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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-29
(45)【発行日】2024-08-06
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20240730BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20240730BHJP
H01M 8/04858 20160101ALI20240730BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20240730BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 P
H02M3/155 W
H01M8/04537
H01M8/04858
H01M8/04 Z
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021172292
(22)【出願日】2021-10-21
(65)【公開番号】P2022140259
(43)【公開日】2022-09-26
【審査請求日】2023-10-26
(31)【優先権主張番号】P 2021038185
(32)【優先日】2021-03-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100104499
【弁理士】
【氏名又は名称】岸本 達人
(74)【代理人】
【識別番号】100101203
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100129838
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 典輝
(72)【発明者】
【氏名】梅原 孝宏
(72)【発明者】
【氏名】北村 伸之
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 雅之
(72)【発明者】
【氏名】金子 智彦
【審査官】今井 貞雄
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１５３２３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０９８１３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１０３００９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ３／１５５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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異なるデューティ比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。
【請求項2】
前記制御部は、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る請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
前記制御部は、磁気結合されたｎ相の各前記コイルの目標電流値が異なるように、磁気結合されたｎ相の各前記コイルの指令電流値に加算又は減算するオフセット電流値ｙを不感帯電流間隔の２５～７５％となるように設定し、前記制御部は、前記指令電流値に前記オフセット電流値ｙを加算又は減算して得られる前記目標電流値が前記コイル毎に異なるように前記目標電流値を不均等分配して、前記スイッチをそれぞれ異なるデューティ比で動作させる、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記制御部は、前記コンバータの入口電圧及び出口電圧と前記リアクトルのコイルに流れる電流値との関係から導出される電流分配差マップを予め記憶し、前記制御部は、当該電流分配差マップに基づいて前記目標電流値が前記コイル毎に異なるように不均等分配して、前記スイッチをそれぞれ異なるデューティ比で動作させる、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
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する、請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
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を満たすと判定する、請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。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。］
【請求項7】
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、前記条件１を満たすか否か判定し、
前記制御部は、前記条件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異なるデューティ比で動作させ、前記燃料電池の交流インピーダンスを測定する、請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
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。
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００８－０９８１３４号公報
【文献】特開２０１４－２３２６８１号公報
【文献】特開２０１３－１４５６９２号公報
【文献】特開２０１４－２３５７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
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。
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。
【0008】
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。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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異なるデューティ比で動作させる。
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。
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異なるデューティ比で動作させる。
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。
【0010】
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（３６０／ｎ）°の位相差で動作させてもよい。
【0011】
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、磁気結合されたｎ相の各前記コイルの目標電流値が異なるように、磁気結合されたｎ相の各前記コイルの指令電流値に加算又は減算するオフセット電流値ｙを不感帯電流間隔の２５～７５％となるように設定し、
前記制御部は、前記指令電流値に前記オフセット電流値ｙを加算又は減算して得られる前記目標電流値が前記コイル毎に異なるように前記目標電流値を不均等分配して、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なるデューティ比で動作させてもよい。
前記制御部は、前記指令電流値に前記オフセット電流値ｙを加算又は減算して得られる前記目標電流値が前記コイル毎に異なるように前記目標電流値を不均等分配して、ｎ相の前記スイッチをそれぞれ異なるデューティ比で動作させてもよい。
【0012】
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記コンバータの入口電圧及び出口電圧と前記リアクトルのコイルに流れる電流値との関係から導出される電流分配差マップを予め記憶し、
前記制御部は、当該電流分配差マップに基づいて前記目標電流値が前記コイル毎に異なるように不均等分配して、前記スイッチをそれぞれ異なるデューティ比で動作させてもよい。
前記制御部は、当該電流分配差マップに基づいて前記目標電流値が前記コイル毎に異なるように不均等分配して、前記スイッチをそれぞれ異なるデューティ比で動作させてもよい。
【0013】
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。
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。
【0014】
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。］
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。］
【0015】
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、前記条件１を満たすか否か判定し、
前記制御部は、前記条件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異なるデューティ比で動作させ、前記燃料電池の交流インピーダンスを測定してもよい。
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、前記条件１を満たすか否か判定し、
前記制御部は、前記条件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異なるデューティ比で動作させ、前記燃料電池の交流インピーダンスを測定してもよい。
【発明の効果】
【0016】
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。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図2】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。
【発明を実施するための形態】
【0018】
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異なるデューティ比で動作させる。
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。
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異なるデューティ比で動作させる。
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。
【0019】
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それぞれに流れるコイルの平均電流値を異ならせることにより、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を流れる電流値を異ならせることで、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。
【0020】
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。
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。
【0021】
燃料電池システムは、燃料電池と、コンバータと、を備える。
【0022】
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。
【0023】
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。
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。
【0024】
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。
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。
【0025】
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。
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
制御部は、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。
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。
制御部は、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。
【0031】
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。
【0032】
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異なるデューティ比で動作させる。すなわち、各相のコイルを流れる平均電流値を互いに異ならせる。
【0033】
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。
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。
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。
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。
【0034】
［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。
「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。
【0035】
図３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３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３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３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３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。
図３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。
図３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。
【0036】
図４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４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度である場合、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。
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度である場合、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。
【0037】
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。
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。
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。
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。
【0038】
【数1】
【0039】
【表1】
【0040】
［連続モード、不連続モードの説明］
図６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７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６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７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。
図６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７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６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７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。
【0041】
＜パターンＡ＞
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または近づいたときに、互いに磁気結合された２相のコイルを駆動する際、２相を不均等な電流指令値の基で制御し、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、互いに磁気結合された２相のコイルに流れる平均電流値が同じである状態（目標電流値が同じ状態）から、互いに磁気結合された２相のコイルに流れる平均電流値が異なる状態（目標電流値が異なる状態）に移行してもよい。
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または近づいたときに、互いに磁気結合された２相のコイルを駆動する際、２相を不均等な電流指令値の基で制御し、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、互いに磁気結合された２相のコイルに流れる平均電流値が同じである状態（目標電流値が同じ状態）から、互いに磁気結合された２相のコイルに流れる平均電流値が異なる状態（目標電流値が異なる状態）に移行してもよい。
【0042】
図８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。
図８は、前述のパターンＡの例である。制御部は、通常時は、２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、２相のスイッチの動作を、それぞれ異なる位相且つ同じデューティ比の動作から、異なる位相且つ異なるデューティ比の動作に変更し、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、２相のスイッチを異なる位相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。
図８は、前述のパターンＡの例である。制御部は、通常時は、２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、２相のスイッチの動作を、それぞれ異なる位相且つ同じデューティ比の動作から、異なる位相且つ異なるデューティ比の動作に変更し、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、２相のスイッチを異なる位相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。
【0043】
制御部は、磁気結合されたｎ相の各前記コイルの目標電流値が異なるように、磁気結合されたｎ相の各前記コイルの指令電流値に加算又は減算するオフセット電流値ｙを不感帯電流間隔の２５～７５％となるように設定してもよい。
制御部は、指令電流値にオフセット電流値ｙを加算又は減算して得られる目標電流値が前記コイル毎に異なるように目標電流値を不均等分配して、スイッチをそれぞれ異なるデューティ比で動作させてもよい。
制御部は、コンバータの入口電圧及び出口電圧と前記リアクトルのコイルに流れる電流値との関係から導出される電流分配差マップを予め記憶し、当該電流分配差マップに基づいて目標電流値がコイル毎に異なるように目標電流値を不均等分配して、スイッチをそれぞれ異なるデューティ比で動作させてもよい。
制御部は、指令電流値にオフセット電流値ｙを加算又は減算して得られる目標電流値が前記コイル毎に異なるように目標電流値を不均等分配して、スイッチをそれぞれ異なるデューティ比で動作させてもよい。
制御部は、コンバータの入口電圧及び出口電圧と前記リアクトルのコイルに流れる電流値との関係から導出される電流分配差マップを予め記憶し、当該電流分配差マップに基づいて目標電流値がコイル毎に異なるように目標電流値を不均等分配して、スイッチをそれぞれ異なるデューティ比で動作させてもよい。
【0044】
駆動する相に燃料電池の電流を分配する際、コンバータへの合計入力電流をＩ［Ａ］とし、駆動する相の数をｎ（ｎは例えば２又は４又は６）個とすると、各相のコイルへの電流指令値はＩ／ｎ［Ａ］となる。
各相のコイルの電流指令値（Ｉ／ｎ［Ａ］）をベースとして、ＵＶ２相磁気結合リアクトル、ＷＸ２相磁気結合リアクトル、ＹＺ２相磁気結合リアクトル間で同一のオフセット値（ｙ［Ａ］）を設定する。
ＵＶ２相磁気結合リアクトルにおいては、Ｕ相には電流指令値（Ｉ／ｎ［Ａ］）にオフセット値（ｙ［Ａ］）を加算して（Ｉ／ｎ＋ｙ［Ａ］）を流し、Ｖ相には電流指令値（Ｉ／ｎ［Ａ］）にオフセット値（ｙ［Ａ］）を減算して（Ｉ／ｎ－ｙ［Ａ］）を流すことで電流の不均等分配を実現してもよい。ＷＸ２相磁気結合リアクトル、ＹＺ２相磁気結合リアクトルにおいてもＵＶ２相磁気結合リアクトルと同様に電流の不均等分配を実現してもよい。
上記のオフセット値ｙの値は、例えば１～３であってもよい。
図２のように動かしたときに、不感帯が現れる電流の間隔を予め取得しておき、不感帯が現れる間隔と２ｙが一致しないように、ｙの値を選択することができる。
なお、条件１に相当する不連続モードであり、かつデューティ比が５０％未満の時の条件を満たさない場合は、互いに磁気結合された２相のコイルに流れる平均電流値を一致させてもよい。上記のようにすることで、コンバータで発生するリップル電流を小さくして、発熱を抑制し、コンバータでの効率を高く維持することができる。
各相のコイルの電流指令値（Ｉ／ｎ［Ａ］）をベースとして、ＵＶ２相磁気結合リアクトル、ＷＸ２相磁気結合リアクトル、ＹＺ２相磁気結合リアクトル間で同一のオフセット値（ｙ［Ａ］）を設定する。
ＵＶ２相磁気結合リアクトルにおいては、Ｕ相には電流指令値（Ｉ／ｎ［Ａ］）にオフセット値（ｙ［Ａ］）を加算して（Ｉ／ｎ＋ｙ［Ａ］）を流し、Ｖ相には電流指令値（Ｉ／ｎ［Ａ］）にオフセット値（ｙ［Ａ］）を減算して（Ｉ／ｎ－ｙ［Ａ］）を流すことで電流の不均等分配を実現してもよい。ＷＸ２相磁気結合リアクトル、ＹＺ２相磁気結合リアクトルにおいてもＵＶ２相磁気結合リアクトルと同様に電流の不均等分配を実現してもよい。
上記のオフセット値ｙの値は、例えば１～３であってもよい。
図２のように動かしたときに、不感帯が現れる電流の間隔を予め取得しておき、不感帯が現れる間隔と２ｙが一致しないように、ｙの値を選択することができる。
なお、条件１に相当する不連続モードであり、かつデューティ比が５０％未満の時の条件を満たさない場合は、互いに磁気結合された２相のコイルに流れる平均電流値を一致させてもよい。上記のようにすることで、コンバータで発生するリップル電流を小さくして、発熱を抑制し、コンバータでの効率を高く維持することができる。
【0045】
＜パターンＢ＞
上述のパターンＡの例では、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各相のコイルに流れる平均電流値が異なるように切り替えたが、さらに燃料電池の交流インピーダンスを取得する時に切り替えても良い。
上述のように、一般に、燃料電池システムの運転中、所定のタイミング毎に交流インピーダンスを取得する。互いに磁気結合された相のリアクトルに流れる平均電流値が異ならせると、上述のようにリップル電流が大きくなり、発熱も大きくなるため、通常の運転時には互いに磁気結合された各相のコイルに流れる平均電流値を同じにしてもよい。
平均電流値を異ならせるのを、交流インピーダンスを取得する時のみに限定することで、コンバータで発生するリップル電流を小さくして、発熱を抑制し、コンバータでの効率を高く維持することができる。
なお、交流インピーダンスを測定しようとした時に不感帯領域に突入して、交流インピーダンス測定ができない場合は、電流をオフセットさせて交流インピーダンスを測定しても良い。また、電流をオフセットさせても、不感帯から抜けられないときは、オフセット量を変えても良い。
上述のパターンＡの例では、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各相のコイルに流れる平均電流値が異なるように切り替えたが、さらに燃料電池の交流インピーダンスを取得する時に切り替えても良い。
上述のように、一般に、燃料電池システムの運転中、所定のタイミング毎に交流インピーダンスを取得する。互いに磁気結合された相のリアクトルに流れる平均電流値が異ならせると、上述のようにリップル電流が大きくなり、発熱も大きくなるため、通常の運転時には互いに磁気結合された各相のコイルに流れる平均電流値を同じにしてもよい。
平均電流値を異ならせるのを、交流インピーダンスを取得する時のみに限定することで、コンバータで発生するリップル電流を小さくして、発熱を抑制し、コンバータでの効率を高く維持することができる。
なお、交流インピーダンスを測定しようとした時に不感帯領域に突入して、交流インピーダンス測定ができない場合は、電流をオフセットさせて交流インピーダンスを測定しても良い。また、電流をオフセットさせても、不感帯から抜けられないときは、オフセット量を変えても良い。
【0046】
図９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別の一例を示すフローチャートである。
図９は、前述のパターンＢの例である。制御部は、２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、２相のスイッチの動作を、それぞれ異なる位相且つ同じデューティ比の動作から、異なる位相且つ異なるデューティ比の動作に変更し、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、２相のスイッチを異なる位相且つ同じデューティ比で動作させる。
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、２相を異なるデューティ比でスイッチ駆動し、その他の場合には、２相を同一のデューティ比でスイッチ駆動するようにしても良い。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。
図９は、前述のパターンＢの例である。制御部は、２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、２相のスイッチの動作を、それぞれ異なる位相且つ同じデューティ比の動作から、異なる位相且つ異なるデューティ比の動作に変更し、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、２相のスイッチを異なる位相且つ同じデューティ比で動作させる。
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、２相を異なるデューティ比でスイッチ駆動し、その他の場合には、２相を同一のデューティ比でスイッチ駆動するようにしても良い。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。
【0047】
＜パターンＣ＞
一方、頻繁に平均電流値を異ならせる状態と平均電流値が同じ状態を切り替えることで、制御が複雑になる恐れがある。そこで、常に平均電流値を異ならせておいてもよい。効率は低下するものの、電流の切り替えによる制御の複雑化を抑制することができる。
一方、頻繁に平均電流値を異ならせる状態と平均電流値が同じ状態を切り替えることで、制御が複雑になる恐れがある。そこで、常に平均電流値を異ならせておいてもよい。効率は低下するものの、電流の切り替えによる制御の複雑化を抑制することができる。
【0048】
＜パターンＤ＞
スイッチ、リアクトルへの負荷均等化のため、車両のイグニッションスイッチのオン（ＩＧ－ＯＮ）毎や一定時間毎に、対になる相のオフセット値ｙの上下関係を入れ変えてもよい。
スイッチ、リアクトルへの負荷均等化のため、車両のイグニッションスイッチのオン（ＩＧ－ＯＮ）毎や一定時間毎に、対になる相のオフセット値ｙの上下関係を入れ変えてもよい。
【0049】
図１０は、磁気結合された２相のコイルに流れる平均電流値が同じになるように目標電流値を均等分配して流し、平均電流値を５Ａから２５Ａまで上昇させた後に低下させた場合の電流挙動を示す。図１１は、図１０の部分拡大図である。
図１２は、磁気結合された２相のコイルに流れる平均電流値が異なるように電流を２Ａオフセットさせて、目標電流値を不均等分配して流し、平均電流値を５Ａから２５Ａまで上昇させた後に低下させた場合の電流挙動を示す。図１３は、図１２の部分拡大図である。
２相のコイルに電流の均等分配を行った図１０及び図１１においては、ｓｉｎ波の指令値を与えているものの、電流値としてｓｉｎ波が得られていない。
一方、２相のコイルに電流の不均等分配を行った図１２及び図１３においては、Ｕ相、Ｖ相の電流波形で不感帯が発生するタイミングがずれており、図１２の点線で囲んだタイミングにおいては、ｓｉｎ波重畳の指令値に対して、不感帯に入っているＵ相ではｓｉｎ波が得られていないが、不感帯ではないＶ相でｓｉｎ波形状の電流値が得られている。
また、図１２及び図１３においては、ｓｉｎ波がしっかり乗っているか乗っていないかの指標となるｓｉｎ波信号強度を見ても０付近まで落ち込むことなく、一定量のｓｉｎ波を乗せられていることがわかる。なお、ｓｉｎ波は２７０Ｈｚと２０Ｈｚを交互に重畳している。
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１２は、磁気結合された２相のコイルに流れる平均電流値が異なるように電流を２Ａオフセットさせて、目標電流値を不均等分配して流し、平均電流値を５Ａから２５Ａまで上昇させた後に低下させた場合の電流挙動を示す。図１３は、図１２の部分拡大図である。
２相のコイルに電流の均等分配を行った図１０及び図１１においては、ｓｉｎ波の指令値を与えているものの、電流値としてｓｉｎ波が得られていない。
一方、２相のコイルに電流の不均等分配を行った図１２及び図１３においては、Ｕ相、Ｖ相の電流波形で不感帯が発生するタイミングがずれており、図１２の点線で囲んだタイミングにおいては、ｓｉｎ波重畳の指令値に対して、不感帯に入っているＵ相ではｓｉｎ波が得られていないが、不感帯ではないＶ相でｓｉｎ波形状の電流値が得られている。
また、図１２及び図１３においては、ｓｉｎ波がしっかり乗っているか乗っていないかの指標となるｓｉｎ波信号強度を見ても０付近まで落ち込むことなく、一定量のｓｉｎ波を乗せられていることがわかる。なお、ｓｉｎ波は２７０Ｈｚと２０Ｈｚを交互に重畳している。
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。
【0050】
図１４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別の一例を示すフローチャートである。
図１４は、前述のパターンＡの変形例である。制御部は、２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、電流波形がサイン波を重畳していないときは、条件１を満たすとして、２相のスイッチの動作を、それぞれ異なる位相且つ同じデューティ比の動作から、異なる位相且つ異なるデューティ比の動作に変更し、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、電流波形がサイン波を重畳しているときは、条件１を満たさないと判定し、２相のスイッチを異なる位相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。
電流波形がサイン波を重畳しているか否かは、以下の方法により判定してもよい。コイルの電流値の振幅が通常の電流値の振幅（狙いの電流振幅値Ａ）となるようにデューティ比を増減させたときに、測定される（実際の）コイルの電流値の振幅が期待値（狙いの電流振幅値Ａ）よりも小さいときに、電流波形がサイン波を重畳していないと判定することができる。
図１４は、前述のパターンＡの変形例である。制御部は、２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、電流波形がサイン波を重畳していないときは、条件１を満たすとして、２相のスイッチの動作を、それぞれ異なる位相且つ同じデューティ比の動作から、異なる位相且つ異なるデューティ比の動作に変更し、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、電流波形がサイン波を重畳しているときは、条件１を満たさないと判定し、２相のスイッチを異なる位相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。
電流波形がサイン波を重畳しているか否かは、以下の方法により判定してもよい。コイルの電流値の振幅が通常の電流値の振幅（狙いの電流振幅値Ａ）となるようにデューティ比を増減させたときに、測定される（実際の）コイルの電流値の振幅が期待値（狙いの電流振幅値Ａ）よりも小さいときに、電流波形がサイン波を重畳していないと判定することができる。
【0051】
図１５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１５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。
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１５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。
【0052】
（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１６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別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、１８０°の位相差且つ異なるデューティ比の動作に変更し、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（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１６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別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、１８０°の位相差且つ異なるデューティ比の動作に変更し、燃料電池の交流インピーダンスの測定を行う。
【0053】
図１５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１５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、１８０°の位相差且つ異なる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、１８０°の位相差且つ異なる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。
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、１８０°の位相差且つ異なる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。
【0054】
図１６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、１８０°の位相差且つ異なるデューティ比の動作に変更してもよい。
図１５に示すように、式（Ａ）及び式（Ｂ）によって同じデューティ比から異なるデューティ比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。
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、１８０°の位相差且つ異なるデューティ比の動作に変更してもよい。
図１５に示すように、式（Ａ）及び式（Ｂ）によって同じデューティ比から異なるデューティ比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。
【0055】
［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異なるデューティ比で動作させ、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異なるデューティ比で動作させ、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。
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異なるデューティ比で動作させ、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異なるデューティ比で動作させ、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。
【符号の説明】
【0056】
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
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
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】