JP7528907B2 - Fuel Cell Systems - Google Patents
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Description
本開示は、燃料電池システムに関する。 This disclosure relates to a fuel cell system.
燃料電池車両（ＦＣＥＶ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等の車両に車載されて用いられるシステムに備えられるコンバータに関して種々の研究がなされている。様々な電子機器等に用いられるＤＣ／ＤＣコンバータには、リアクトル、スイッチ、ダイオードおよびコンデンサ等から構成される回路がよく用いられる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号によって、リアクトルに流れる電流の増加や減少を制御する。
例えば特許文献１では、燃料電池スタックの交流インピーダンスを精度よく計測する燃料電池システムが開示されている。
Various researches have been conducted on converters provided in systems used on vehicles such as fuel cell electric vehicles (FCEVs). DC/DC converters used in various electronic devices often use circuits composed of reactors, switches, diodes, capacitors, etc. The DC/DC converter controls the increase or decrease of the current flowing through the reactor by the ON/OFF signal of the switch.
For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell system that accurately measures the AC impedance of a fuel cell stack.
また、特許文献２では、燃料電池のインピーダンスを補機の負荷変動の影響を受けずに高い精度で測定することができる、車両に搭載される燃料電池システムが開示されている。 Patent document 2 discloses a fuel cell system mounted on a vehicle that can measure the impedance of the fuel cell with high accuracy without being affected by load fluctuations of auxiliary equipment.
また、特許文献３では、簡便な装置と構成で短時間に精度の高いインピーダンスを算出するインピーダンス計測方法が開示されている。 Patent document 3 discloses an impedance measurement method that uses a simple device and configuration to calculate impedance with high accuracy in a short time.
また、特許文献４では、デッドタイムが設けられている双方向昇降圧コンバータを用いて、燃料電池のインピーダンスを測定するための交流を燃料電池に精度よく印加する燃料電池システムが開示されている。 Patent Document 4 also discloses a fuel cell system that uses a bidirectional buck-boost converter with dead time to accurately apply an alternating current to the fuel cell in order to measure the impedance of the fuel cell.
燃料電池の運転状態を最適に制御するための指標の一つとして、燃料電池の交流インピーダンスが用いられている。コンバータは、燃料電池の出力電圧をスイッチング素子（スイッチ）によるスイッチング動作によって昇降圧制御する。コンバータには、デューティ比変動に対する応答性能低下領域が存在することが知られている。このような応答性能低下領域で燃料電池の交流インピーダンスを計測すると、コンバータによる燃料電池への高周波信号の重畳精度が低下するので、交流インピーダンス計測精度が著しく低下してしまうという不都合が生じる。
コンバータの小型化をねらいとして、同一コア上で複数のコイルを磁気結合させた磁気結合リアクトルを備えた磁気結合コンバータの導入が選択肢として考えられる。磁気結合コンバータでは、リアクトルのコアの磁気飽和を緩和し出力電流リプルを低減するため、磁気結合されたコイルどうしを、同じデューティ比で位相差が等間隔になるよう交互にスイッチングすることが一般的である。磁気結合リアクトルは、燃料電池の低出力時にはコイルを流れる電流がゼロになる時間を含む不連続モードでの動作となる。
本研究者らは、電流が断続する不連続モードでの動作時に、磁気結合リアクトル特有の現象である相互インダクタンスによる他のコイルからの負電流で疑似的なスイッチオン状態となり、スイッチのオフからオンへの制御がスムーズに切り替わらず、デューティ比を変化させても燃料電池の出力電流値が変化しない状態となる、「不感帯」が存在することを新たに発見した。不感帯においては、デューティ比を変化させて交流インピーダンス測定のための交流信号を印加しようとしても、上記のように燃料電池の出力電流値がほとんど変化しないため、適切に燃料電池の交流インピーダンスを計測することができない。これは上記特許文献１の応答性能低下領域に相当するものであるが、交流インピーダンスを計測しない時間帯又は交流インピーダンスを計測できない時間帯が頻繁に生じることで、燃料電池の運転状態を最適に制御できない虞がある。
The AC impedance of a fuel cell is used as one of the indices for optimally controlling the operating state of the fuel cell. The converter controls the voltage of the fuel cell by increasing or decreasing the voltage through the switching operation of a switching element (switch). It is known that the converter has a region where its response performance to the duty ratio fluctuation decreases. If the AC impedance of a fuel cell is measured in such a region where the response performance decreases, the accuracy of the converter's superposition of the high-frequency signal to the fuel cell decreases, resulting in a significant decrease in the accuracy of the AC impedance measurement.
Aiming to miniaturize the converter, the introduction of a magnetically coupled converter equipped with a magnetically coupled reactor, in which multiple coils are magnetically coupled on the same core, is one option. In a magnetically coupled converter, in order to mitigate the magnetic saturation of the reactor core and reduce the output current ripple, it is common to alternately switch the magnetically coupled coils with the same duty ratio and equal phase differences. When the fuel cell is at low output, the magnetically coupled reactor operates in discontinuous mode, which includes times when the current flowing through the coils becomes zero.
The present researchers have newly discovered that there exists a "dead zone" in which, during operation in a discontinuous mode in which the current is intermittent, a pseudo-switch-on state occurs due to a negative current from another coil caused by mutual inductance, which is a phenomenon specific to magnetic coupling reactors, and the control of the switch does not change from off to on smoothly, and the output current value of the fuel cell does not change even if the duty ratio is changed. In the dead zone, even if an AC signal for measuring the AC impedance is applied by changing the duty ratio, the output current value of the fuel cell hardly changes as described above, so that the AC impedance of the fuel cell cannot be measured appropriately. This corresponds to the response performance reduction region in the above-mentioned Patent Document 1, and there is a risk that the operating state of the fuel cell cannot be optimally controlled due to frequent occurrence of time periods in which the AC impedance is not measured or cannot be measured.
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、適切に燃料電池の交流インピーダンスを計測することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。 This disclosure has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and its main objective is to provide a fuel cell system that can appropriately measure the AC impedance of a fuel cell.
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、当該燃料電池の出力電圧の昇圧及び降圧からなる群より選ばれる少なくとも一種を行うコンバータと、を備え、
前記コンバータは、ｎ（ｎは２以上の整数）相のコイルが互いに磁気結合されているリアクトルと、前記コイルそれぞれに接続されるｎ相のスイッチと、制御部と、を備え、
前記制御部は、ｎ相の前記スイッチのＯＮ・ＯＦＦ制御を行い、
前記制御部は、前記コイルの電流値をモニタリングし、
前記制御部は、前記燃料電池の電流波形及び電圧波形から前記燃料電池の交流インピーダンスを測定し、
前記制御部は、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させ、且つ、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ同じデューティ比で動作させ、
前記制御部は、下記条件１を満たすと判定したときに、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ同じ位相で動作させることを特徴とする。
条件１：ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させたときに、前記コイルを流れる電流が不連続モードであり且つ１相の前記コイルに流れる電流値がゼロに維持されている時に他の少なくとも１相のコイルに接続された前記スイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わる運転条件である。
The fuel cell system of the present disclosure is a fuel cell system,
The fuel cell system includes a fuel cell and a converter that performs at least one operation selected from the group consisting of stepping up and stepping down an output voltage of the fuel cell;
the converter includes a reactor having n-phase coils (n is an integer of 2 or more) magnetically coupled to each other, n-phase switches connected to the coils, and a control unit;
The control unit performs ON/OFF control of the switches of n phases,
The control unit monitors a current value of the coil,
the control unit measures an AC impedance of the fuel cell from a current waveform and a voltage waveform of the fuel cell;
the control unit operates the switches of n phases at different phases and operates the switches of n phases at the same duty ratio;
The control unit is characterized in that, when it is determined that the following condition 1 is satisfied, it operates the n-phase switches in the same phase.
Condition 1: An operating condition in which, when the n-phase switches are operated at different phases, the current flowing through the coil is in discontinuous mode and the current value flowing through the coil of one phase is maintained at zero, the switch connected to the coil of at least one other phase switches from ON to OFF.
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させる時は、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ（３６０／ｎ）°の位相差で動作させてもよい。 In the fuel cell system of the present disclosure, when the control unit operates the n-phase switches with different phases, the control unit may operate the n-phase switches with a phase difference of (360/n)°.
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記条件１に相当する前記コンバータの運転条件を予めデータ群として記憶し、
前記制御部は、現在の前記コンバータの運転条件を当該データ群に照らして、前記条件１を満たすか否かを判定してもよい。
In the fuel cell system of the present disclosure, the control unit stores in advance the operating conditions of the converter corresponding to the condition 1 as a data group,
The control unit may check the current operating conditions of the converter against the data group to determine whether or not the condition 1 is satisfied.
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記条件１を満たすと判定したときに、前記燃料電池の交流インピーダンス測定要求の有無を確認し、
前記制御部は、前記燃料電池の交流インピーダンス測定要求が有ることを確認した場合に、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ同じ位相で動作させ、前記燃料電池の交流インピーダンスを測定してもよい。
In the fuel cell system of the present disclosure, when it is determined that the condition 1 is satisfied, the control unit checks whether or not there is a request to measure the AC impedance of the fuel cell;
When the control unit confirms that there is a request to measure the AC impedance of the fuel cell, the control unit may operate the n-phase switches in the same phase to measure the AC impedance of the fuel cell.
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、ｎ相の前記スイッチを、それぞれ同じ位相で動作させ、前記燃料電池の交流インピーダンスを測定した後、前記リアクトルのコイルを流れる平均電流値が所定の閾値以上であるか否か判定し、
前記リアクトルのコイルを流れる平均電流値が所定の閾値以上であると判定した場合にｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させてもよい。
In the fuel cell system of the present disclosure, the control unit operates the n-phase switches in the same phase, measures the AC impedance of the fuel cell, and then determines whether or not an average current value flowing through a coil of the reactor is equal to or greater than a predetermined threshold value;
When it is determined that an average current value flowing through a coil of the reactor is equal to or greater than a predetermined threshold, the n-phase switches may be operated in different phases.
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、ｎ＝２であり、且つ、互いに磁気結合された２相の前記スイッチをそれぞれ１８０°の位相差で動作させたときに、前記コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相の前記スイッチのデューティ比が５０％未満（Ｄ＜０．５）であり、且つ、下記式（Ａ）または式（Ｂ）のいずれか一方を満たす時に前記条件１を満たすと判定してもよい。
式（Ａ）：Ｄ＜｛（１／２）（Ｌ－Ｍ）（ＶＨ－ＶＬ）｝／（ＬＶＬ＋ＭＶＬ－ＭＶＨ）
式（Ｂ）：Ｄ＜（１／２）｛１－（ＶＬ／ＶＨ）｝
［式（Ａ）及び式（Ｂ）中、Ｌは前記リアクトルの自己インダクタンス、Ｍは前記リアクトルの相互インダクタンス、ＶＨは前記コンバータの出口電圧、ＶＬは前記コンバータの入口電圧、Ｄはデューティ比（－）である。］
In the fuel cell system of the present disclosure, the control unit may determine that condition 1 is satisfied when n=2, and when the two-phase switches that are magnetically coupled to each other are operated with a phase difference of 180°, the current flowing through the coil is in a discontinuous mode, and the duty ratio of the two-phase switches is less than 50% (D<0.5), and either one of the following formula (A) or formula (B) is satisfied:
Formula (A): D<{(1/2)(LM)(V H -V L )}/(LV L +MV L -MV H )
Formula (B): D<(1/2) {1-(V L /V H )}
[In the formulas (A) and (B), L is the self-inductance of the reactor, M is the mutual inductance of the reactor, VH is the output voltage of the converter, VL is the input voltage of the converter, and D is the duty ratio (-).]
本開示の燃料電池システムによれば、適切に燃料電池の交流インピーダンスを計測することができる。 The fuel cell system disclosed herein allows the AC impedance of the fuel cell to be measured appropriately.
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、当該燃料電池の出力電圧の昇圧及び降圧からなる群より選ばれる少なくとも一種を行うコンバータと、を備え、
前記コンバータは、ｎ（ｎは２以上の整数）相のコイルが互いに磁気結合されているリアクトルと、前記コイルそれぞれに接続されるｎ相のスイッチと、制御部と、を備え、
前記制御部は、ｎ相の前記スイッチのＯＮ・ＯＦＦ制御を行い、
前記制御部は、前記コイルの電流値をモニタリングし、
前記制御部は、前記燃料電池の電流波形及び電圧波形から前記燃料電池の交流インピーダンスを測定し、
前記制御部は、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させ、且つ、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ同じデューティ比で動作させ、
前記制御部は、下記条件１を満たすと判定したときに、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ同じ位相で動作させることを特徴とする。
条件１：ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させたときに、前記コイルを流れる電流が不連続モードであり且つ１相の前記コイルに流れる電流値がゼロに維持されている時に他の少なくとも１相のコイルに接続された前記スイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わる運転条件である。
The fuel cell system of the present disclosure is a fuel cell system,
The fuel cell system includes a fuel cell and a converter that performs at least one operation selected from the group consisting of stepping up and stepping down an output voltage of the fuel cell;
the converter includes a reactor having n-phase coils (n is an integer of 2 or more) magnetically coupled to each other, n-phase switches connected to the coils, and a control unit;
The control unit performs ON/OFF control of the switches of n phases,
The control unit monitors a current value of the coil,
the control unit measures an AC impedance of the fuel cell from a current waveform and a voltage waveform of the fuel cell;
the control unit operates the switches of n phases at different phases and operates the switches of n phases at the same duty ratio;
The control unit is characterized in that, when it is determined that the following condition 1 is satisfied, the control unit operates the n-phase switches in the same phase.
Condition 1: An operating condition in which, when the n-phase switches are operated at different phases, the current flowing through the coil is in discontinuous mode and the current value flowing through the coil of one phase is maintained at zero, the switch connected to the coil of at least one other phase switches from ON to OFF.
磁気結合コンバータにおいては、スイッチのデューティ比を変化させても燃料電池の出力電流値が変化しない不感帯が発生することがあり、その場合、適切に燃料電池の交流インピーダンスを測定できない。本開示では、磁気結合リアクトル特有の現象である不感帯を最小限の発生頻度となるよう制御し、燃料電池の交流インピーダンス測定を行う。具体的な制御としては、不感帯が発生する条件において、磁気結合された相のコイル同士を共通のデューティ比かつ同位相でスイッチングさせることにより、不感帯を回避して適切に燃料電池の交流インピーダンス測定を行う。磁気結合された相のコイル同士を共通のデューティ比かつ同位相でスイッチングさせることで、少なくとも１つの相が不感帯の範囲から外れるため、不感帯から外れた相は電流を変動させることができ、その結果適切に燃料電池の交流インピーダンスを計測することができ、燃料電池の運転状態を最適に制御することができる。 In a magnetically coupled converter, a dead zone may occur where the output current value of the fuel cell does not change even when the duty ratio of the switch is changed, and in that case, the AC impedance of the fuel cell cannot be measured appropriately. In this disclosure, the dead zone, which is a phenomenon specific to magnetically coupled reactors, is controlled to occur with a minimum frequency, and the AC impedance of the fuel cell is measured. As a specific control, under conditions where a dead zone occurs, the coils of the magnetically coupled phases are switched with a common duty ratio and in phase, thereby avoiding the dead zone and appropriately measuring the AC impedance of the fuel cell. By switching the coils of the magnetically coupled phases with a common duty ratio and in phase, at least one phase falls outside the range of the dead zone, and the phase outside the dead zone can fluctuate the current, and as a result, the AC impedance of the fuel cell can be measured appropriately, and the operating state of the fuel cell can be optimally controlled.
図１は、昇圧コンバータ及び周辺部品を有する燃料電池システムの回路構成の一例を示す図である。
図１に示す燃料電池システムは、例えば車両に搭載され、外部負荷５０として車両の駆動用モータがインバータを介して接続されている。また、図示していないが、燃料電池１０及び昇圧コンバータ２０と並列して、バッテリーを備えていても良い。燃料電池１０の出力電力は、昇圧コンバータ２０により昇圧された後、さらにインバータにより直流から交流に変換され、モータに供給される。
昇圧コンバータ２０は、互いに並列に接続された６相の昇圧回路を備える。図１では、昇圧回路を６相備える構成を示しているが、相数は特に限定されない。
昇圧回路は、リアクトル２１、電流センサ２２、スイッチ２３、ダイオード２４、コンデンサ２５を備える。昇圧回路は、入力電圧センサ、出力電圧センサを備えていてもよい。
６相の昇圧回路のうち、２相ずつが１つのリアクトル２１のコアを共用し互いに磁気結合することができる。各昇圧回路において、スイッチ２３がＯＮされるとリアクトル２１を流れる電流は増加し、スイッチ２３がＯＦＦされるとリアクトル２１を流れる電流は減少し、電流がゼロに到達した場合にはゼロが維持される。電流センサ２２は、リアクトル２１を流れる電流値を取得する。
図示していない制御部が、スイッチ２３をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、コンバータ２０での昇圧比、及び燃料電池１０からの出力電流値を制御する。
燃料電池１０の出力電力は、車両の要求（速度、加速度、積載量、及び、道路の勾配等）によって大きく変化し、それに応じて出力電流も大きく変化する。燃料電池１０の出力電流が大きい場合、その電流を１つの昇圧回路に流すと、発熱が増大して昇圧コンバータ２０の電力変換効率が低下する。また、大電流に耐えうる昇圧回路に小さい電流しか流さない場合にも、エネルギ損失が増大し、昇圧コンバータ２０の電力変換効率が低下する。そこで、昇圧コンバータ２０は複数相の昇圧回路（図１に示す例では６相）を備え、昇圧コンバータ２０は、燃料電池１０の出力電流値に応じて駆動する相数を切り替える。例えば、燃料電池１０の出力電流値が０～１５０Ａの時は２相で駆動し、１５０～３００Ａの時は４相で駆動し、３００～６００Ａの時は６相で駆動する。昇圧回路は、流れる電流によって効率が異なり、駆動相数を変えることで、各電流域でそれぞれ最適な効率で運転することができる。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a fuel cell system having a boost converter and peripheral components.
1 is mounted on, for example, a vehicle, and is connected to a drive motor of the vehicle via an inverter as an
The
The boost circuit includes a
Of the six-phase boost circuits, two phases each share the core of one
A control unit (not shown) controls the ON/OFF control of the
The output power of the
燃料電池システムは、燃料電池と、コンバータと、を備える。 The fuel cell system includes a fuel cell and a converter.
燃料電池は単セルを１つのみ有するものであってもよく、単セルを複数個積層した燃料電池スタックであってもよい。 The fuel cell may have only one unit cell, or it may be a fuel cell stack made up of multiple unit cells.
コンバータは、燃料電池の出力電圧の昇圧及び降圧からなる群より選ばれる少なくとも一つを行う。コンバータは、昇圧コンバータであってもよく、降圧コンバータであってもよく、昇降圧コンバータであってもよい。
コンバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。
コンバータは、ｎ（ｎは２以上の整数）相のコイルが互いに磁気結合されているリアクトルと、コイルそれぞれに接続されるｎ相のスイッチと、制御部と、を備える。コンバータは、ダイオード、電流センサ、電圧センサ、フォトカプラ、及び、コンデンサ等を備えていてもよい。
The converter performs at least one of stepping up and stepping down the output voltage of the fuel cell, and may be a step-up converter, a step-down converter, or a step-up/step-down converter.
The converter may be a DC/DC converter.
The converter includes a reactor having n-phase coils (n is an integer of 2 or more) magnetically coupled to each other, n-phase switches connected to the coils, and a control unit. The converter may include a diode, a current sensor, a voltage sensor, a photocoupler, a capacitor, etc.
リアクトルは、コイル及びコアを有する。
コアには、ｎ（ｎは２以上の整数）相のコイルが巻回されていてもよい。ｎは２以上であればよく、上限は特に限定されず、１０以下であってもよく、５以下であってもよく、４以下であってもよく、３以下であってもよい。
リアクトルが有するコア及びコイルは、従来公知のコンバータに用いられているコア及びコイルを採用してもよい。
本開示においては、１つの独立したコイルが巻回されたコアを有するリアクトルを非磁気結合リアクトルと称する。本開示においては、非磁気結合リアクトルを備えるコンバータを非磁気結合コンバータと称する。本開示においては、２以上の独立したコイルが巻回されたコアを有するリアクトルを磁気結合リアクトルと称する。本開示においては、磁気結合リアクトルを備えるコンバータを磁気結合コンバータと称する。
本開示において独立したコイルとは、１つ以上の渦巻部と、２つの端子部を備えるコイルを意味する。
The reactor includes a coil and a core.
The core may have n-phase coils wound thereon (n is an integer of 2 or more). As long as n is 2 or more, there is no upper limit to n, and it may be 10 or less, 5 or less, 4 or less, or 3 or less.
The core and coil of the reactor may be the same as those used in conventionally known converters.
In this disclosure, a reactor having a core around which one independent coil is wound is referred to as a non-magnetically coupled reactor. In this disclosure, a converter including a non-magnetically coupled reactor is referred to as a non-magnetically coupled converter. In this disclosure, a reactor having a core around which two or more independent coils are wound is referred to as a magnetically coupled reactor. In this disclosure, a converter including a magnetically coupled reactor is referred to as a magnetically coupled converter.
In this disclosure, a separate coil refers to a coil with one or more spiral turns and two terminals.
スイッチ（スイッチング素子）は、トランジスタと、保護用ダイオードと、によって構成されている。トランジスタは、ｎｐｎタイプのトランジスタであり、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、及び、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等であってもよい。
ダイオードは、従来公知のコンバータに用いられているダイオードを採用してもよい。
The switch (switching element) is composed of a transistor and a protective diode. The transistor is an npn type transistor, and may be, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).
The diode may be any diode used in a conventionally known converter.
電流センサは、リアクトルのコイルを流れる電流値（リアクトル電流値という場合がある）を取得することができるものであれば、特に限定されず、従来公知の電流計等を用いることができる。また、本開示においては、リアクトル平均電流とは、デューティ比の制御のスイッチング周期中におけるコイルを流れる平均電流を意味する。 The current sensor is not particularly limited as long as it can obtain the value of the current flowing through the coil of the reactor (sometimes called the reactor current value), and a conventionally known ammeter or the like can be used. In addition, in this disclosure, the reactor average current means the average current flowing through the coil during the switching period of the duty ratio control.
電圧センサは、燃料電池から出力されコンバータに入力される入力電圧を取得することができるものであれば、特に限定されず、従来公知の電圧計等を用いることができる。 The voltage sensor is not particularly limited as long as it can acquire the input voltage output from the fuel cell and input to the converter, and a conventionally known voltmeter or the like can be used.
制御部は、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等であってもよい。ＥＣＵは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、メモリと、入出力バッファとを含んで構成される。 The control unit may be an electronic control unit (ECU) or the like. The ECU includes a central processing unit (CPU), a memory, and an input/output buffer.
制御部は、リアクトルのｎ相のコイルに流れる電流値を電流センサからの信号により検出し、コイルの電流値をモニタリングする。 The control unit detects the current value flowing through the n-phase coil of the reactor using a signal from the current sensor and monitors the coil current value.
制御部は、ｎ相のスイッチのＯＮ・ＯＦＦ制御を行う。制御部は、磁気結合されたｎ相のスイッチを一定の周波数で動作させてもよい。
制御部は、スイッチへのＯＮ指令とＯＦＦ指令とを周期的に切り替えることにより、スイッチのＯＮ・ＯＦＦ制御を行い、ｎ相のスイッチのデューティ比を制御してもよい。これにより燃料電池からの出力電流値を制御してもよい。
昇圧コンバータでは、リアクトルに対する電気的なエネルギの蓄積と放出とをおこなうスイッチングの動作を繰り返して昇圧する。デューティ比は、その昇圧動作のスイッチング周期中において、スイッチング素子が開いてリアクトルに電気的なエネルギが蓄積される蓄積期間が占める割合を定める。昇圧コンバータにおける昇圧動作のスイッチング周期をＴとし、スイッチング素子がターンオンする期間をＴＯＮ、ターンオフする期間をＴＯＦＦとするとき、デューティ比Ｄは、Ｄ（－）＝ＴＯＮ／Ｔとして表される。便宜のため、デューティ比は百分率（％）で示す場合がある。この場合、Ｄ（％）＝ＴＯＮ／Ｔ×１００である。
本開示において、スイッチングの周期（スイッチング周期）とは、スイッチがオフからオンに切り替わった時点から、再度スイッチがオフからオンに切り替わる時点までの期間を意味する。
The control unit performs ON/OFF control of the n-phase switches. The control unit may operate the magnetically coupled n-phase switches at a constant frequency.
The control unit may periodically switch between an ON command and an OFF command to control the ON/OFF of the switch, thereby controlling the duty ratio of the n-phase switch, thereby controlling the output current value from the fuel cell.
In a boost converter, the voltage is boosted by repeating a switching operation that stores and releases electrical energy in a reactor. The duty ratio determines the proportion of the storage period during which the switching element is open and electrical energy is stored in the reactor during the switching period of the boost operation. If the switching period of the boost operation in the boost converter is T, the period during which the switching element is turned on is T ON , and the period during which the switching element is turned off is T OFF , the duty ratio D is expressed as D(-)=T ON /T. For convenience, the duty ratio may be expressed as a percentage (%). In this case, D(%)=T ON /T×100.
In this disclosure, a switching period (switching cycle) means the period from when a switch is switched from off to on to when the switch is switched from off to on again.
制御部は、ｎ相のスイッチをそれぞれ異なる位相で動作させ、且つ、ｎ相のスイッチをそれぞれ同じデューティ比で動作させる。
制御部は、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させる時は、ｎ相のスイッチを、それぞれ（３６０／ｎ）°の位相差で動作させてもよい。
制御部は、スイッチが２相の場合、且つ、２相のスイッチをそれぞれ異なる位相で動作させる場合、２相のスイッチを、それぞれ３０～１８０°の位相差で動作させてもよく、電力変換効率向上の観点から、１８０°の位相差すなわち逆位相で動作させてもよい。逆位相での動作の場合は、－５°～＋５°の範囲で位相誤差が生じてもよい。
The control unit operates the n-phase switches with different phases and with the same duty ratio.
When the control unit operates the n-phase switches with different phases, the control unit may operate the n-phase switches with a phase difference of (360/n)°.
When the control unit has two phases and operates the two phase switches with different phases, the control unit may operate the two phase switches with a phase difference of 30 to 180 degrees, or may operate the two phase switches with a phase difference of 180 degrees, i.e., in opposite phases, from the viewpoint of improving power conversion efficiency. In the case of operation in opposite phases, a phase error in the range of -5° to +5° may occur.
制御部は、下記条件１を満たすと判定したときに、ｎ相のスイッチをそれぞれ同じ位相で動作させる。 When the control unit determines that the following condition 1 is met, it operates each of the n-phase switches in the same phase.
条件１：ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させたときに、前記コイルを流れる電流が不連続モードであり且つ１相の前記コイルに流れる電流値がゼロに維持されている時に他の少なくとも１相のコイルに接続された前記スイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わる運転条件である。
３相以上の磁気結合リアクトルの場合に１相の前記コイルに流れる電流値がゼロであり且つ他のコイルに接続されたスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わる運転条件とは、残りの相の内の少なくともいずれか一相のスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わる運転条件であってもよい。
ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させる場合に、互いに磁気結合されたｎ相をそれぞれ（３６０°／ｎ）の位相差で駆動したときには、条件１は、不連続モードかつデューティ比が（１００－１００／ｎ）％未満になるときであってもよい。
制御部は、条件１に相当するコンバータの運転条件を予めデータ群として記憶し、現在のコンバータの運転条件を当該データ群に照らして、前記条件１を満たすか否かを判定してもよい。これにより不感帯に突入することを回避することができ、燃料電池の交流インピーダンス測定の精度が向上する。
Condition 1: An operating condition in which, when the n-phase switches are operated at different phases, the current flowing through the coil is in discontinuous mode and the current value flowing through the coil of one phase is maintained at zero, the switch connected to the coil of at least one other phase switches from ON to OFF.
In the case of a magnetic coupling reactor having three or more phases, the operating condition under which the current value flowing through the coil of one phase is zero and the switch connected to the other coils is switched from ON to OFF may be an operating condition under which the switch of at least any one of the remaining phases is switched from ON to OFF.
In the case where the n-phase switches are operated with different phases, when the n phases magnetically coupled to each other are driven with a phase difference of (360°/n), condition 1 may be a case where the mode is discontinuous and the duty ratio is less than (100-100/n)%.
The control unit may store in advance operating conditions of the converter corresponding to condition 1 as a data group, and compare the current operating conditions of the converter with the data group to determine whether or not the condition 1 is satisfied. This makes it possible to avoid entering the dead zone, improving the accuracy of the AC impedance measurement of the fuel cell.
制御部は、ｎ相のスイッチを、それぞれ同じ位相で動作させ、燃料電池の交流インピーダンスを測定した後、リアクトルのコイルに流れる平均電流値が所定の閾値以上であるか否か判定してもよい。
前記リアクトルのコイルに流れる平均電流値が所定の閾値以上であると判定した場合にｎ相のスイッチをそれぞれ異なる位相で動作させてもよい。
互いに磁気結合されたｎ相のスイッチを同位相で動作させているときに、燃料電池の出力電流が増大すると、連続モードに移行する。この直後に位相を同位相から異なる位相に切り替えると条件１の範囲に入ってしまう。また、同位相で連続モードまで駆動すると減圧変換効率が悪い。そのため、燃料電池の出力電流が増大し、リアクトルのコイルに流れる平均電流値が所定の閾値以上であると判定した場合にスイッチをそれぞれ異なる位相で動作させてもよい。これにより、不感帯の発生を抑制し且つ電圧変換効率を向上させることができる。
リアクトルのコイルに流れる平均電流値の所定の閾値は、例えば、３～１５Ａであってもよい。
The control unit may operate the n-phase switches in the same phase, measure the AC impedance of the fuel cell, and then determine whether or not an average current value flowing through the coil of the reactor is equal to or greater than a predetermined threshold value.
When it is determined that an average current value flowing through the coil of the reactor is equal to or greater than a predetermined threshold, n-phase switches may be operated in different phases.
When n-phase switches that are magnetically coupled to each other are operated in the same phase, if the output current of the fuel cell increases, the mode transitions to continuous mode. If the phase is immediately switched from the same phase to a different phase, the range of condition 1 will be reached. Furthermore, driving to continuous mode in the same phase results in poor pressure reduction conversion efficiency. Therefore, when the output current of the fuel cell increases and it is determined that the average current value flowing through the reactor coil is equal to or greater than a predetermined threshold, the switches may be operated in different phases. This makes it possible to suppress the occurrence of dead zones and improve voltage conversion efficiency.
The predetermined threshold value for the average current value flowing through the coil of the reactor may be, for example, 3 to 15 A.
［不感帯の説明］
「不感帯」とは、コンバータのＰＷＭデューティ比を増減させても、リアクトルのコイルに流れる平均電流値がほとんど変化しない領域を指す。磁気結合の相互インダクタンスによる負電流が原因で、２相磁気結合の単方向昇圧（降圧）回路ではデューティ比が５０％以下の不連続モード領域の一部に現れる。
図２は、入力電圧Ｖｆｃが２００Ｖ、出力電圧Ｖｈが３５０Ｖで昇圧比を一定とし、互いに磁気結合された２相のコイルを駆動させて、デューティ比を徐々に増加させたときの、リアクトルの各コイルに流れる平均電流値（単相平均電流値）の電流変化を表した図である。図２において、コイルの自己インダクタンスは９６．４μＨであり、コイルの相互インダクタンスは６２．７μＨであり、スイッチの駆動周波数は２０ｋＨｚとした。
リアクトルのコイルに流れる平均電流値を算出する状態方程式（後述）によれば、図２の破線で示したように、デューティ比が増加するにつれてリアクトルのコイルに流れる平均電流値も単調増加するはずだが、実際には実線で示したように、階段状に電流が増加する特性を示し、点線で囲まれた部分に、デューティ比を増加させてもリアクトルのコイルに流れる平均電流値が増加しない「不感帯」が存在する。リアクトルのコイルに流れる平均電流値が上記不感帯にある場合、デューティ比を変化させても、リアクトルのコイルに流れる平均電流値すなわち燃料電池の出力電流値が変化せず、適切に燃料電池の交流インピーダンスを測定することができない。
[Deadband explanation]
The "dead zone" refers to the region where the average current value flowing through the reactor coil hardly changes even if the PWM duty ratio of the converter is increased or decreased. Due to the negative current caused by the mutual inductance of the magnetic coupling, it appears in a part of the discontinuous mode region where the duty ratio is 50% or less in a two-phase magnetically coupled unidirectional step-up (step-down) circuit.
2 is a diagram showing the change in the average current value (single-phase average current value) flowing through each coil of the reactor when the duty ratio is gradually increased by driving two-phase coils that are magnetically coupled to each other, with the input voltage Vfc being 200 V, the output voltage Vh being 350 V, and the step-up ratio being constant. In FIG. 2, the self-inductance of the coils is 96.4 μH, the mutual inductance of the coils is 62.7 μH, and the drive frequency of the switch is 20 kHz.
According to the state equation (described later) for calculating the average current flowing through the reactor coil, as the duty ratio increases, the average current flowing through the reactor coil should increase monotonically, as shown by the dashed line in Figure 2, but in reality, as shown by the solid line, the current increases in a stepped manner, and there is a "dead zone" in the area surrounded by the dotted line where the average current flowing through the reactor coil does not increase even if the duty ratio is increased. If the average current flowing through the reactor coil is in the dead zone, the average current flowing through the reactor coil, i.e., the output current value of the fuel cell, does not change even if the duty ratio is changed, and the AC impedance of the fuel cell cannot be measured appropriately.
図３は、不感帯が発生する領域での、磁気結合された２相のコイルそれぞれの電流波形を示す図である。図３では、Ｕ相の電流をＬ１、Ｖ相の電流をＬ２と表記している。
時刻ｔ０からｔ１までの間、Ｖ相のスイッチはＯＮであり、徐々にＬ２電流が増大する。一方、Ｕ相のスイッチはＯＦＦであり、Ｌ１電流は０に維持されている。時刻ｔ１において、Ｖ相のスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わったことにより、Ｖ相のＬ２電流が減少に転じる。ここで、Ｕ相のスイッチはＯＦＦに維持されたままであるが、時刻ｔ１以降、Ｖ相の相互作用によりＵ相に流れるＬ１電流は、減少と増加が交互に現れる。
ここで、例えば時刻ｔ２のように、Ｕ相のＬ１電流が増加しているときにＵ相のスイッチをＯＮしても、既に電流が増加しているため、スイッチＯＮの信号は認識されない。その後、時刻ｔ３のようにＵ相のＬ１電流が減少するタイミングになって初めてＵ相のスイッチＯＮが認識され、その後Ｕ相のスイッチがＯＦＦされるまでＬ１電流が増加する。スイッチＯＮの信号が認識されないタイミングと認識されるタイミングが交互に現れるため、図２のように、不感帯が繰り返し現れることになる。
なお、前述したように、磁気結合されている一方の相のコイルの電流値が０であるときに、他方の相のスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わると、一方の相のコイルに電流の増減が生じ、その結果不感帯が現れる。
したがって、条件１の通り、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で駆動したときに、前記コイルを流れる電流が不連続モードであり且つ磁気結合されている一方の相のコイルの電流値が０に維持されているときに、他方の相のスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わるような運転条件の時に、不感帯が発生すると言える。
２相磁気結合の場合、２相を駆動する位相差は１８０°であってもよい。２相を駆動する位相差が１８０°である場合、不連続モードであってデューティ比が５０％未満であれば、磁気結合されている一方の相のコイルの平均電流値が０に維持されているときに、他方の相のスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わるような運転条件の時に、不感帯が発生することになる。
3 is a diagram showing the current waveforms of the magnetically coupled coils of two phases in a region where a dead zone occurs, in which the U-phase current is denoted as L1 and the V-phase current is denoted as L2.
Between time t0 and t1, the V-phase switch is ON, and the L2 current gradually increases. Meanwhile, the U-phase switch is OFF, and the L1 current is maintained at 0. At time t1, the V-phase switch is switched from ON to OFF, causing the V-phase L2 current to begin to decrease. Here, the U-phase switch remains OFF, but after time t1, the L1 current flowing through the U-phase due to V-phase interaction alternates between decreasing and increasing.
Here, even if the U-phase switch is turned ON when the U-phase L1 current is increasing, for example at time t2, the switch ON signal is not recognized because the current is already increasing. After that, the U-phase switch ON is recognized only when the U-phase L1 current decreases at time t3, and thereafter the L1 current increases until the U-phase switch is turned OFF. Timings when the switch ON signal is not recognized and timing when it is recognized alternate, so that a dead zone appears repeatedly, as shown in FIG. 2.
As mentioned above, when the current value of the coil of one of the magnetically coupled phases is zero and the switch of the other phase is switched from ON to OFF, the current in the coil of one of the phases increases or decreases, resulting in a dead zone.
Therefore, as per condition 1, when the n-phase switches are driven at different phases, while the current flowing through the coils is in discontinuous mode and the current value of the magnetically coupled coil of one phase is maintained at 0, it can be said that a dead zone occurs under operating conditions in which the switch of the other phase switches from ON to OFF.
In the case of two-phase magnetic coupling, the phase difference for driving the two phases may be 180°. When the phase difference for driving the two phases is 180°, if the discontinuous mode is used and the duty ratio is less than 50%, a dead zone occurs under operating conditions in which the switch of one magnetically coupled phase switches from ON to OFF while the average current value of the coil of the other phase is maintained at 0.
図４は、互いに磁気結合された２相のコイルを駆動させて、各相それぞれに振幅±３Ａの２７０Ｈｚのサイン波を重畳し、直流負荷電流を５～２５Ａの範囲でスイープした時の電流波形を示した図である。図４においては、図２と同様に、入力電圧Ｖｆｃが２００Ｖ、出力電圧Ｖｈが３５０Ｖで昇圧比を一定とし、コイルの自己インダクタンスは９６．４μＨであり、コイルの相互インダクタンスは６２．７μＨであり、スイッチの駆動周波数は２０ｋＨｚとした。図４の場合、デューティ比とリアクトルのコイルに流れる平均電流値との関係は図２に示す破線に沿っていると考えられているため、破線に沿ってデューティ比を振幅させる。ところが、上述したように、実際には電流値の変化は図２に示す実線のように階段状であるため、図２に点線で示す不感帯においてデューティ比を増減させても電流は変化せず、図４の点線で示すように、電流にサイン波重畳が出来ない領域があり、その領域では燃料電池の交流インピーダンスの計測ができない。なお、図４の点線で示す特定領域で直流負荷の急変動が発生した場合、燃料電池の出力応答が遅れバッテリー等の負荷上昇が発生する場合もある。
したがって、条件１として、ｎ相のスイッチをそれぞれ異なる位相で動作させ、且つ、ｎ相のスイッチをそれぞれ同じデューティ比で動作させたときに電流波形がサイン波を重畳していない場合に、不感帯に突入していると判定することができる。すなわち、ｎ相のスイッチをそれぞれ異なる位相で動作させ、且つ、ｎ相のスイッチをそれぞれ同じデューティ比で動作させたときに電流波形がサイン波を重畳しているか否かを判定することで不感帯に突入しているか否かを判定することができる。
図４を考慮して、制御部は、コイルの電流値の振幅が通常の振幅となるようにｎ相のスイッチのデューティ比を増減させたときに、測定される前記コイルの電流値の振幅が期待値よりも小さい時に条件１を満たすと判定してもよい。コイルの電流値の振幅が期待値よりも小さい時は、サイン波を重畳していない状態に相当し、不感帯に突入していると判定することができる。
Fig. 4 shows the current waveform when two magnetically coupled coils are driven, a 270 Hz sine wave with an amplitude of ±3 A is superimposed on each phase, and the DC load current is swept in the range of 5 to 25 A. In Fig. 4, as in Fig. 2, the input voltage Vfc is 200 V, the output voltage Vh is 350 V, the step-up ratio is constant, the self-inductance of the coil is 96.4 μH, the mutual inductance of the coil is 62.7 μH, and the drive frequency of the switch is 20 kHz. In the case of Fig. 4, the relationship between the duty ratio and the average current value flowing through the coil of the reactor is considered to follow the dashed line shown in Fig. 2, so the duty ratio is oscillated along the dashed line. However, as described above, since the change in the current value is actually stepped as shown by the solid line in Fig. 2, the current does not change even if the duty ratio is increased or decreased in the dead zone shown by the dotted line in Fig. 2, and there is a region where a sine wave cannot be superimposed on the current as shown by the dotted line in Fig. 4, and in this region the AC impedance of the fuel cell cannot be measured. Note that if a sudden change in the DC load occurs in the specific region shown by the dotted line in Fig. 4, the output response of the fuel cell may be delayed, resulting in an increase in the load on the battery, etc.
Therefore, as condition 1, when n-phase switches are operated with different phases and the same duty ratio, if a sine wave is not superimposed on the current waveform, it can be determined that the dead zone has been entered. In other words, when n-phase switches are operated with different phases and the same duty ratio, it can be determined whether the dead zone has been entered by determining whether a sine wave is superimposed on the current waveform.
4, the control unit may determine that condition 1 is satisfied when the amplitude of the measured coil current value is smaller than an expected value when the duty ratio of the n-phase switch is increased or decreased so that the amplitude of the coil current value becomes a normal amplitude. When the amplitude of the coil current value is smaller than the expected value, this corresponds to a state in which a sine wave is not superimposed, and it can be determined that the dead zone has been entered.
図５は、Ｕ相とＶ相の２相磁気結合昇圧回路の一例を示す図である。図５において、ＶＬは入力電圧（昇圧前電圧）、ＩＵはＵ相電流、ＩＶはＶ相電流、ＶＨは出力電圧（昇圧後電圧）、Ｄはダイオード、Ｓはスイッチ、Ｍは相互インダクタンス、Ｌは自己インダクタンス、ｒは内部抵抗を示す。
式（１）は電流Ｉベクトルの状態方程式である。この状態方程式を解くことにより、図２中において破線で示した電流曲線を得ることができる。式（１）における電圧Ｖベクトルは、表１のように表される。表１は、式（１）における電圧Ｖベクトルと不感帯発生条件（斜線部分）を示す。
図５及び式（１）のＭで表される磁気結合の相互インダクタンスによる負電流が原因で、２相磁気結合の単方向昇圧（降圧）回路では表１の斜線部分に示すように、両相のスイッチがオフの状態、つまり１８０°位相差駆動でデューティ比が５０％未満の不連続モード領域の一部に不感帯が現れる。メカニズムは式（１）を表１の条件で時間に沿って解くことで得られるように、両相のスイッチがオフの状態で片方のコイルに流れる電流が０Ａかつ、もう一方のコイルに流れる電流が正である場合に、０Ａ側のコイルに相互インダクタンスによる起電圧が発生し負電流を生じる。その後、負電流が増加することでコイルの起電力がなくなり、じきに減少に転じるが、０Ａに戻るまでの期間は表１の斜線部分のようにスイッチが疑似的なＯＮ状態となるため、負電流側スイッチがＯＮでもＯＦＦでも電流波形に影響を与えることができず制御不感帯となる。
なお、例えば、Ｕ相とＶ相とＷ相の３相磁気結合昇圧回路の場合の不感帯発生条件は、３相すべてのスイッチがＯＦＦで、ＩＵ＞０、ＩＶ≦０、ＩＷ≦０の場合や、ＩＵ＞０、ＩＶ＞０、ＩＷ≦０の場合等が想定される。
Fig. 5 is a diagram showing an example of a two-phase magnetically coupled boost circuit of U phase and V phase. In Fig. 5, VL is an input voltage (voltage before boosting), IU is a U-phase current, IV is a V-phase current, VH is an output voltage (voltage after boosting), D is a diode, S is a switch, M is a mutual inductance, L is a self-inductance, and r is an internal resistance.
Equation (1) is the state equation of the current I vector. By solving this state equation, the current curve shown by the dashed line in Fig. 2 can be obtained. The voltage V vector in equation (1) is expressed as shown in Table 1. Table 1 shows the voltage V vector in equation (1) and the conditions for generating the dead zone (shaded area).
Due to the negative current caused by the mutual inductance of the magnetic coupling represented by M in Fig. 5 and formula (1), in a two-phase magnetically coupled unidirectional step-up (step-down) circuit, as shown in the shaded area in Table 1, a dead zone appears in a part of the discontinuous mode region where the switches of both phases are off, that is, the duty ratio is less than 50% when driven with a 180° phase difference. The mechanism is as shown by solving formula (1) over time under the conditions in Table 1, and when the switches of both phases are off and the current flowing through one coil is 0 A and the current flowing through the other coil is positive, an electromotive voltage is generated by mutual inductance in the coil on the 0 A side, generating a negative current. After that, the electromotive force of the coil disappears as the negative current increases, and it soon starts to decrease, but during the period until it returns to 0 A, the switch is in a pseudo ON state as shown in the shaded area in Table 1, so whether the switch on the negative current side is ON or OFF, it cannot affect the current waveform, resulting in a control dead zone.
For example, in the case of a three-phase magnetically coupled boost circuit having U, V, and W phases, the conditions under which the dead zone occurs are assumed to be when all three phase switches are OFF and IU > 0, IV ≦ 0, IW ≦ 0, or when IU > 0, IV > 0, IW ≦ 0.
図６は、Ｕ相とＶ相の２相磁気結合降圧回路の一例を示す図である。
図７は、Ｕ相とＶ相の２相磁気結合昇降圧回路の一例を示す図である。
昇圧回路だけでなく、降圧回路や昇降圧回路においても昇圧回路と同様に電流制御不感帯の問題があり、不感帯発生時に同位相駆動することにより、不感帯の発生を回避又は抑制することができる。なお、不連続モードを持たない双方向回路については不感帯は存在しないと考えられる。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a two-phase magnetically coupled step-down circuit having a U phase and a V phase.
FIG. 7 is a diagram showing an example of a two-phase magnetically coupled step-up/step-down circuit having a U phase and a V phase.
Not only boost circuits, but also step-down circuits and step-up/step-down circuits have the same current control dead zone problem as boost circuits, and the occurrence of the dead zone can be avoided or suppressed by driving in phase when the dead zone occurs. Note that it is considered that the dead zone does not exist in bidirectional circuits that do not have discontinuous mode.
［連続モード、不連続モードの説明］
図８は、昇圧コンバータのリアクトルのコイルに流れる電流が連続モードの場合の電流波形の一例を示す図である。
図９は、昇圧コンバータのリアクトルのコイルに流れる電流が不連続モードの場合の電流波形の一例を示す図である。
図８に示すように、昇圧コンバータのリアクトルのコイルに流れる電流（リアクトル電流）はスイッチング動作に伴って三角波となり、三角波の中央値がリアクトル平均電流（以下、平均電流と記載する）である。ここで、デューティ（Ｄｕｔｙ）を減らして平均電流を下げていくと、三角波の最下点が０Ａに達する。ここからさらに平均電流を下げると、昇圧コンバータは片方向の回路であるため、図９に示すように、リアクトル電流がゼロとなる期間が発生し始める。このようにコンバータのデューティ比の制御のスイッチング周期中にリアクトルのコイルに流れる電流がゼロとなる期間を有する動作を、不連続モードと呼び、デューティ比の制御のスイッチング周期中にリアクトルのコイルに流れる電流がゼロとなる期間を有さない動作を、連続モードと呼ぶ。
[Explanation of continuous mode and discontinuous mode]
FIG. 8 is a diagram showing an example of a current waveform when a current flowing through a coil of a reactor of a boost converter is in a continuous mode.
FIG. 9 is a diagram showing an example of a current waveform when a current flowing through a coil of a reactor of a boost converter is in a discontinuous mode.
As shown in FIG. 8, the current (reactor current) flowing through the coil of the reactor of the boost converter becomes a triangular wave with the switching operation, and the median value of the triangular wave is the reactor average current (hereinafter referred to as the average current). Here, if the duty is reduced to lower the average current, the lowest point of the triangular wave reaches 0 A. If the average current is further reduced from this point, a period in which the reactor current is zero begins to occur, as shown in FIG. 9, since the boost converter is a one-way circuit. An operation in which the current flowing through the reactor coil is zero during the switching period of the duty ratio control of the converter is called a discontinuous mode, and an operation in which the current flowing through the reactor coil does not have a period in which the current flowing through the reactor coil is zero during the switching period of the duty ratio control is called a continuous mode.
図１０は、磁気結合コンバータにおける、リアクトルの各コイルに流れる単相平均電流とＰＷＭデューティ比との関係を示す図である。図１０では、昇圧後電圧：３５０Ｖに対して、昇圧前電圧を変えながら、デューティ比を変化させたときのリアクトルの各コイルに流れる単相平均電流値を表している。昇圧前電圧が１４０Ｖ以下の低い電圧の時は、デューティ比３５～３０％付近に、デューティ比を上昇させても単相平均電流値が上昇しない「不感帯」が表れる。
図１１は、デューティ比と電流、電圧のタイムチャートの一例を示す図である。
図１１に示すように、不感帯においては、デューティ比を一定の振幅で増減させても、ＦＣ出力電流値及びＦＣ出力電圧値はほとんど変化しない。例えば、不感帯においては、通常よりもデューティ比の振幅を大きくすることにより、電流を増減させることができるが、製品のばらつき等により図１０の特性がずれている場合には、電流の振幅が過度に大きくなり、制御性が悪くなる恐れがある。
例えば、ＦＣ電圧値が２００Ｖ、コンバータ出力電圧が３５０Ｖ、ＦＣ電流値が２０Ａの場合を考える。単相で駆動すると外部への電流リプルが大きくなるため、２相１８０度位相インターリーブ駆動を行うと、例えば図１０のように１０Ａの不感帯につかまり、電流制御精度が低下する可能性がある。
Fig. 10 is a diagram showing the relationship between the single-phase average current flowing through each coil of a reactor and the PWM duty ratio in a magnetically coupled converter. Fig. 10 shows the single-phase average current value flowing through each coil of a reactor when the duty ratio is changed while changing the pre-boost voltage, for a post-boost voltage of 350 V. When the pre-boost voltage is a low voltage of 140 V or less, a "dead zone" appears around the duty ratio of 35 to 30%, where the single-phase average current value does not increase even if the duty ratio is increased.
FIG. 11 is a diagram showing an example of a time chart of the duty ratio, current, and voltage.
As shown in Fig. 11, in the dead zone, even if the duty ratio is increased or decreased at a constant amplitude, the FC output current value and the FC output voltage value hardly change. For example, in the dead zone, the current can be increased or decreased by increasing the amplitude of the duty ratio more than usual, but if the characteristics in Fig. 10 deviate due to product variations or the like, the amplitude of the current may become excessively large, which may result in poor controllability.
For example, consider a case where the FC voltage value is 200 V, the converter output voltage is 350 V, and the FC current value is 20 A. When driven in a single phase, the current ripple to the outside becomes large, so when two-phase 180-degree phase interleaved drive is performed, for example, as shown in Fig. 10, it may be caught in a dead zone of 10 A, and the current control accuracy may decrease.
図１２は、Ｕ相とＶ相の２相磁気結合リアクトルを備えるコンバータの同位相駆動時のリアクトル電流波形の一例を示す図である。
図１３は、Ｕ相とＶ相の２相磁気結合リアクトルを備えるコンバータの１８０°位相差駆動時のリアクトル電流波形の一例を示す図である。
図１４は、Ｕ相とＶ相の２相磁気結合リアクトルを備えるコンバータの同位相駆動と１８０°位相差駆動を交互に行った時のリアクトル電流波形の一例を示す図である。
ここで、図１３のロジックで同位相駆動領域を設けると、両相の電流が一致し、不感帯が発生する条件である「両方ＯＦＦの時に、片方だけゼロ電流になる領域」を回避でき、不感帯の影響を改善できる。不感帯が存在しないため、インピーダンスを計測するために、ＦＣ出力電流にサイン波を乗せても、安定してコンバータを制御することができる。
同位相の駆動波形は図１２のようになり、図１３の１８０°位相差駆動の場合に見られたＵＶ相オフで片相に電流が残っている状態で生じる逆電流による電流振動が無くなる。
FIG. 12 is a diagram showing an example of reactor current waveforms when a converter including two-phase magnetic coupling reactors of U and V phases is driven in the same phase.
FIG. 13 is a diagram showing an example of reactor current waveforms when a converter including two-phase magnetic coupling reactors of U and V phases is driven with a phase difference of 180°.
FIG. 14 is a diagram showing an example of reactor current waveforms when a converter including two-phase magnetic coupling reactors of U and V phases is alternately driven in phase and with a 180° phase difference.
Here, if an in-phase driving region is provided in the logic of Fig. 13, the currents of both phases will match, and the condition for the dead zone to occur, "when both are OFF, the region where only one side has zero current," can be avoided, and the effects of the dead zone can be improved. Since there is no dead zone, the converter can be stably controlled even if a sine wave is superimposed on the FC output current to measure the impedance.
The in-phase drive waveforms are as shown in FIG. 12, and the current oscillation caused by the reverse current that occurs when the UV phase is off and current remains in one phase, as seen in the case of the 180° phase difference drive in FIG. 13, is eliminated.
［交流インピーダンスの測定］
制御部は、燃料電池の電流波形及び電圧波形から燃料電池の交流インピーダンスを測定する。
制御部は、燃料電池の交流インピーダンス測定要求の有無を確認し、燃料電池の交流インピーダンス測定要求が有ることを確認した場合に、条件１を満たすか否か判定し、条件１を満たすと判定したときに、ｎ相のスイッチをそれぞれ同じ位相で動作させ、燃料電池の交流インピーダンスを測定してもよい。
制御部は、条件１を満たすと判定したときに、燃料電池の交流インピーダンス測定要求の有無を確認し、燃料電池の交流インピーダンス測定要求が有ることを確認した場合に、ｎ相のスイッチをそれぞれ同じ位相で動作させ、燃料電池の交流インピーダンスを測定してもよい。
制御部は、燃料電池の電解質膜の状態やガス供給の状態を把握するため、燃料電池の運転中に所定の頻度で、燃料電池の交流インピーダンス測定を実施する。
制御部は、コンバータのＰＷＭデューティ比を周期的に増減させながらスイッチングし、ある周波数成分を含んだ負荷電流をかけたときの、燃料電池の出力電圧及び出力電流値を一波長以上時系列波形データとして取得し、その波形データを離散フーリエ変換し、電圧信号の離散フーリエ変換結果を電流信号の離散フーリエ変換結果で除算することにより燃料電池の交流インピーダンスを算出する。
不連続モードと呼ばれる低負荷領域では、デューティ比を増大させると、リアクトルのコイルを流れる平均電流値も増大する。
上記燃料電池の交流インピーダンスを取得するため、例えば、出力電流値の振幅が±３Ａ程度のサイン波になるよう、デューティ比を制御しても良い。
なお、燃料電池の出力電圧値は、燃料電池スタック全体の電圧を取得しても良いし、各単セルの電圧を取得しても良い。燃料電池スタック全体の電圧値を用いれば、燃料電池スタック全体の交流インピーダンスを取得でき、単セル毎の電圧値を用いれば、単セル毎の交流インピーダンスを取得できる。
また、複数の単セル毎（例えば、２単セル毎、４単セル毎など）に電圧を取得すると任意の単セルブロック毎の交流インピーダンスを取得できる。
単セル面積が数百ｃｍ２程度の場合、発電中に取得する交流インピーダンスの２００Ｈｚ以上の成分は主に電解質膜のプロトン移動抵抗や接触抵抗を表し、数１０Ｈｚの成分は、ガス拡散抵抗を表す。
なお、本開示における燃料電池の交流インピーダンスの測定方法は、特に限定されず、公知の方法を適用することができ、例えば特開２００８－０９８１３４に記載の方法と同様の方法であってもよい。
[AC impedance measurement]
The control unit measures the AC impedance of the fuel cell from the current waveform and voltage waveform of the fuel cell.
The control unit may check whether or not there is a request to measure the AC impedance of the fuel cell, and if it checks that there is a request to measure the AC impedance of the fuel cell, it may determine whether or not condition 1 is satisfied, and if it determines that condition 1 is satisfied, it may operate each of the n-phase switches in the same phase to measure the AC impedance of the fuel cell.
When the control unit determines that condition 1 is satisfied, it checks whether or not there is a request to measure the AC impedance of the fuel cell, and if it checks that there is a request to measure the AC impedance of the fuel cell, it may operate each of the n-phase switches in the same phase to measure the AC impedance of the fuel cell.
The control unit measures the AC impedance of the fuel cell at a predetermined frequency while the fuel cell is in operation in order to grasp the state of the electrolyte membrane of the fuel cell and the state of the gas supply.
The control unit acquires the output voltage and output current values of the fuel cell as time-series waveform data of one wavelength or more when a load current containing a certain frequency component is applied by switching the converter while periodically increasing and decreasing the PWM duty ratio, performs a discrete Fourier transform on the waveform data, and calculates the AC impedance of the fuel cell by dividing the discrete Fourier transform result of the voltage signal by the discrete Fourier transform result of the current signal.
In a low load region called discontinuous mode, when the duty ratio is increased, the average current value flowing through the reactor coil also increases.
In order to obtain the AC impedance of the fuel cell, for example, the duty ratio may be controlled so that the amplitude of the output current value becomes a sine wave of about ±3A.
The output voltage value of the fuel cell may be the voltage of the entire fuel cell stack, or the voltage of each single cell. If the voltage value of the entire fuel cell stack is used, the AC impedance of the entire fuel cell stack can be obtained, and if the voltage value of each single cell is used, the AC impedance of each single cell can be obtained.
Furthermore, by obtaining the voltage for each of a plurality of unit cells (for example, every two unit cells, every four unit cells, etc.), the AC impedance for each arbitrary unit cell block can be obtained.
When the surface area of a single cell is several hundred cm2 , the components of 200 Hz or higher in the AC impedance obtained during power generation mainly represent the proton transfer resistance and contact resistance of the electrolyte membrane, and the components of several tens of Hz represent the gas diffusion resistance.
The method for measuring the AC impedance of the fuel cell in the present disclosure is not particularly limited, and any known method can be applied, and may be the same as the method described in, for example, JP-A-2008-098134.
図１５は、ｎ相磁気結合リアクトルを備えるコンバータを含む燃料電池システムにおける燃料電池の交流インピーダンス測定をするときの制御の一例を示すフローチャートである。
図１５に示すように、制御部は、ｎ相のスイッチをそれぞれ異なる位相且つ同じデューティ比で動作させる。その後、制御部は、条件１を満たしているか否か判定する。制御部は、条件１を満たす場合は、ｎ相のスイッチの動作を、それぞれ同一のデューティ比且つ異なる位相の動作から、それぞれ同一のデューティ比且つ同じ位相の動作に変更し、燃料電池の交流インピーダンス測定を行う。一方、条件１を満たさない場合は、制御部は、ｎ相のスイッチを、それぞれ同一のデューティ比且つ異なる位相で動作させて、燃料電池の交流インピーダンスの測定を行う。
２相磁気結合リアクトルの場合では、燃料電池システムの運転中に、条件１に相当する不感帯が発生する領域に突入したときに、互いに磁気結合された２相のコイルを駆動する際、２相を同じ位相で制御し、２相同時に図２で示すような不感帯に入らないようにすることで、少なくとも１相は不感帯を抜け制御できる状態を維持し、ｓｉｎ波重畳ができるようにする。
条件１に相当する不感帯が発生する領域は、２相磁気結合リアクトルの場合は、不連続モードであり、かつデューティ比が５０％未満の時であってもよい。そのため、例えば燃料電池への要求出力が減少し、不連続モードかつデューティ比が５０％以上から、５０％未満に減少するタイミングで、２相のスイッチの動作を、それぞれ同一のデューティ比且つ異なる位相の動作から、それぞれ同一のデューティ比且つ同じ位相の動作に変更してもよい。
FIG. 15 is a flowchart showing an example of control when measuring the AC impedance of a fuel cell in a fuel cell system including a converter equipped with an n-phase magnetic coupling reactor.
As shown in Fig. 15, the control unit operates the n-phase switches with different phases and the same duty ratio. The control unit then determines whether or not condition 1 is met. If condition 1 is met, the control unit changes the operation of the n-phase switches from the same duty ratio and different phases to the same duty ratio and same phase, and measures the AC impedance of the fuel cell. On the other hand, if condition 1 is not met, the control unit operates the n-phase switches with the same duty ratio and different phases, and measures the AC impedance of the fuel cell.
In the case of a two-phase magnetically coupled reactor, when the operation of the fuel cell system enters a region in which a dead zone corresponding to condition 1 occurs, the two phases are controlled in the same phase when driving the coils of two phases that are magnetically coupled to each other, and by preventing the two phases from simultaneously entering the dead zone as shown in Figure 2, at least one phase can be maintained in a state where it can be controlled beyond the dead zone, thereby enabling sine wave superposition.
In the case of a two-phase magnetic coupling reactor, the region in which the dead zone corresponding to condition 1 occurs may be when the mode is discontinuous and the duty ratio is less than 50%. Therefore, for example, at the timing when the required output to the fuel cell decreases and the mode is discontinuous and the duty ratio decreases from 50% or more to less than 50%, the operation of the two-phase switches may be changed from an operation with the same duty ratio and different phases to an operation with the same duty ratio and the same phase.
図１６は、ｎ相磁気結合リアクトルを備えるコンバータを含む燃料電池システムにおける燃料電池の交流インピーダンス測定をするときの制御の別の一例を示すフローチャートである。
図１６に示すように、制御部は、ｎ相のスイッチをそれぞれ異なる位相且つ同じデューティ比で動作させる。その後、制御部は、条件１を満たしているか否か判定する。制御部は、条件１を満たしていると判定したとき、燃料電池の交流インピーダンス測定の要求があるか否か判定する。制御部は、燃料電池の交流インピーダンス測定の要求があると判定したときは、ｎ相のスイッチの動作を、それぞれ同一のデューティ比且つ異なる位相の動作から、それぞれ同一のデューティ比且つ同じ位相の動作に変更し、燃料電池の交流インピーダンス測定を行う。一方、制御部は、燃料電池の交流インピーダンス測定の要求がないと判定したときは、制御部は、ｎ相のスイッチを、それぞれ同一のデューティ比且つ異なる位相で動作させる。
したがって、制御部は、条件１を満たし、且つ、燃料電池の交流インピーダンス測定を実施する場合にのみ、ｎ相のスイッチの動作を、それぞれ同一のデューティ比且つ異なる位相の動作から、それぞれ同一のデューティ比且つ同じ位相の動作に変更し、その他の場合には、ｎ相のスイッチを、それぞれ同一のデューティ比且つ異なる位相で動作させるようにしても良い。インピーダンス計測時のみ同位相駆動とすることで不感帯の影響を改善でき、且つ、リプル増加による電圧変換効率低下の抑制やコンデンサ温度上昇を抑制することができる。なお、制御部は、燃料電池の交流インピーダンス測定の要求があるか否か判定し、燃料電池の交流インピーダンス測定の要求があると判定したときに、条件１を満たしているか否か判定してもよい。
FIG. 16 is a flowchart showing another example of control when measuring the AC impedance of a fuel cell in a fuel cell system including a converter equipped with an n-phase magnetic coupling reactor.
As shown in Fig. 16, the control unit operates the n-phase switches with different phases and the same duty ratio. Thereafter, the control unit determines whether or not condition 1 is satisfied. When the control unit determines that condition 1 is satisfied, it determines whether or not there is a request for measuring the AC impedance of the fuel cell. When the control unit determines that there is a request for measuring the AC impedance of the fuel cell, it changes the operation of the n-phase switches from an operation with the same duty ratio and different phases to an operation with the same duty ratio and the same phase, and performs AC impedance measurement of the fuel cell. On the other hand, when the control unit determines that there is no request for measuring the AC impedance of the fuel cell, the control unit operates the n-phase switches with the same duty ratio and different phases.
Therefore, the control unit may change the operation of the n-phase switches from the same duty ratio and different phase operation to the same duty ratio and same phase operation only when condition 1 is satisfied and AC impedance measurement of the fuel cell is performed, and in other cases, the n-phase switches may be operated with the same duty ratio and different phase operation. By driving the switches in the same phase only when impedance measurement is performed, the effect of the dead zone can be improved, and the decrease in voltage conversion efficiency due to increased ripple and the increase in capacitor temperature can be suppressed. The control unit may determine whether or not there is a request for AC impedance measurement of the fuel cell, and when it determines that there is a request for AC impedance measurement of the fuel cell, determine whether or not condition 1 is satisfied.
図１７は、ｎ相磁気結合リアクトルを備えるコンバータを含む燃料電池システムにおける燃料電池の交流インピーダンス測定をした後の制御の一例を示すフローチャートである。
図１７に示すように、制御部は、ｎ相のスイッチの動作を、それぞれ同一のデューティ比且つ異なる位相の動作から、それぞれ同一のデューティ比且つ同じ位相の動作に変更し、燃料電池の交流インピーダンスを測定した後、リアクトルのコイルを流れる平均電流値が所定の閾値以上であるか否か判定する。
制御部は、リアクトルのコイルを流れる平均電流値が所定の閾値以上であると判定した場合にｎ相のスイッチの動作を、それぞれ同一のデューティ比且つ同じ位相の動作から、それぞれ同一のデューティ比且つ異なる位相の動作に変更する。一方、制御部は、リアクトルのコイルを流れる平均電流値が所定の閾値未満であると判定した場合にｎ相のスイッチを、それぞれ同一のデューティ比且つ同じ位相で動作させる。これにより、不感帯の発生を抑制し且つ電圧変換効率を向上させることができる。
FIG. 17 is a flowchart showing an example of control after measuring the AC impedance of a fuel cell in a fuel cell system including a converter equipped with an n-phase magnetic coupling reactor.
As shown in FIG. 17, the control unit changes the operation of the n-phase switches from an operation with the same duty ratio and different phases to an operation with the same duty ratio and the same phase, measures the AC impedance of the fuel cell, and then determines whether the average current value flowing through the reactor coil is equal to or greater than a predetermined threshold value.
When the control unit determines that the average current value flowing through the coil of the reactor is equal to or greater than a predetermined threshold, the control unit changes the operation of the n-phase switches from the same duty ratio and the same phase to the same duty ratio and different phase. On the other hand, when the control unit determines that the average current value flowing through the coil of the reactor is less than the predetermined threshold, the control unit operates the n-phase switches with the same duty ratio and the same phase. This makes it possible to suppress the occurrence of dead zones and improve voltage conversion efficiency.
図１８は、不連続モードにおける不感帯発生領域を示す図である。
本研究者らは２相（ずつ）が磁気結合された、Ｌ＞Ｍである昇圧コンバータにおいて、条件１を満足し、不感帯が発生するのは、不感帯発生領域として斜線で囲われた領域であることを知見した。
なお、Ｌはリアクトルの自己インダクタンス、Ｍは相互インダクタンスであり、それぞれリアクトルの物性値により決定される固有な値である。ＶＬは昇圧コンバータの入口電圧（昇圧前電圧）、ＶＨは昇圧コンバータの出口電圧（昇圧後電圧）である。
２相磁気結合（ｎ＝２）の場合、２相を駆動する位相は異なっていればよく、位相差は１８０°であってもよい。２相を駆動する位相が異なっている場合、不連続モードであってデューティ比が５０％未満（Ｄ＜０．５）であれば、磁気結合されている一方の相のコイルの平均電流値が０に維持されているときに、他方の相のスイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わる運転条件になる。
制御部は、精度良く不感帯が発生する運転条件を判定する観点から、２相磁気結合（ｎ＝２）の場合は、図１８に示す不感帯発生領域の条件である「互いに磁気結合された２相のスイッチをそれぞれ１８０°の位相差で動作させたときに、コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比（Ｄ）が５０％未満（Ｄ＜０．５）であり、且つ、下記式（Ａ）又は式（Ｂ）のいずれか一方を満たす」と判定した場合に、条件１を満たすと判定してもよい。
式（Ａ）：Ｄ＜｛（１／２）（Ｌ－Ｍ）（ＶＨ－ＶＬ）｝／（ＬＶＬ＋ＭＶＬ－ＭＶＨ）
式（Ｂ）：Ｄ＜（１／２）｛１－（ＶＬ／ＶＨ）｝
［式（Ａ）及び式（Ｂ）中、Ｌはリアクトルの自己インダクタンス、Ｍはリアクトルの相互インダクタンス、ＶＨはコンバータの出口電圧、ＶＬはコンバータの入口電圧、Ｄはデューティ比である。］
２相（ずつ）が磁気結合された場合には、「互いに磁気結合された２相のスイッチをそれぞれ１８０°の位相差で動作させたときに、コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比（Ｄ）が５０％未満である」ことが条件１の内の一つになる。
一方、ｎ相（ずつ）が磁気結合され、互いに磁気結合されたｎ相をそれぞれ（３６０°／ｎ）の位相差で駆動したときの条件１は、「互いに磁気結合された２相のスイッチをそれぞれ１８０°の位相差で動作させたときに、コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比（Ｄ）が５０％未満である」の条件の代わりに「互いに磁気結合されたｎ相のスイッチをそれぞれ（３６０°／ｎ）の位相差で動作させたときに、コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、ｎ相のスイッチのデューティ比が（１００－１００／ｎ）％未満」になる。
FIG. 18 is a diagram showing a region where a dead zone occurs in the discontinuous mode.
The present researchers discovered that in a boost converter in which two phases are magnetically coupled and L>M, condition 1 is satisfied and a dead zone occurs in the region enclosed by diagonal lines as the dead zone occurrence region.
In addition, L is the self-inductance of the reactor, and M is the mutual inductance, each of which is a unique value determined by the physical property value of the reactor. VL is the inlet voltage of the boost converter (voltage before boosting), and VH is the outlet voltage of the boost converter (voltage after boosting).
In the case of two-phase magnetic coupling (n=2), the phases driving the two phases need only be different, and the phase difference may be 180°. When the phases driving the two phases are different, if the mode is discontinuous and the duty ratio is less than 50% (D<0.5), when the average current value of the coil of one of the magnetically coupled phases is maintained at 0, the operating condition is such that the switch of the other phase is switched from ON to OFF.
From the viewpoint of accurately determining the operating conditions under which a dead zone occurs, in the case of two-phase magnetic coupling (n=2), the control unit may determine that condition 1 is satisfied if it is determined that the conditions for the dead zone occurrence region shown in FIG. 18 are "when two-phase switches that are magnetically coupled to each other are operated with a phase difference of 180°, the current flowing through the coil is in discontinuous mode, and the duty ratio (D) of the two-phase switches is less than 50% (D<0.5), and either one of the following formula (A) or formula (B) is satisfied."
Formula (A): D<{(1/2)(LM)(V H -V L )}/(LV L +MV L -MV H )
Formula (B): D<(1/2) {1-(V L /V H )}
[In the formulas (A) and (B), L is the self-inductance of the reactor, M is the mutual inductance of the reactor, VH is the output voltage of the converter, VL is the input voltage of the converter, and D is the duty ratio.]
When two phases are magnetically coupled, one of the conditions 1 is that "when the switches of the two phases that are magnetically coupled to each other are operated with a phase difference of 180°, the current flowing through the coil is in discontinuous mode, and the duty ratio (D) of the switches of the two phases is less than 50%."
On the other hand, when n phases are magnetically coupled and the magnetically coupled n phases are driven with a phase difference of (360°/n), condition 1 is changed from "when two magnetically coupled switches are operated with a phase difference of 180°, the current flowing through the coil is in discontinuous mode, and the duty ratio (D) of the two-phase switches is less than 50%" to "when n magnetically coupled switches are operated with a phase difference of (360°/n), the current flowing through the coil is in discontinuous mode, and the duty ratio of the n-phase switches is less than (100-100/n)%".
（具体例）
２相磁気結合（ｎ＝２）の場合は、制御部は、上記した「互いに磁気結合された２相のスイッチをそれぞれ１８０°の位相差で動作させたときに、コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比（Ｄ）が５０％未満（Ｄ＜０．５）であり、且つ、式（Ａ）又は式（Ｂ）のいずれか一方を満たす」と判定した場合に、条件１を満たすと判定してもよい。
図１９は、２相磁気結合リアクトルを備えるコンバータを含む燃料電池システムにおける燃料電池の交流インピーダンス測定をするときの制御の一例を示すフローチャートである。
制御部は、２相のスイッチの動作を、それぞれ１８０°の位相差且つ同じデューティ比で動作させて燃料電池の交流インピーダンス測定の要求があるか否か判定する。制御部は、燃料電池の交流インピーダンス測定の要求がないと判定したときは、制御を終了する。一方、制御部は、燃料電池の交流インピーダンス測定の要求があると判定したときは、コイルの電流値をモニタリングし、条件１として、「互いに磁気結合された２相のスイッチをそれぞれ１８０°の位相差で動作させたときに、コイルを流れる電流（駆動する相）が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比（Ｄ）が５０％未満（Ｄ＜０．５）であり、且つ、式（Ａ）又は式（Ｂ）のいずれか一方を満たす」か否か判定する。制御部は、条件１を満たしていないと判定したときは、２相のスイッチの動作を、それぞれ１８０°の位相差且つ同じデューティ比で動作させて燃料電池の交流インピーダンス測定を行う。一方、制御部は、条件１を満たしていると判定したときは、２相のスイッチの動作を、それぞれ１８０°の位相差且つ同じデューティ比の動作から、同じ位相且つ同じデューティ比の動作に変更して、燃料電池の交流インピーダンスの測定を行う。
(Concrete example)
In the case of two-phase magnetic coupling (n=2), the control unit may determine that condition 1 is satisfied if it determines that "when two-phase switches that are magnetically coupled to each other are operated with a phase difference of 180°, the current flowing through the coil is in discontinuous mode, and the duty ratio (D) of the two-phase switches is less than 50% (D<0.5), and either formula (A) or formula (B) is satisfied" as described above.
FIG. 19 is a flowchart showing an example of control when measuring the AC impedance of a fuel cell in a fuel cell system including a converter equipped with a two-phase magnetic coupling reactor.
The control unit determines whether or not there is a request to measure the AC impedance of the fuel cell by operating the two-phase switches with a phase difference of 180° and the same duty ratio. When the control unit determines that there is no request to measure the AC impedance of the fuel cell, it ends the control. On the other hand, when the control unit determines that there is a request to measure the AC impedance of the fuel cell, it monitors the current value of the coil and determines whether or not, as condition 1, "when the two-phase switches magnetically coupled to each other are operated with a phase difference of 180°, the current flowing through the coil (the driving phase) is in discontinuous mode, and the duty ratio (D) of the two-phase switches is less than 50% (D<0.5), and either one of formula (A) or formula (B) is satisfied." When the control unit determines that condition 1 is not satisfied, it operates the two-phase switches with a phase difference of 180° and the same duty ratio to measure the AC impedance of the fuel cell. On the other hand, when the control unit determines that condition 1 is satisfied, it changes the operation of the two-phase switches from an operation with a phase difference of 180° and the same duty ratio to an operation with the same phase and the same duty ratio, and measures the AC impedance of the fuel cell.
図１８に示すように「不感帯が発生する領域」は、「コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比（Ｄ）が５０％未満（Ｄ＜０．５）であり、且つ、式（Ａ）又は式（Ｂ）のいずれか一方を満たす」ときであるため、例えば図１８に示す不感帯が発生する領域に運転条件が移行するタイミングで、２相のスイッチの動作を、それぞれ１８０°の位相差且つ同じデューティ比の動作から、同じ位相且つ同じデューティ比の動作に変更してもよい。
不感帯が発生する条件１を満たすか否かを判定する手段は上記に限定されず、例えば入力電圧、出力電圧及びデューティ比に応じて、不感帯に該当する範囲を定義しておき、所定の出力電圧の時に入力電圧及びデューティ比が不感帯に該当する範囲に突入または近づいたことを示すときに、条件１を満たすと判定してもよい。
上述のように、不感帯に該当する範囲を予め定義しておき、その範囲に進入したときに２相のスイッチの動作を、それぞれ１８０°の位相差且つ同じデューティ比の動作から、同じ位相且つ同じデューティ比の動作に変更することにより、燃料電池の交流インピーダンスを取得したいときに速やかに交流インピーダンスを取得することができる。
As shown in Figure 18, the "region in which the dead zone occurs" is when "the current flowing through the coil is in discontinuous mode, and the duty ratio (D) of the two-phase switch is less than 50% (D < 0.5), and either equation (A) or equation (B) is satisfied." Therefore, for example, at the timing when the operating conditions transition to the region in which the dead zone occurs as shown in Figure 18, the operation of the two-phase switches may be changed from an operation with a phase difference of 180° and the same duty ratio to an operation with the same phase and the same duty ratio.
The means for determining whether or not condition 1 for the occurrence of a dead zone is satisfied is not limited to the above. For example, a range corresponding to the dead zone may be defined in accordance with the input voltage, output voltage, and duty ratio, and it may be determined that condition 1 is satisfied when the input voltage and duty ratio at a specified output voltage indicate that they have entered or approached the range corresponding to the dead zone.
As described above, by defining in advance the range that corresponds to the dead zone, and changing the operation of the two-phase switches from an operation with a phase difference of 180° and the same duty ratio to an operation with the same phase and the same duty ratio when that range is entered, it is possible to quickly obtain the AC impedance of the fuel cell when desired.
図１９では、条件１として、「互いに磁気結合された２相のスイッチをそれぞれ１８０°の位相差で動作させたときに、コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比が５０％未満であり、且つ、式（Ａ）または式（Ｂ）のいずれか一方を満たす」ときとしたが、「式（Ａ）または式（Ｂ）のいずれか一方を満たすとき」の条件を除外しても良い。
すなわち、条件１として、「互いに磁気結合された２相のスイッチをそれぞれ１８０°の位相差で動作させたときに、コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比が５０％未満である」ときとしてもよい。この場合、例えば燃料電池への要求出力が減少し、コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比が５０％以上から、コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比が５０％未満に移行するタイミングで、２相のスイッチの動作を、それぞれ１８０°の位相差且つ同じデューティ比の動作から、同じ位相且つ同じデューティ比の動作に変更してもよい。
図１８に示すように、式（Ａ）及び式（Ｂ）によって異なる位相から同じ位相に変更する範囲から除外される領域は大きくない。従って、「式（Ａ）または式（Ｂ）のいずれか一方を満たすとき」の条件を除外しても、バッテリーの寿命増加に与える影響は限定的と考えられる。一方、「式（Ａ）または式（Ｂ）のいずれか一方を満たすとき」の条件を除外することによって制御が簡素化されつつ、適切に燃料電池の交流インピーダンスの測定を行うことができる。
なお、変形例として、条件１として、「互いに磁気結合された２相のスイッチをそれぞれ１８０°の位相差で動作させたときに、コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比が５０％未満、且つ、式（Ａ）を満たすとき」又は、「互いに磁気結合された２相のスイッチをそれぞれ１８０°の位相差で動作させたときに、コイルを流れる電流が不連続モードであり、且つ、２相のスイッチのデューティ比が５０％未満、且つ、式（Ｂ）を満たすとき」としてもよい。
In FIG. 19 , condition 1 is set as a case where “when two-phase switches magnetically coupled to each other are operated with a phase difference of 180°, the current flowing through the coil is in discontinuous mode, the duty ratio of the two-phase switches is less than 50%, and either one of formula (A) or formula (B) is satisfied,” but the condition “when either one of formula (A) or formula (B) is satisfied” may be excluded.
That is, condition 1 may be "when two-phase switches magnetically coupled to each other are operated with a phase difference of 180°, the current flowing through the coil is in discontinuous mode and the duty ratio of the two-phase switches is less than 50%." In this case, for example, when the required output to the fuel cell decreases and the current flowing through the coil is in discontinuous mode and the duty ratio of the two-phase switches transitions from 50% or more to the current flowing through the coil is in discontinuous mode and the duty ratio of the two-phase switches being less than 50%, the operation of the two-phase switches may be changed from an operation with a phase difference of 180° and the same duty ratio to an operation with the same phase and the same duty ratio.
As shown in Fig. 18, the area excluded from the range of changing from a different phase to the same phase by formula (A) and formula (B) is not large. Therefore, even if the condition "when either formula (A) or formula (B) is satisfied" is excluded, it is considered that the effect on the increase in the battery life is limited. On the other hand, by excluding the condition "when either formula (A) or formula (B) is satisfied", the control is simplified and the AC impedance of the fuel cell can be appropriately measured.
As a modified example, condition 1 may be "when two-phase switches magnetically coupled to each other are operated with a phase difference of 180°, the current flowing through the coil is in discontinuous mode, the duty ratio of the two-phase switches is less than 50%, and formula (A) is satisfied" or "when two-phase switches magnetically coupled to each other are operated with a phase difference of 180°, the current flowing through the coil is in discontinuous mode, the duty ratio of the two-phase switches is less than 50%, and formula (B) is satisfied."
１０：燃料電池
２０：昇圧コンバータ
２１：リアクトル
２２：電流センサ
２３：スイッチ
２４：ダイオード
２５：コンデンサ
５０：外部負荷
10: fuel cell 20: boost converter 21: reactor 22: current sensor 23: switch 24: diode 25: capacitor 50: external load
Claims (6)
前記燃料電池システムは、燃料電池と、当該燃料電池の出力電圧の昇圧及び降圧からなる群より選ばれる少なくとも一種を行うコンバータと、を備え、
前記コンバータは、ｎ（ｎは２以上の整数）相のコイルが互いに磁気結合されているリアクトルと、前記コイルそれぞれに接続されるｎ相のスイッチと、制御部と、を備え、
前記制御部は、ｎ相の前記スイッチのＯＮ・ＯＦＦ制御を行い、
前記制御部は、前記コイルの電流値をモニタリングし、
前記制御部は、前記燃料電池の電流波形及び電圧波形から前記燃料電池の交流インピーダンスを測定し、
前記制御部は、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させ、且つ、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ同じデューティ比で動作させ、
前記制御部は、下記条件１を満たすと判定したときに、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ同じ位相で動作させることを特徴とする燃料電池システム。
条件１：ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させたときに、前記コイルを流れる電流が不連続モードであり且つ１相の前記コイルに流れる電流値がゼロに維持されている時に他の少なくとも１相のコイルに接続された前記スイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わる運転条件である。 1. A fuel cell system comprising:
The fuel cell system includes a fuel cell and a converter that performs at least one operation selected from the group consisting of stepping up and stepping down an output voltage of the fuel cell;
the converter includes a reactor having n-phase coils (n is an integer of 2 or more) magnetically coupled to each other, n-phase switches connected to the coils, and a control unit;
The control unit performs ON/OFF control of the switches of n phases,
The control unit monitors a current value of the coil,
the control unit measures an AC impedance of the fuel cell from a current waveform and a voltage waveform of the fuel cell;
the control unit operates the switches of n phases at different phases and operates the switches of n phases at the same duty ratio;
A fuel cell system, characterized in that the control unit operates the n-phase switches in the same phase when it is determined that the following condition 1 is satisfied:
Condition 1: An operating condition in which, when the n-phase switches are operated at different phases, the current flowing through the coil is in discontinuous mode and the current value flowing through the coil of one phase is maintained at zero, the switch connected to the coil of at least one other phase switches from ON to OFF.
前記制御部は、現在の前記コンバータの運転条件を当該データ群に照らして、前記条件１を満たすか否かを判定する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。 The control unit stores in advance an operating condition of the converter corresponding to the condition 1 as a data group,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit checks the current operating conditions of the converter against the data group to determine whether or not the condition 1 is satisfied.
前記制御部は、前記燃料電池の交流インピーダンス測定要求が有ることを確認した場合に、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ同じ位相で動作させ、前記燃料電池の交流インピーダンスを測定する、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 When it is determined that the condition 1 is satisfied, the control unit checks whether or not there is a request to measure the AC impedance of the fuel cell;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein when the control unit confirms that there is a request to measure the AC impedance of the fuel cell, it operates each of the n-phase switches in the same phase to measure the AC impedance of the fuel cell.
前記リアクトルのコイルを流れる平均電流値が所定の閾値以上であると判定した場合にｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で動作させる、請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 the control unit operates the n-phase switches in the same phase, measures the AC impedance of the fuel cell, and then determines whether or not an average current value flowing through a coil of the reactor is equal to or greater than a predetermined threshold value;
5. The fuel cell system according to claim 1, wherein when it is determined that an average current value flowing through the coil of the reactor is equal to or greater than a predetermined threshold, the n-phase switches are operated in different phases.
式（Ａ）：Ｄ＜｛（１／２）（Ｌ－Ｍ）（ＶＨ－ＶＬ）｝／（ＬＶＬ＋ＭＶＬ－ＭＶＨ）
式（Ｂ）：Ｄ＜（１／２）｛１－（ＶＬ／ＶＨ）｝
［式（Ａ）及び式（Ｂ）中、Ｌは前記リアクトルの自己インダクタンス、Ｍは前記リアクトルの相互インダクタンス、ＶＨは前記コンバータの出口電圧、ＶＬは前記コンバータの入口電圧、Ｄはデューティ比（－）である。］ The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the control unit determines that condition 1 is satisfied when n = 2, and when the switches of two phases that are magnetically coupled to each other are operated with a phase difference of 180°, a current flowing through the coil is in a discontinuous mode, and a duty ratio of the switches of the two phases is less than 50% (D < 0.5), and either one of the following formula (A) or formula (B) is satisfied:
Formula (A): D<{(1/2)(LM)(V H -V L )}/(LV L +MV L -MV H )
Formula (B): D<(1/2) {1-(V L /V H )}
[In the formulas (A) and (B), L is the self-inductance of the reactor, M is the mutual inductance of the reactor, VH is the output voltage of the converter, VL is the input voltage of the converter, and D is the duty ratio (-).]
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