期≒５０［μＳ］）より遅い周期でよく、例えば、スイッチング周期の２００倍の約１０［ｍｓ］に設定される。また、通信線７０の通信周期は、統括制御部５６の処理周期と概ね同じ周期に設定される（通信周期≒１０［ｍｓ］）。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、バッテリ２４と、燃料電池２２又は回生電源（インバータ３４とモータ２６）との間に接続される、上アーム素子（上アームスイッチング素子８１と並列ダイオード８３）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２と並列ダイオード８４）とからなる相アーム（単相アーム）ＵＡと、リアクトル９０とから構成される。

上アームスイッチング素子８１と下アームスイッチング素子８２とは、それぞれ例えば、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等で構成される。

リアクトル９０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積するために、前記上アーム素子及び前記下アーム素子の接続点とバッテリ２４との間に挿入されている。

上アームスイッチング素子８１は、コンバータ制御部５４から出力される駆動信号（駆動電圧）ＵＨによりオン又はオフされ、下アームスイッチング素子８２は、駆動信号（駆動電圧）ＵＬによりオン又はオフされる。

１次電圧Ｖ１、代表的には、負荷が接続されていないときのバッテリ２４の開放電圧ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）は、図２の燃料電池出力特性（電流電圧特性）９１上に示すように、この燃料電池２２の発電電圧Ｖｆの最低電圧Ｖｆｍｉｎより高い電圧に設定されている。なお、図２において、バッテリ２４の開放電圧ＯＣＶをＯＣＶ≒Ｖ１と描いている。

２次電圧Ｖ２は、燃料電池２２が発電動作しているときには燃料電池２２の発電電圧Ｖｆに等しい電圧にされる。

ここで、ＶＣＵ２３による燃料電池２２の出力制御について説明する。

水素タンク２８からの燃料ガス及びエアコンプレッサ３０からの圧縮空気が供給されている発電時に、燃料電池２２の発電電流Ｉｆは、図２に示した特性９１｛関数Ｆ（Ｖｆ）という。｝上で２次電圧Ｖ２、すなわち、発電電圧Ｖｆをコンバータ制御部５４によりＤＣ／ＤＣコンバータ３６を通じて設定することにより決定される。つまり、発電電流Ｉｆは、発電電圧Ｖｆの関数Ｆ（Ｖｆ）値として決定される。Ｉｆ＝Ｆ（Ｖｆ）であり、例えば発電電圧ＶｆをＶｆ＝Ｖｆａ＝Ｖ２と設定すれば、その発電電圧Ｖｆａ（Ｖ２）の関数値としての発電電流Ｉｆａが決定される。｛Ｉｆａ＝Ｆ（Ｖｆａ）＝Ｆ（Ｖ２）｝。

具体的に、燃料電池２２においては、発電電圧Ｖｆの減少に応じて流し出される電流である発電電流Ｉｆが増加し、発電電圧Ｖｆの増加に応じて流し出される発電電流Ｉｆが減少する。

このように、燃料電池２２は、２次電圧Ｖ２（発電電圧Ｖｆ）を決定することにより発電電流Ｉｆが決定されるので、燃料電池車両２０等、燃料電池２２を含むシステムでは、通常時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の２次側２Ｓの２次電圧Ｖ２（発電電圧Ｖｆ）が、コンバータ制御部５４を含むＶＣＵ２３のフィードバック制御の電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒ（図３参照）に設定される。すなわち、ＶＣＵ２３により燃料電池２２の出力（発電電流Ｉｆ）が制御される。以上が、ＶＣＵ２３による燃料電池２２の出力制御の説明である。

図３〜図５は、２次電圧制御モード時（電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒ）におけるコンバータ制御部５４の機能ブロック図である。

この２次電圧制御モードでは、統括制御部５６で演算された２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが制御目標値算出部９２に供給される。制御目標値算出部９２は、統括制御部５６の処理周期及び通信線７０の通信周期（例えば、１０［ｍｓ］）が、コンバータ制御部５４の処理周期（例えば、５０［μｓ］）よりも長いため、受信される２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが時間的にステップ状に変化する場合（図８Ａの特性１０６、図９Ｃの特性１３４、図１１Ａの特性１４０、及び、図１３Ａの特性１６０参照）に、この２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに対して、一次遅れ処理のみ（図４参照）、あるいは、レートリミット処理（変化量制限処理）及び一次遅れ処理（図５参照）を施すことにより、電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒに変換し（図８Ａの特性１２０、図９Ｄの特性１３６、図１１Ａの特性１５２、及び、図１３Ａの特性１７２参照）、変換した電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒをフィードバック項演算部９４及びフィードフォワード項演算部９６に供給する。

具体的に、図４では、制御目標値算出部９２としての一次遅れフィルタ１０２に２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを通過させることにより、該２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒに変換する。

また、図５では、変化量制限部１０４が２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに対して変化率が固定値とされたレートリミット処理を施し、次に、一次遅れフィルタ１０２に前記レートリミット処理後の２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを通過させることにより、該２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒに変換する。

なお、変化量制限部１０４での２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに対するレートリミット処理とは、例えば、下記のような処理をいう。

先ず、今回供給された２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍと、前回（の処理時）の２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒとの差（今回のＶ２ｃｏｍ−前回のＶ２ｔａｒ）を算出する。

この場合、この差が、（１）２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの許容変化量の下限値以上で且つ上限値以下であれば｛下限値≦（今回のＶ２ｃｏｍ−前回のＶ２ｔａｒ）≦上限値｝、該２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを今回の２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒを示す電圧値として一次遅れフィルタ１０２に出力する。

また、前記差が、（２）２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの許容変化量の下限値未満であれば｛下限値＞（今回のＶ２ｃｏｍ−前回のＶ２ｔａｒ）｝、（前回のＶ２ｔａｒ＋下限値）を今回の２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒを示す電圧値として一次遅れフィルタ１０２に出力する。

さらに、前記差が、（３）２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの許容変化量の上限値を越えていれば｛上限値＜（今回のＶ２ｃｏｍ−前回のＶ２ｔａｒ）｝、（前回のＶ２ｔａｒ＋上限値）を今回の２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒを示す電圧値として一次遅れフィルタ１０２に出力する。

図３〜図５において、フィードバック項演算部９４は、制御目標値算出部９２にて算出された２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒと、電圧センサ６３（図１参照）で検出された２次電圧Ｖ２との偏差ｅ（ｅ＝Ｖ２−Ｖ２ｔａｒ）を求め、求めた偏差ｅを用いてＰＩＤ処理部｛比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分（Ｄ）動作｝を行って、該偏差ｅをデューティの補正値である補正デューティΔＤ（ΔＤ＝ΔＤｐ＋ΔＤｉ＋ΔＤｄ、ΔＤｐ：Ｐ項成分による補正デューティ、ΔＤｉ：Ｉ項成分による補正デューティΔＤｉ、ΔＤｄ：Ｄ項成分による補正デューティ）を算出し、算出した補正デューティΔＤ（フィードバック項）を加算信号として演算点９８に算出する。

一方、フィードフォワード項演算部９６は、電圧センサ６１で検出された１次電圧Ｖ１から電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒを除して得られる基準デューティＤｓ（Ｄｓ＝Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ）（フィードフォワード項）を加算信号として演算点９８に供給する。

演算点９８は、一方の入力である補正デューティΔＤと、他方の入力である基準デューティＤｓとを加算して、加算結果としての駆動デューティＤ（Ｄ＝Ｄｓ＋ΔＤ＝Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ＋ΔＤ）を駆動信号生成部１００に出力し、駆動信号生成部１００は、駆動デューティＤに基づき、上アームスイッチング素子８１に駆動デューティＤＨ（ＤＨ＝Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ＋ΔＤ）の駆動信号ＵＨを供給すると共に、下アームスイッチング素子８２に駆動デューティＤＬ｛ＤＬ＝１−（Ｖ１／Ｖ２ｔａｒ＋ΔＤ）｝の駆動信号ＵＬを供給する。

この実施形態に係る燃料電池車両２０は、基本的には以上のように構成され且つ動作するものであり、次に、コンバータ制御部５４によるＤＣ／ＤＣコンバータ３６の制御に関して、上述の２次電圧制御モードで制御する場合について、図６〜図１３Ｃを参照しながら説明する。

図６のステップＳ１１において、統括制御部５６により、それぞれが負荷要求であるモータ２６の電力要求と補機４４の電力要求とエアコンプレッサ３０の電力要求とから総負荷要求量Ｌｔが決定（算出）されると、ステップＳ１２において、統括制御部５６は、決定した総負荷要求量Ｌｔを出力するための燃料電池分担負荷量Ｌｆと、バッテリ分担負荷量Ｌｂと、回生電源分担負荷量Ｌｒとの配分を決定し、ＦＣ制御部５０、コンバータ制御部５４及びモータ制御部５２に指令を与える。この場合、コンバータ制御部５４には、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが送出される。

次いで、ステップＳ１３において、統括制御部５６により決定された燃料電池分担負荷量（実質的に、コンバータ制御部５４に対する発電電圧Ｖｆの２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが含まれる。）Ｌｆが通信線７０を通じてコンバータ制御部５４に指令として送信される。

この場合、燃料電池分担負荷量Ｌｆの指令（２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍ）を受信したコンバータ制御部５４は、ステップＳ１４において、基本的に、２次電圧Ｖ２、換言すれば、燃料電池２２の発電電圧Ｖｆが、統括制御部５６から指令された２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍとなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の各アームスイッチング素子８１、８２の駆動デューティを制御する（２次電圧制御モード）。

次に、コンバータ制御部５４における２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍから２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒへの変換処理動作（第１〜第３実施例）と、それらの変換処理動作による効果とについて、図７Ａ〜図１３Ｃを参照しながら説明する。

先ず、第１実施例について、図７Ａ〜図８Ｂを参照しながら説明する。

第１実施例は、制御目標値算出部９２を一次遅れフィルタ１０２のみから構成する場合（図４参照）における、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍから２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒへの変換処理動作に関わる実施例である。

ここで、図７Ａ及び図７Ｂは、コンバータ制御部５４が一次遅れフィルタ１０２を備えておらず、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに対してレートリミット処理のみを行うことにより２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒを算出した場合（第１比較例）を示すグラフである。なお、図７Ａ及び図７Ｂには、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍの特性１０６、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１０８、２次電圧Ｖ２の特性１１０、及び、２次電流Ｉ２の特性１１２のグラフが図示されている。

一方、図８Ａ及び図８Ｂは、第１実施例のグラフであり、特性１０６、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１２０、２次電圧Ｖ２の特性１２２、及び、２次電流Ｉ２の特性１２４のグラフが図示されている。

ここで、図７Ａに示すように、第１比較例においては、特性１０６に対してレートリミット処理のみを施すことにより特性１０８が得られ、この特性１０８に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ３６が制御される。この場合、２次電圧Ｖ２の特性１１０には、特性１０８の変化率の変化点１０９（特性１０８において傾きが急変する角の部分）に同期（対応）して、オーバーシュート１１４が発生している。また、２次電流Ｉ２の特性１１２には、変化点１０９に同期（対応）して、立ち上がり部分及び立ち下り部分にリップル１１６、１１８がそれぞれ発生している（図７Ｂ参照）。

すなわち、第１比較例では、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍの特性１０６に対してレートリミット処理のみ施して２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１０８を得るようにしているので、該特性１０８の変化点１０９に同期して、２次電圧Ｖ２の特性１１０にオーバーシュート１１４が発生すると共に、２次電流Ｉ２の特性１１２にリップル１１６、１１８が発生する。

これに対して、第１実施例では、図４の一次遅れフィルタ１０２に２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを通過させることにより、図８Ａに示すように、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１２０は、変化点１０９に対応する部分１２１において、角のない、すなわち、特性１０８の傾きの急変が緩和された滑らかな波形となるので、リップルの発生が抑制されている。

このように、第１実施例では、２次電流Ｉ２の特性１２４におけるリップルの発生を抑制（低減）することが可能となる。

なお、一次遅れフィルタ１０２の時定数は、変化点１０９に示す角部分（図７Ａ参照）を滑らかな部分１２１（図８Ａ参照）に変化させる程度の比較的小さな時定数に設定されることが好ましい。

次に、第２実施例について、図９Ａ〜図１１Ｃを参照しながら説明する。

第２実施例は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の制御部を、上位制御部としての統括制御部５６と、コンバータ制御部５４とに分け、コンバータ制御部５４の処理周期Ｔ２を統括制御部５６の処理周期Ｔ１よりも短く設定し（Ｔ１＞Ｔ２）、さらに、制御目標値算出部９２を一次遅れフィルタ１０２のみから構成する場合（図４参照）における、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍから２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒへの変換処理動作に関わる実施例である。

ここで、図９Ａ〜図９Ｄは、第２実施例での統括制御部５６及びコンバータ制御部５４における、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍ及び２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの模式的なグラフを図示している。

第２実施例において、統括制御部５６は、前述した電力配分により決定された２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍの特性１３２（図９Ａ参照）を、処理周期Ｔ１（１０［ｍｓ］）に基づく送信タイミングで通信線７０を介してコンバータ制御部５４に送信する。前述したように、コンバータ制御部５４の処理周期Ｔ２は、統括制御部５６の処理周期Ｔ１よりも短いので、コンバータ制御部５４は、特性１３２をステップ状の特性１３４として受信する（図９Ｂ参照）。

この場合、ステップ状の特性１３４を一次遅れフィルタ１０２（図４参照）に通過させることにより、該特性１３４は、時間的に滑らかに変化する、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１３６に変換される（図９Ｃ参照）。すなわち、一次遅れフィルタ１０２は、特性１３４のように、時間経過に対して振幅が急変するようなステップ状の波形を平滑化することにより、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１３６を出力する。

なお、コンバータ制御部５４の処理周期Ｔ２（５０［μｓ］）は、統括制御部５６の処理周期Ｔ１（１０［ｍｓ］）よりも短いので、フィードバック項演算部９４及びフィードフォワード項演算部９６は、処理周期Ｔ２に基づくタイミングで、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１３６をサンプル値１３８（図９Ｄ参照）として用い、前述したＰＩＤ処理によるフィードバック項（補正デューティΔＤ）の算出や、フィードフォワード項（基準デューティＤｓ）の算出をそれぞれ行う。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、コンバータ制御部５４が一次遅れフィルタ１０２を備えておらず、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍをそのまま２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒとした場合（第２比較例）を示すグラフである。なお、図１０Ａ〜図１０Ｃには、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍの特性１４０、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１４２、２次電圧Ｖ２の特性１４４、及び、２次電流Ｉ２の特性１４６のグラフが図示されている。

一方、図１１Ａ〜図１１Ｃは、第２実施例のグラフであり、特性１４０、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１５２、２次電圧Ｖ２の特性１５４、及び、２次電流Ｉ２の特性１５６のグラフが図示されている。

ここで、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、第２比較例においては、ステップ状の特性１４０をそのまま２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１４２とし、この特性１４２に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ３６が制御される。これにより、２次電圧Ｖ２の特性１４４は、特性１４２に対応して、ステップ状の特性となり、２次電流Ｉ２の特性１４６には、特性１４２における時間経過に伴った振幅の急変（ステップ状の上昇又は下降）に同期して、リップル１４７が発生している（図１０Ｃ参照）。

すなわち、第２比較例では、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍのステップ状の特性１５０をそのまま２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１５２とすることにより、２次電圧Ｖ２の特性１４４がステップ状になると共に、２次電流Ｉ２の特性１４６にリップル１４７が発生する。

また、燃料電池２２の発電電流Ｉｆと、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の２次電流Ｉ２と、インバータ３４に供給されるモータ電流Ｉｍとの間には、Ｉｆ＝Ｉｍ−Ｉ２の関係があるので、２次電流Ｉ２にリップルが発生すると、発電電流Ｉｆにもリップルが発生する。発電電流Ｉｆのリップルによって、燃料電池２２に対するガス供給の過不足が発生し、この結果、燃料電池２２が劣化するおそれがある。

これに対して、第２実施例では、コンバータ制御部５４の処理周期Ｔ２を統括制御部５６の処理周期Ｔ１及び通信線７０の通信周期よりも短く設定し、且つ、図４の一次遅れフィルタ１０２に２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを通過させることにより、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１５２は、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍの特性１４０と比較して、ステップ状ではない、滑らかな波形となるので、２次電圧Ｖ２の特性１５４がステップ状になることを防止することができる。従って、２次電流Ｉ２の特性１５６では、図１１Ｃに示すように、リップル１５７が低減されている。

このように、第２実施例では、２次電圧Ｖ２の特性１５４がステップ状に変化することを確実に防止すると共に、２次電流Ｉ２の特性１５６におけるリップル１５７を低減することが可能となる。

次に、第３実施例について、図１２Ａ〜図１３Ｃを参照しながら説明する。

第３実施例は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の制御部を、上位制御部としての統括制御部５６と、コンバータ制御部５４とに分け、コンバータ制御部５４の処理周期を統括制御部５６の処理周期よりも短く設定し、さらに、制御目標値算出部９２を、変化率が固定値とされた変化量制限部１０４及び一次遅れフィルタ１０２から構成する場合（図５参照）における、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍから２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒへの変換処理動作に関わる実施例である。

ここで、図１２Ａ〜図１２Ｃは、コンバータ制御部５４が一次遅れフィルタ１０２を備えておらず、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに対してレートリミット処理のみを行うことにより２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒを算出した場合（第３比較例）を示すグラフである。なお、図１２Ａ〜図１２Ｃには、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍの特性１６０、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１６２、２次電圧Ｖ２の特性１６４、及び、２次電流Ｉ２の特性１６６のグラフが図示されている。

一方、図１３Ａ〜図１３Ｃは、第３実施例のグラフであり、特性１６０、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１７２、２次電圧Ｖ２の特性１７４、及び、２次電流Ｉ２の特性１７６のグラフが図示されている。

ここで、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、第３比較例においては、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１６２は、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍの特性１６０と比較して、変化率が制限されているが、その制限が十分ではないので、２次電圧Ｖ２の特性１６４には、オーバーシュート１６８が発生している。また、電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒの特性１６２には、その変化率が不連続となる変化点１６３が存在するので、２次電流Ｉ２の特性１６６には、この変化点１６３に同期して、リップル１７０が発生している（図１２Ｃ参照）。

すなわち、第３比較例では、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍの特性１６０に対してレートリミット処理のみ施して２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１６２を得るようにしているので、オーバーシュート１６８の低減と、リップル１７０の低減とを両立できるように前記変化率を設定する必要がある。しかしながら、実際上、両立できるように前記変化率を設定することは難しいので、上述したオーバーシュート１６８及びリップル１７０が発生してしまう。また、レートリミット処理のみでは、前記変化率が不連続となる変化点１６３が発生するので、リップル１７０を除去することは難しい。そこで、レートリミット処理の変化率を可変できるようにすることも考えられるが、この場合には、変化率の設定が複雑になる。

従って、第３比較例では、上述したように、オーバーシュート１６８及びリップル１７０が発生しやすい。

これに対して、第３実施例では、図５の変化量制限部１０４において２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに対して変化率が固定とされたレートリミット処理を行い、さらに、一次遅れフィルタ１０２に前記レートリミット処理後の２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを通過させることにより、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性１７２は、上記の変化点１６３の存在しない（角のない）、すなわち、傾きの急変が緩和された滑らかな波形となるので、２次電圧Ｖ２の特性１７４でのオーバーシュートの抑制と、２次電流Ｉ２の特性１７６上のリップル１７８の低減とを両立することができる。また、変化率として固定値を用いるので、変化率を可変にする場合と比較して、制御がシンプルになる。

このように、第３実施例では、２次電圧Ｖ２の特性１７４におけるオーバーシュートの発生を抑制すると共に、２次電流Ｉ２の特性１７６におけるリップル１７８を低減することが可能となる。

以上説明したように、上述した実施形態によれば、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに一次遅れ処理を施して２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒを算出することにより、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの変化率が不連続になる（変化率が急変する）部分の発生を抑制することができるので、該２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒに基づいて各アームスイッチング素子８１、８２を駆動すれば、２次電流Ｉ２のリップルを低減することが可能となる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の制御部を、処理周期Ｔ１が長く（処理速度が遅く）且つ２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを決定する統括制御部５６と、処理周期Ｔ２が短く（処理速度が速く）且つ２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを用いて２次電圧目標値Ｖ１ｔａｒを算出するコンバータ制御部５４とに分けた場合には、２次電圧Ｖ２の電圧制御目標値Ｖ２ｔａｒの変化率が不連続になる部分を効率よく抑制することができるので、前記リップルを効果的に低減することが可能となる。

また、統括制御部５６から通信線７０を介してコンバータ制御部５４に２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍを送信する場合には、通信線７０の通信周期が長い（通信速度が遅い）と、コンバータ制御部５４で受信される２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍが、時間経過に伴ってステップ状に変化する特性となる。これに対して、この実施形態では、コンバータ制御部５４の処理周期Ｔ２を短く（処理速度を速く）設定し、且つ、ステップ状に変化する２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに対して一次遅れ処理を施すことにより、時間経過に対して滑らかな２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒの特性が容易に得られるので、前記リップルを低減することができる。

さらに、コンバータ制御部５４は、２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに対して変化率が固定されたレートリミット処理を行った後に、該レートリミット処理後の２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに対して一次遅れ処理を行うことにより、２次電圧Ｖ２での抑制と、前記リップルの低減とを両立することが可能となる。

さらにまた、２次電流Ｉ２のリップルを低減することで、１次電流のリップルや、２次電流Ｉ２と発電電流Ｉｆとの合成電流であるモータ電流Ｉｍのリップルや、該発電電流Ｉｆのリップルを低減することも可能となる。従って、この実施形態では、前記オーバーシュートを低減し、且つ、各電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉｍ、Ｉｆのリップルを低減することができるので、ＶＣＵ２３を有するハイブリッド直流電源システム１０を燃料電池車両２０に適用した場合には、モータ２６、燃料電池２２及びインバータ３４や、これらの装置に接続される部品の耐電圧性及び耐久性を向上することが可能となると共に、燃料電池２２を構成するセル（のスタック構造）の劣化を抑制することが可能となる。また、耐電圧性及び耐久性が向上することにより、コストの低減、軽量化及び小型化を実現することもできる。

この実施形態は、上記の説明に限定されるものではなく、この明細書及び図面の記載内容に基づき、１次電圧制御モードに適用する等、種々の構成に変更することが可能である。

１次電圧制御モードに適用する場合には、図３〜図５中の括弧内の記載内容に示すように、統括制御部５６からコンバータ制御部５４に１次電圧指令値Ｖ１ｃｏｍを送信し、制御目標値算出部９２は、受信した１次電圧指令値Ｖ１ｃｏｍに対して一次遅れ処理、あるいは、レートリミット処理及び一次遅れ処理を施して１次電圧目標値Ｖ１ｔａｒを算出し、フィードバック項演算部９４は、電圧センサ６１が検出した１次電圧Ｖ１と、１次電圧目標値Ｖ１ｔａｒとに基づいて、補正デューティΔＤを算出し、フィードフォワード項演算部９６は、電圧センサ６３が検出した２次電圧Ｖ２と、１次電圧目標値Ｖ１ｔａｒとに基づいて、基準デューティＤｓを算出する。

この１次電圧制御モードにおいても、制御目標値算出部９２は、１次電圧指令値Ｖ１ｃｏｍに対して一次遅れ処理、あるいは、レートリミット処理及び一次遅れ処理を施して１次電圧目標値Ｖ１ｔａｒを算出することにより、前述した２次電圧制御モードと同様に、１次電圧Ｖ１のオーバーシュート、並びに、１次電流Ｉ１及び２次電流Ｉ２のリップルを確実に低減することができる。

なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書及び図面の記載内容に基づき、単相アームＵＡのＤＣ／ＤＣコンバータ３６に限らず、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相アームのＤＣ／ＤＣコンバータを有するハイブリッド直流電源を備える燃料電池車両に適用する等、種々の構成を採り得ることは勿論である。

この発明の一実施形態に係る燃料電池車両の回路図である。 燃料電池の電流電圧特性の説明図である。 ２次電圧制御モード時におけるコンバータ制御部の機能ブロック図である。 図３のコンバータ制御部のより詳しい構成を示す機能ブロック図である。 図３のコンバータ制御部のより詳しい構成を示す機能ブロック図である。 コンバータ制御部により駆動制御されるＤＣ／ＤＣコンバータの基本動作についての説明に供されるフローチャートである。 図７Ａ及び図７Ｂは、第１比較例における電圧及び電流のグラフである。 図８Ａ及び図８Ｂは、第１実施例における電圧及び電流のグラフである。 図９Ａ〜図９Ｄは、統括制御部及びコンバータ制御部における２次電圧指令値及び２次電圧目標値のグラフである。 図１０Ａ〜図１０Ｃは、第２比較例における電圧及び電流のグラフである。 図１１Ａ〜図１１Ｃは、第２実施例における電圧及び電流のグラフである。 図１２Ａ〜図１２Ｃは、第３比較例における電圧及び電流のグラフである。 図１３Ａ〜図１３Ｃは、第３実施例における電圧及び電流のグラフである。

符号の説明

１０…ハイブリッド直流電源システム ２０…燃料電池車両
２２…燃料電池 ２３…ＶＣＵ
２４…バッテリ ２６…モータ
３４…インバータ ３６…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５４…コンバータ制御部 ５６…統括制御部
７０…通信線 ８１…上アームスイッチング素子
８２…下アームスイッチング素子 ９２…制御目標値算出部
１０２…一次遅れフィルタ １０４…変化量制限部

Claims (5)

1. 第１電力装置と第２電力装置との間に配置され、スイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   該ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第１電力装置側の電圧（以下、１次電圧という。）又は前記第２電力装置側の電圧（以下、２次電圧という。）の指令値に対して一次遅れ処理を行うことにより前記１次電圧又は前記２次電圧の目標値を算出し、算出した前記目標値に基づいて前記スイッチング素子を駆動する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記第１電力装置及び前記第２電力装置の電力配分に基づいて前記指令値を決定する上位制御部と、
   前記指令値に対して前記一次遅れ処理を行うことにより前記目標値を算出し、算出した前記目標値に基づいて前記スイッチング素子を駆動するコンバータ制御部と、
   に分けられ、
   前記コンバータ制御部の処理周期は、前記上位制御部の処理周期よりも短い周期に設定されている
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
2. 請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記コンバータ制御部は、前記指令値に対して変化率が固定値とされた変化量制限処理を行った後に、該変化量制限処理後の指令値に対して前記一次遅れ処理を行う
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
3. 請求項１又は２記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置を備え、
   前記第１電力装置は、前記１次電圧を発生する蓄電装置であり、
   前記第２電力装置は、車輪を回転させる電動機と、該電動機を駆動するインバータに接続され且つ発電電圧を発生する発電装置とを有し、前記発電電圧又は前記電動機が発電機として動作したときに前記インバータに発生する回生電圧を前記２次電圧とする
   ことを特徴とする電気車両。
4. 請求項３記載の電気車両において、
   前記発電装置が、燃料電池である
   ことを特徴とする電気車両。
5. 上位制御部によって第１電力装置と第２電力装置との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータの前記第１電力装置側の電圧（以下、１次電圧という。）又は前記第２電力装置側の電圧（以下、２次電圧という。）の指令値を前記第１電力装置及び前記第２電力装置の電力配分に基づいて決定し、
   前記上位制御部の処理周期よりも短い処理周期に設定されたコンバータ制御部によって、前記指令値に対して一次遅れ処理を行うことにより前記１次電圧又は前記２次電圧の目標値を算出し、算出した前記目標値に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を駆動する
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。

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