JP2003518357A - 車両内で燃料電池を用いて電力を発生する装置およびそのような装置の操作方法 - Google Patents

車両内で燃料電池を用いて電力を発生する装置およびそのような装置の操作方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明の主題は、車両内で燃料電池（８）を用いて電力を発生する装置である。一時電力貯蔵器（２）は、蓄電池始動のために電力を供給し、燃料電池が動作するときに充電され、高い電力需要があるときに燃料電池電力システムの接続負荷に電力を出力し、そして制動中に電力を吸収するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、車両内で燃料電池を用いて電力を発生する装置であって、車両が少
なくとも１つの駆動モータを有し、駆動モータを、変換器を介して燃料電池に接
続することができ、始動段階および始動段階後の連続動作のための補助ユニット
が燃料電池に割り当てられている装置およびそのような装置を操作する方法に関
する。
【０００２】 燃料電池およびアキュムレータ回路を含む電力システムに電力を供給する回路
配置であって、アキュムレータが始動プロセス中に電力を供給する回路配置がす
でに知られている（ＤＥ１９８１０４６８５）。この構成では、アキュムレータ
回路が、１つまたは複数の直流／直流変換器を介して燃料電池電力システムに接
続され、燃料電池電力システムには、補助ユニットの駆動装置、および燃料およ
び／または空気を供給するための圧縮機も接続されている。始動プロセスの開始
時に、アキュムレータは、補助ユニット用の電力を供給する。始動プロセス後、
すなわち定格動作中、アキュムレータは直流／直流変換器を介して充電される。
【０００３】 燃料電池によって給電される電気駆動ユニットによって駆動される燃料電池車
両を始動する方法が知られている。燃料電池車両は燃料電池を含み、燃料、例え
ば水素が、バルブおよび圧力調整器が配置されているラインを介して燃料電池に
供給される。酸化剤、例えば空気が、空気フィルタ、空気流量計、および圧縮機
が配置されているさらなるラインを介して燃料電池に供給される。圧縮機を駆動
するために、スタータ蓄電池から１２Ｖの電圧を供給される電気スタータ・モー
タと、燃料電池の電圧用に構成されたさらなる電気モータとが設けられている。
燃料電池を始動するために、スタータ蓄電池によってスタータ・モータに電流が
供給される。通常動作中、燃料電池は、さらなる電気モータを動作するのに必要
な電力を供給する。電位差計により、電気モータの回転速度、したがって酸化剤
質量流量に影響を与える圧縮機の回転速度が、燃料電池の電力に影響を及ぼすよ
うに設定される（ＤＥ４３２２７６７Ａ１）。
【０００４】 より高い車両駆動力では、それに対応して寸法を取られた燃料電池が必要であ
り、その補助および補足ユニットも、始動段階に大きな電力を必要とする。した
がって、１２Ｖスタータ蓄電池が使用されるとき、始動段階で大きな電流を出力
しなければならず、これは、充電状態および寿命に望ましくない影響を有する。
また、大きな電流が大きな導体断面を必要とする。燃料電池から電力を供給され
る車両では、回復可能に制動することが望ましい。しかし、従来の１２Ｖスター
タ蓄電池は、フィードバック電力を一部しか吸収できず、そのため大量の電力が
熱に変換されることになる。これは、燃料電池システム全体の効率を低減する。
【０００５】 したがって、本発明は、燃料電池を用いて電力を発生し、燃料電池の始動およ
び連続動作に必要な補助または補足ユニットを備える装置をさらに進展させると
いう問題に基づいており、それによりランプなど負荷を有する車両の搭載電力シ
ステム内に存在する蓄電池が、燃料電池の始動段階に負荷を軽減され、燃料電池
およびその補助または補足ユニットから構成される燃料電池システムが、車両の
様々な動作状態で、特に車両駆動の部分負荷の下、アイドリング中、または制動
時、適切であれば車両が停止しているときでさえ高レベルの効率を有し、かつ車
両の急速な加速に必要な電力が、燃料電池電力に加えて利用可能である。さらに
、本発明によって解決すべき問題は、そのような装置の操作方法を規定すること
にある。
【０００６】 この問題は、変換器と、燃料電池の始動および動作用の補助または補足ユニッ
トと、双方向直流／直流変換器の一端とを、少なくとも１つのスイッチ接点を介
して燃料電池の電気出力に接続することができ、一時電力貯蔵器を、少なくとも
１つのさらなるスイッチ接点を介して直流／直流変換器の他端に接続することが
でき、かつ直流／直流変換器を介する電力フラックスの解放、および燃料電池お
よび一時電力貯蔵器の動作状態に応じた電力フラックスの方向を制御する制御装
置が設けられる冒頭で記述したタイプの装置を用いて本発明に従って解決される
。燃料電池の始動用の補助ユニットは、適切な容量を有する一時電力貯蔵器から
始動段階中に電力供給を受けることができる。スイッチ接点が閉じられるとき、
一時電力貯蔵器と直流／直流変換器との間で補助ユニットの方向に電力フラック
スが流れる。始動段階後、燃料電池の出力の下流に接続されたスイッチ接点が閉
じられる。燃料電池が事前定義された動作電圧に達したときに、始動段階が終了
する。この状態は、燃料電池の出力と、燃料電池電力システムに接続される補助
ユニット、変換器、および直流／直流変換器などさらなる負荷との間でスイッチ
接点の閉鎖をもたらす制御装置によって定義することができる。直流／直流変換
器の電流の方向がこの切換状態で逆向きにされると、車両の動作モードで、燃料
電池によって、または変換器によって一時電力貯蔵器を充電することができる。
駆動装置が部分負荷モードで動作する場合、一時電力貯蔵器の充電を、燃料電池
からの電力の一部を吸収するのに好都合にすることができるが、高いレベルの効
率を達成するために、燃料電池がより高いレベルの電力を出力する。制動モード
では、駆動装置の変換器によってフィードバックされる電力が一時電力貯蔵器に
供給される。例えば駆動モードから静止状態への急速な移行があるときに生じる
ように、車両駆動装置によって要求される電力が非常に急速に降下する場合、燃
焼ガスを利用するために、よりゆっくりと低い電力レベルに戻るように燃料電池
を調節することができ、駆動装置によってもはや必要とされない電力は一時電力
貯蔵器内に伝達される。特に、スイッチ接点は、制御装置に接続された蓄電池保
護スイッチの構成要素、例えば電源接触器である。
【０００７】 １つの好ましい実施形態では、燃料電池の定格動作の場合の出力電圧の極性に
関して正方向の極性をもつダイオードが、燃料電池の少なくとも１つの電気出力
とスイッチの間に配置される。望みに応じて、スイッチとダイオードの直列接続
を変えることもできる。すなわち、ダイオードをスイッチの下流に配置すること
ができる。ダイオードは、変換器および直流／直流変換器が接続される電力シス
テムからの電流が燃料電池に供給されないようにする。ダイオードは、特に簡単
な方法で、燃料電池に電力がフィードバックされるのを回避することができるよ
うにする。
【０００８】 一時電力貯蔵器の１つの電気端子と直流／直流変換器の入力との間で、スイッ
チ接点が、さらなるスイッチ接点と抵抗器との直列接続に並列に配置されている
と好都合であり、これにより、２つのスイッチ接点を制御装置によって作動する
ことができるようになり、かつ２つのスイッチ接点を接触器接点またはリレー接
点にすることができるようになる。スイッチと抵抗器から構成される直列接続は
、並列に位置するスイッチの上流にある回路内に接続されて、直流／直流変換器
のスイッチオン電流サージを小さく維持する。
【０００９】 制御装置によって作動することができるスイッチが、一時電力貯蔵器の第２の
電気端子と接地との間に配置され、スイッチに、各場合に、直流／直流変換器、
補助駆動装置、および駆動変換器の端子が接続される。一時電力貯蔵器を保護す
るために設けられるこのスイッチは、車両が静止状態にあるときに開く。
【００１０】 燃料電池の両方の電気出力が、好ましくは、駆動変換器を含む電力システムに
それぞれ１つのスイッチを介して接続され、スイッチをそれぞれ制御装置によっ
て独立して作動することができるようにする。
【００１１】 特に、一時電力貯蔵器として、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッ
ケル金属水酸化物蓄電池、リチウム・イオン蓄電池、またはリチウム・ポリマー
蓄電池が設けられる。
【００１２】 また、一時電力貯蔵器として、二重層コンデンサ、スーパー・コンデンサ、ま
たはウルトラ・コンデンサを使用することもできる（そのような一時電力貯蔵器
の寿命は充電サイクルに依存しない）。
【００１３】 特に一時電力貯蔵器の電圧および温度を測定するためのセンサが設けられ、バ
ス上のユーザとしての制御装置に接続されると好都合である。データバスがすで
に車両内に存在する場合、センサ、または一時電力貯蔵器用の複数のセンサを備
えるユニットもしくはアセンブリをこのバスに接続することができる。
【００１４】 さらなる好ましい実施形態では、双方向直流／直流変換器と、燃料電池によっ
て給電される電力システムに接続され、電圧が燃料電池の定格電圧よりも小さい
少なくとも１つのさらなる双方向直流／直流変換器とが、共通のハウジング内に
配置されている。２つの直流／直流変換器は、共同で、供給電圧、例えば１２Ｖ
の車両の搭載電力システムの電圧およびクーラント供給源を使用することができ
る。バス、例えばＣＡＮバスとの通信インタフェースも両変換器に共通のものに
することができる。
【００１５】 また、スイッチが一時電力貯蔵器と直流／直流変換器の間に配置されることが
好ましく、制御装置はハウジング内に配置されることが好ましい。
【００１６】 ２つの直流／直流変換器と、これらの変換器用の冷却手段と、少なくとも１つ
のマイクロコントローラを有する制御装置と、電流測定装置と、一時電力貯蔵器
を監視するための構成要素とがハウジング内に配置されて、他の電気構成要素へ
の接続を有する１つの機能ユニットを構成することが好都合である。
【００１７】 本発明によると、車両内で燃料電池を用いて電力を発生する装置を操作する方
法は、車両が、変換器を介して燃料電池に接続された少なくとも１つの駆動モー
タを有し、始動段階および始動段階後の連続動作のための補助ユニットが燃料電
池に割り当てられており、変換器と、燃料電池の始動および動作のための補助お
よび補足ユニットと、双方向直流／直流変換器の一端とを、燃料電池の少なくと
も１つのスイッチ接点を介して電気出力に接続することができ、制御装置に接続
された一時電力貯蔵器が、少なくとも１つのさらなるスイッチ接点を介して直流
／直流変換器の他端に接続されている方法であって、燃料電池端部電圧および一
時電力貯蔵器端部電圧が測定されること、一時電力貯蔵器が充電されるときに、
最小燃料電池端部電圧値、燃料電池端部設定点電流、最大一時電力貯蔵器端部電
圧値、および最大一時電力貯蔵器端部電流が事前定義され、監視されること、最
小燃料電池端部もしくは最大一時電力貯蔵器端部電圧値、または燃料電池端部設
定点電流もしくは電力アキュムレータ端部最大電流に達したときに、直流／直流
変換器の充電電流が低減され、最小電圧値を下回らない、または最大電圧値を超
えない、あるいは設定点電流または最大電流を超えないようにすること、一時電
力貯蔵器が放電されるときに、最大燃料電池端部電圧値、燃料電池端部設定点電
流、一時電力貯蔵器端部最小電圧値、一時電力貯蔵器端部電圧値、および一時電
力貯蔵器端部最大電流値が事前定義され、監視されること、ならびに、最大燃料
電池端部電圧値、設定点電流、または電力アキュムレータ端部最大電流値に達し
たときに、一時電力貯蔵器の放電電流が直流／直流変換器によって低減され、そ
れにより最大電圧値を超えない、最小電圧値を下回らない、あるいは設定点電流
または最大電流を超えないようにすることからなる。上述した方法ステップは、
燃料電池が非常に重い負荷を受ける、すなわち極端に低い出力電圧を有するのを
防止し、負荷時の電圧が受け入れられないほど高くなるのを防止する。同時に、
一時電力貯蔵器が、その動作能力に悪影響を及ぼす電圧まで降下する、または受
け入れられないほど高い電圧を出力する、あるいは受け入れられないほど高い電
圧がそこに印加されるのを防止する。
【００１８】 １つの好ましい実施形態では、最小燃料電池端部電圧値、またはそれよりも高
い事前定義された電圧値に達した、またはそれを下回ったときに、直流／直流変
換器が放電モードに設定され、燃料電池に接続された電力システムに電流が供給
されること、最大燃料電池端部電圧値、またはこの電圧値よりも低い事前定義電
圧値に達した、またはそれを超えたときに、直流／直流変換器が充電モードに設
定され、燃料電池に接続された電力システムからの電流が一時電力貯蔵器に供給
されること、および、燃料電池の電圧が最小電圧値と最大事前定義電圧値の間に
あるときに直流／直流変換器が非活動状態であることが規定される。上で指定し
た自動的に実行される方法を用いると、負荷時の電圧が、車両の当該動作状態、
すなわち駆動モード、制動モード、またはアイドリング・モードとは無関係に事
前定義制限範囲内に維持されて、負荷が信頼可能に動作することを保証する。一
時電力貯蔵器は、例えば、制動中に発電機モードで牽引駆動装置によってフィー
ドバックされた電力を吸収する。電力需要が高まるとき、一時電力貯蔵器が負荷
に電力を出力する。負荷制限が生じたとき、一時電力貯蔵器が燃料電池から電流
を吸収する。
【００１９】 上述した本発明による装置を始動するために、スイッチを閉じることによって
一時電力貯蔵器がまず直流／直流変換器に接続され、これにより、出力に接続さ
れた電力システムに接続された補助または補足ユニットが電力を利用できるよう
になり、燃料電池が補助または補足ユニットによって作動される。燃料電池が事
前定義電圧を出力する場合、燃料電池の出力にあるスイッチが閉じられる。
【００２０】 特に、始動段階の始めに、抵抗器と直列に配置されたスイッチが接続され、そ
の後、一時電力貯蔵器の他方の出力と接地との間に配置されたスイッチが閉じら
れ、次いで、抵抗器を有するスイッチに並列に位置するスイッチが閉じられ、こ
の閉鎖の後、抵抗器と直列なスイッチが開かれ、次いで燃料電池用の補助または
補足ユニットがオンに切り換えられ、燃料電池出力と接地との間に配置されたス
イッチが閉じられ、その後、他方のスイッチが、燃料電池の無負荷電圧に達した
後に閉じられる。
【００２１】 事前充電または始動プロセスが中断されるとき、抵抗器と直列に位置するスイ
ッチが開かれる前に、接地と一時電力貯蔵器の１つの出力との間のスイッチが開
かれる。
【００２２】 本発明を、図面に示した例示実施形態に関連して以下により詳細に説明し、そ
こからさらなる詳細、特徴および利点を得る。
【００２３】 移動装置（より詳細には指定しない）、特に車両は、制動モードで発電機とし
ても動作する電気駆動モータ１を含む。電気モータ１は、直流機、または同期機
や非同期機などの三相電流機であってよい。機械１は、シャフト（より詳細には
指定しない）を用いて差動歯車箱２を介し、より詳細には指定しない車両の駆動
ホイールに接続される。ホイールハブ・モータを駆動要素として使用することも
できる。
【００２４】 駆動変換器すなわち変換器３が機械１の端子に接続されている。駆動変換器３
の直流端入力が直流電力システムに接続されており、この直流電力システムを以
下で燃料電池中間回路とも呼ぶ。駆動変換器３の一方の入力に接続された直流電
力システムの線路４は、スイッチ接点５、蓄電池保護スイッチ、例えば電源接触
器の一方の極に延び、スイッチ接点５の他方の極がダイオード６のカソードに接
続され、ダイオード６のアノードが、燃料電池８の一方の電気出力７に接続され
、燃料電池８は特にＰＥＭ燃料電池である。直流電力システムのさらなる線路９
は、駆動変換器３の他方の直流端入力、および第２のスイッチ接点１０の一方の
極に接続され、スイッチ接点１０の他方の極が、燃料電池８の他方の電気出力１
１に接続される。スイッチ接点１０は特に接触器接点でもある。
【００２５】 燃料電池８は、始動段階および動作のための一連の補助および補足ユニットを
割り当てられている。これらのユニットの１つは、例えば、燃料電池８に空気を
供給するために設けられる圧縮機１２である。また、燃焼ガスが、改質装置１３
から燃料電池に供給される。改質装置は、バルブ１４を介して燃料タンク１５に
接続される。さらなる補助および補足ユニット、例えば冷却水ポンプなど（図示
せず）が存在する場合もある。補助および補足ユニット用のスイッチ装置は、図
中にブロック１６で概略的に表してあり、このブロック１６から線路１７、１８
が補助および補足ユニットにつながっている。ブロック１６によるスイッチ・ユ
ニットは、直流電力システムに、すなわち直流電力システムの線路４、９に接続
される。ここで、線路９は接地または車両接地に接続されている。双方向動作の
ための直流／直流変換器１９が、一端で直流電力システムに接続されている。す
なわち、直流／直流変換器１９の出力／入力２０が線路４に、すなわちスイッチ
接点５の１つの極に接続されている。
【００２６】 変換器の他端にある第２の入力／出力２１は、スイッチ２２の一方の極、およ
び抵抗器２３に接続されている。抵抗器２３は、スイッチ２４すなわちリレーと
直列に配置されている。スイッチ２２の他方の極とスイッチ２４の一方の極とが
、一時電力貯蔵器２６の１つの端子２５に接続されており、この電力貯蔵器２６
は、アキュムレータ、特に鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル金
属水素化物蓄電池、リチウム・イオン蓄電池、リチウム・ポリマー蓄電池、また
はコンデンサ、特に二重層コンデンサ、スーパー・コンデンサ、もしくはウルト
ラ・コンデンサである。一時電力貯蔵器２６の第２の端子２７は、さらなる端子
と同様に、直流／直流変換器の入力／出力２０、２１と共通の、したがって線路
９と共通の接地に、スイッチ３０を介して接続される。
【００２７】 直流／直流変換器１９は、燃料電池８に面する端部と、一時電力貯蔵器２６に
面する端部の両方で電流および電圧を測定する測定変換器（内部についてはより
詳細に示さない）を有する。一時貯蔵器２６はデータ取得および伝送ユニット２
８に接続され、ユニット２８が、一時電力貯蔵器２６の電圧および温度を測定す
るためのセンサに接続されている。センサは、例えば、蓄電池のモジュール全体
の電圧および温度を測定する。
【００２８】 さらなる直流／直流変換器３２が、一端で、線路４、９により直流電力システ
ムに接続される。直流／直流変換器３２の他端はアキュムレータ３３に接続され
ている。例えば１２Ｖの定格電圧を有するアキュムレータ３３が、車両の搭載電
力システムの一部であり、この電力システムは、フロントガラス・ワイパ・モー
タ、ランプ、指示器ライト、ウィンドウ引上げモータなど一連の電気的負荷を含
む。この車両の搭載電力システム、および電力システム内に配置された負荷は、
より詳細に例示しない。車両の搭載電力システムは、燃料電池電力システムから
直流／直流変換器３２を介して給電されて、アキュムレータを充電する、かつ／
または負荷に給電することができる。また、車両の搭載電力システムから燃料電
池の高圧電力システム内に電力を出力することもできる。
【００２９】 制御装置２９は、駆動変換器３と、補助および補足ユニットと、スイッチ５、
１０、２２、２４、３０とを作動させるためのプログラムを含み、直流／直流変
換器１９および直流／直流変換器３２を制御して調整し、出力２５、２６、およ
び直流／直流変換器１９の入力／出力２０、２１、ならびに燃料電池８の端子で
の、一時電力貯蔵器２６の温度および電圧と、車両の搭載電力システムの電圧と
の測定値、ならびに直流／直流変換器１９および３２をわたって流れる電流と、
燃料電池８によって出力される電流との測定値を処理する。制御装置は特にバス
３１に接続され、バス３１に、作動すべきスイッチ、および制御すべきユニット
、例えば駆動変換器３、直流／直流変換器１９および３２、データ取得および伝
送ユニット２８、例えば補助および補足ユニットなどのさらなるユニットがユー
ザとして接続される。バスは、特にＣＡＮバスである。
【００３０】 ダイオード６は、燃料電池内への損壊逆流電流を防止する。
【００３１】 スイッチ２２および３０は、保護スイッチとして、直流／直流変換器から一時
電力貯蔵器を切断する機能を有する。
【００３２】 例えばリレーとして実施されるスイッチ２４と直列の抵抗器２３により、直流
／直流変換器の内部コンデンサを損壊せずに事前充電することができるようにな
る。抵抗器２３を介して流れる電流が低いので、導通するには１つのリレーで十
分である。
【００３３】 蓄電池データ取得装置２８は、蓄電池の電圧および温度、例えばモジュール全
体の電圧およびモジュールの温度を感知し、感知したデータを、車両内部データ
バス、例えばＣＡＮバスを介して伝送する。
【００３４】 直流／直流変換器は、一時電力貯蔵器の電圧を燃料電池直流電力システムの電
圧に適合させることによって、一時電力貯蔵器と燃料電池直流電力システムとの
インタフェースとして働く。
【００３５】 補助駆動装置またはユニットは、始動段階中に、直流／直流変換器を介して一
時電力貯蔵器から操作される。
【００３６】 一時電力貯蔵器２６は、制動中に生じるエネルギーを吸収することができる。
このために、牽引駆動装置が発電機になり、燃料電池直流電力システム内に電力
を供給する。直流／直流変換器１９が、前記燃料電池直流電力システムから一時
電力貯蔵器２６に給電する。
【００３７】 例えば車両を加速させるために電力需要が増大するとき、直流／直流変換器１
９は、一時電力貯蔵器２６から駆動装置への追加の電力を利用可能にして、瞬時
に利用可能な燃料電池電力を提供し、それにより電流発生システムのダイナミッ
クスを増大させる。
【００３８】 負荷制限中、燃料電池８からの余分な電力を、直流／直流変換器１９を介して
一時電力貯蔵器内に移すことができる。
【００３９】 直流／直流変換器１９の作動は、車両内部バス・システム、例えばＣＡＮを介
して車両内部制御装置２９によって行われる。
【００４０】 直流／直流変換器１９は、一時電力貯蔵器２６とその周辺装置（例えば蓄電池
管理システム、蓄電池保護スイッチなど）を備える一時電力貯蔵システム（ＥＺ
Ｓ）を形成する。
【００４１】 燃料電池８は、以下の方法ステップによって始動される。 １．スイッチ２４すなわちリレーを閉じる。 ２．蓄電池保護スイッチ３０を閉じる。 ３．直流／直流変換器の内部コンデンサが、抵抗器２３を介して、事前定義可能
な時間枠中に事前充電される。 ４．事前充電後、蓄電池保護スイッチ２２を閉じる。 ５．蓄電池保護スイッチ２２を閉じた場合、スイッチ２４またはリレーＫ１を開
くことができる。 ６．直流／直流変換器１９が、燃料電池中間回路のコンデンサを充電し、それに
より補助駆動装置が始動して、スイッチがオンに切り換わり、燃料電池システム
を始動させる。 ７．燃料電池８が燃焼ガス（例えば、圧縮機からの空気、および改質プロセスか
らの水素含有ガス）を十分に供給された場合に、（ある時間後に）電圧を蓄積す
る。 ８．スイッチ接点１０によって蓄電池保護スイッチを閉じ、燃料電池８のアイド
リング電圧を測定する。 ９．直流／直流変換器１９が、燃料電池中間回路の電圧を、燃料電池８の無負荷
電圧まで上昇させる。測定された燃料電池８の無負荷電圧と中間回路の電圧とが
対応する場合、スイッチ接点５も閉じられる。それにより始動プロセスが終了し
、燃料電池システムが定格動作に切り換わる。
【００４２】 始動プロセスと関連する、または始動プロセスに先行する事前充電中に、スイ
ッチをオフに切り換えることが望まれる場合があり、以下のように実行される。
【００４３】 始動プロセス中（ステップ３中）にスイッチをオフに切り換える必要がある場
合、まず蓄電池保護スイッチ３０を開き、その直後にリレー２４を開く。
【００４４】 これは、事前充電電流を切断するためにリレー２４を構成する必要がないとい
う利点を有する。リレーは単に、事前充電電流を導通し、開いた状態で信頼可能
な絶縁を構成すればよい。
【００４５】 他方、スイッチ３０は、欠陥が生じた場合に回路を信頼可能に切断することも
できなければならず、したがって、直流電流が切り換えられたときに生じるアー
クを消すための装置を備えなければならない。上述した装置は、以下でＩモード
および自動モードと呼ぶ２つの動作モードで動作することができる。
【００４６】 １．Ｉモード Ｉモードでは、燃料電池中間回路からの電流が直流／直流変換器１９に関して
事前定義され、「充電」または「放電」信号がさらに事前定義される。したがっ
て、これら２つの信号が電流の方向を決定する。「充電」信号が事前定義される
場合、一時電力貯蔵器２６が充電される。すなわち電流が一時電力貯蔵器２６内
に流れる。「放電」の場合には、電流が一時電力貯蔵器２６から外に流れる。前
記一時電力貯蔵器２６での電圧は常に正であるので、電流の方向は常に、電力フ
ラックスの方向にも対応する。Ｉモードでは、「充電」中に、電圧または電流の
以下の制限値が事前定義される。 Ｕｂｍｉｎ 燃料電池端部での最小電圧 Ｉｂ 燃料電池端部での設定値電流 Ｕｚｍａｘ 一時電力貯蔵器端部での最大電圧 Ｉｚ 一時電力貯蔵器端部での最大電流
【００４７】 「充電」中にこれらの制限値の１つに近づく場合、直流／直流変換器１９が自
動的に電流を低減する。これにより、燃料電池８が、その電圧がＵｂｍｉｎ未満
に降下するほど大きな負荷を直流／直流変換器１９によって受けるのを防止する
。
【００４８】 一時電力貯蔵器２６での許容可能電流を超えないようにするのと同様に、変換
器１９自体により、一時電力貯蔵器２６で許容電圧を超えないようにされる。
【００４９】 Ｉモードでは、「放電」中に、以下の制限値がアナログ様式で適用される。 Ｕｂｍａｘ 燃料電池端部での最大電圧 Ｉｂ 燃料電池端部での設定値電流 Ｕｚｍｉｎ 一時電力貯蔵器端部での最小電圧 Ｉｚ 一時電力貯蔵器端部での最大電流
【００５０】 「充電」中にこれらの制限値の１つに近づく場合、直流／直流変換器が自動的
に電流を低減する。これは、燃料電池回路内の電圧が許容可能値を超えないよう
にする。一時電力貯蔵器２６で許容可能電流を超えないようにするのと同様に、
変換器１９自体により、一時電力貯蔵器での許容可能電圧、例えば最小電圧未満
に電圧が降下しないようにされる。
【００５１】 自動モードでは、燃料電池回路に関する電圧ウインドウが、直流／直流変換器
１９に関して事前定義される。すなわち、 Ｕｂｍｉｎ 燃料電池端部での最小電圧 Ｕｂｍａｘ 燃料電池端部での最大電圧
【００５２】 燃料電池回路の電圧が、Ｕｂｍａｘによって事前定義される制限よりも高い値
まで上昇した場合、直流／直流変換器１９が自動的に「充電モード」に切り換わ
り、したがって燃料電池回路から一時電力貯蔵器２６に電流を供給する。
【００５３】 燃料電池回路の電圧が、Ｕｂｍｉｎによって事前定義された制限よりも低い値
まで降下した場合、直流／直流変換器１９が自動的に「放電モード」に切り換わ
り、一時電力貯蔵器２６から燃料電池回路に電流を供給し、それにより燃料電池
回路内の電圧をサポートする。
【００５４】 自動モードは、燃料電池システムで動作するように特別に構成される。したが
って、例えば負荷要求および電圧増大の場合、例えば回復制動の場合に、自動的
に電圧低下を補償することができる。
【００５５】 自動モードでは以下の制限も適用される。 Ｕｚｍｉｎ 一時電力貯蔵器端部での最小電圧 Ｕｚｍａｘ 一時電力貯蔵器端部での最大電圧 Ｉｂ 設定値電流が燃料電池端部で最大電流になる Ｉｚ 一時電力貯蔵器端部での最大電流
【００５６】 燃料電池回路の電圧がＵｂｍｉｎとＵｂｍａｘの間である場合、直流／直流変
換器１９は非活動状態である。
【００５７】 電流の測定 上述した調整プロセスに関して、直流／直流変換器１９は、内部測定トランス
デューサを有し、燃料電池端部と貯蔵器２６の両方で電流および電圧を測定でき
るようにする。ここで記録される測定値、特に電流の測定値を、車両内部バス・
システムの他のユーザにも利用可能にすることができ、例えば、蓄電池管理シス
テム（ＢＭＳ）の一時電力貯蔵器２６の電量充電状態が求められる。蓄電池の電
量充電状態は、貯蔵器２６の電流を積分することによって求められる。
【００５８】 直流／直流変換器１９の充電電流と放電電流はどちらも、事前定義された制限
範囲内で所望の様式（擬似アナログ様式）で事前定義することができる。直流／
直流変換器１９では、上述した最大電圧、最小電圧、および最大電流に関する制
限値が、入力端と出力端の両方に関して不揮発性メモリ、例えばフラッシュＥＰ
ＲＯＭに記憶される。この装置は、様々な一時電力貯蔵システム（様々な貯蔵技
術、例えば、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル金属水素化物蓄
電池、リチウム・イオン蓄電池、リチウム・ポリマー蓄電池など様々な蓄電池シ
ステム）、および様々な電圧レベル、充電特性を有するコンデンサに簡単に接続
することができる。充電／放電ストラテジは、車両内部制御装置２９内のソフト
ウェアによって記憶されている。
【００５９】 上述した装置は、例えば車両を加速させるために電力需要が高まったときに、
瞬時に利用可能な燃料電池電力に加えて、一時電力貯蔵器からの電力を駆動装置
が利用できるようにするという利点を有する。さらに、高い効率で燃料電池シス
テムを動作させることができる。特に、低電力では、補助駆動装置を有する燃料
電池システムが、定格構成点よりも低い効率を有する。低い電力需要のときでさ
え燃料電池システムを比較的高い電力で動作させ、一時電力貯蔵器２６を用いて
追加の生成電力を貯蔵することにより、電流発生システム全体の効率を高めるこ
とができる。貯蔵された電力は、例えば燃料電池システムが始動されるときに、
加速プロセスを行うため、または補助駆動装置を動作させるために使用すること
ができる。
【００６０】 例えば交通の渋滞により、燃料電池システムの電力が非常に急速に低減する場
合、燃料電池によって電流に変換することができる燃焼ガスも、燃料電池システ
ムで利用可能である。電流は、駆動装置によって必要とされない場合、一時電力
貯蔵器内に貯蔵される。
【００６１】 １つの好都合な実施形態では、一時電力貯蔵システム用の直流／直流変換器１
９が直流／直流変換器３２と一体化され、ハウジング３４内で、燃料電池システ
ムの電圧を、例えば１２Ｖの車両搭載電力システム電圧まで低減することができ
る。ハウジング３４は、図２に点線によって例示されている。
【００６２】 ２つ以上の変換器を一体化することにより、内部個別変換器が、供給源、例え
ば１２Ｖ供給電圧およびクーラント供給（液体または気体）と、例えばＣＡＮを
介する車両制御装置への通信インタフェースとを共用することができるという利
点が得られる。
【００６３】 一時電力貯蔵器２６に必要な２２、２４、および３６などの蓄電池保護スイッ
チと、直流／直流変換器１９、３２用の作動電子回路とを、共通のハウジング３
４内に収容することもできる。
【００６４】 一時電力貯蔵器２６およびその作動電子部品に必要な蓄電池保護スイッチと、
作動電子回路とを、内部コンデンサを事前充電するための事前充電回路と共に、
ハウジング３４内で一体化することもできる。
【００６５】 ここで強調するのは、ハウジング３４だけでなく、蓄電池監視用の構成要素と
、インタフェース機構と、蓄電池保護スイッチと、電流測定機構と、直流／直流
変換器１９、３２と、冷却装置と、マイクロコントローラを有する制御装置２９
と、電気および機械接続とを組み合わせて１つの機能ユニットを形成することで
ある。
【００６６】 一体型直流／直流変換器により、２つ以上の個別変換器に比べて重量、体積、
および設計の面で大きな利点が得られる。図２には、ハウジング３４と、その構
成要素のみを例示する。図１および図２に例示される装置における同一の構成要
素には、同じ参照番号が用いられている。ハウジング内部にある図２に例示され
る構成要素と他の構成要素との接続は、図１と同じであり、そのため図２には例
示しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 移動装置内にある燃料電池および一時電力貯蔵器を用いて電力を発生するため
の装置を示すブロック回路図である。
【図２】 ハウジング内に配置された直流／直流変換器、および制御構成要素およびスイ
ッチ構成要素を有する車両内にある燃料電池および一時電力貯蔵器を用いて電力
を発生するための装置の一部を示すブロック回路図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年１１月９日（２００１．１１．９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】 より高い車両駆動力では、それに対応して寸法を取られた
燃料電池が必要であり、その補助および補足ユニットも、始動段階に大きな電力
を必要とする。したがって、１２Ｖスタータ蓄電池が使用されるとき、始動段階
で大きな電流を出力しなければならず、これは、充電状態および寿命に望ましく
ない影響を有する。また、大きな電流が大きな導体断面を必要とする。燃料電池
から電力を供給される車両では、回復可能に制動することが望ましい。しかし、
従来の１２Ｖスタータ蓄電池は、フィードバック電力を一部しか吸収できず、そ
のため大量の電力が熱に変換されることになる。これは、燃料電池システム全体
の効率を低減する。 ＤＥ１９７３１２５０Ａ１は、燃料電池スタック、駆動モータおよび補助機械
類を有する電力供給システム、ならびに蓄電池を充電するための方法を開示して
いる。蓄電池は、スイッチ接点を介して燃料電池スタックに接続されている。補
助機械類は、直流／直流変換器を介して燃料電池スタックおよび蓄電池に接続さ
れている。駆動モータは、スイッチ接点を介して燃料電池スタックおよび蓄電池
に接続されている。残余充電検知装置は、電圧または電流を測定することにより
蓄電池の残余充電を検知するために用いられる。電力供給システムが始動すると
、燃料電池スタックの暖めが終わるまで、蓄電池と燃料電池スタックの両方が付
加に電力を出力する。 現代の自動車における電気負荷数の増加は、電力を発生する装置が対処できな
ければならない電力要求を上昇に導いている。特に、高電力低電圧負荷の数が絶
え間なく増加している。車両搭載電力システムおよび車両搭載電力システムにお
ける電力供給または電力分配がうまく適応されなければならない。さらに、主電
力源が作動しないときでも、すなわち燃料電池が作動しないときでも、運転の準
備は保証されるべきである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】 したがって、本発明は、燃料電池を用いて電力を発生し、
燃料電池の始動および連続動作に必要な補助または補足ユニットを備える装置を
さらに進展させるという問題に基づいており、それによりランプなど負荷を有す
る車両の搭載電力システム内に存在する蓄電池が、燃料電池の始動段階に負荷を
軽減され、それにより燃料電池およびその補助または補足ユニットから構成され
る燃料電池システムが、車両の様々な動作状態で、特に車両駆動の部分負荷の下
、アイドリング中、または制動時、適切であれば車両が停止しているときでさえ
高レベルの効率を有し、かつそれにより車両の急速な加速に必要な電力が、燃料
電池電力に加えて利用可能である。さらに、本発明によって解決すべき問題は、
そのような装置の操作方法を規定することにある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 10/44 Ｈ０１Ｍ 10/44 Ｐ (72)発明者 ゾンターク，ヨゼフ ドイツ国 Ｄ−73230 キルヒハイム ヴ ァイレレッカー 27 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 DD01 DD03 KK54 KK56 MM27 5H030 AA01 AS08 BB01 BB10 FF41 5H115 PA13 PC06 PG04 PI16 PI18 PI21 PI29 PO10 PO17 PU02 PU10 PV02 PV09 QE01 QN03 SE03 TI05 TI10 TO12 TO13 TU20

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 車両が少なくとも１つの駆動モータを有し、駆動モータを、
    変換器を介して燃料電池に接続することができ、始動段階および始動段階後の連
    続動作のための補助ユニットが燃料電池に割り当てられた、車両内で燃料電池を
    用いて電力を発生する装置であって、変換器（３）と、燃料電池（８）の始動お
    よび動作のための補助または補足ユニット（１６、１２、１４）と、双方向直流
    ／直流変換器（１９）の一端とを、少なくとも１つのスイッチ接点（５）を介し
    て燃料電池（８）の電気出力（７、１１）に接続することができること、一時電
    力貯蔵器（２６）を、少なくとも１つのさらなるスイッチ接点（２２）を介して
    直流／直流変換器（１９）の他端に接続することができること、ならびに、燃料
    電池および一時電力貯蔵器（２６）の動作状態に応じて、直流／直流変換器を介
    する電力フラックスの解放、および直流／直流変換器を介する電力フラックスの
    方向を制御する制御装置（２９）が設けられることを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 燃料電池の定格動作の場合の出力電流の極性に関して正方向
    の極性をもつダイオードが、燃料電池（８）の少なくとも１つの電気出力（７）
    とスイッチ接点（５）の間に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載
    の装置。
  3. 【請求項３】 一時電力貯蔵器（２６）の１つの電気端子（２５）と直流／
    直流変換器（１９）の入力との間で、スイッチ接点（２２）が、さらなるスイッ
    チ（２４）と抵抗器（２３）との直列接続に並列に配置されていること、および
    スイッチ（２２、２４）を制御装置（２９）によって作動することができること
    を特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 制御装置（２９）によって作動することができるスイッチ（
    ３０）が、一時電力貯蔵器（２６）の第２の電気端子（２７）と接地との間に配
    置され、接地に、各場合に、直流／直流変換器（１９）、補助装置（１６）、お
    よび変換器（３）の端子が接続されることを特徴とする、前記請求項の少なくと
    も一項に記載の装置。
  5. 【請求項５】 燃料電池（８）の両方の電気出力（７、１１）が、変換器（
    ３）を含む電力システムにそれぞれ１つのスイッチ接点（５、１０）を介して接
    続されること、およびスイッチ接点（５、１０）をそれぞれ制御装置（２９）に
    よって独立して作動することができることを特徴とする、前記請求項の少なくと
    も一項に記載の装置。
  6. 【請求項６】 一時電力貯蔵器（２６）が、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウ
    ム蓄電池、ニッケル金属水素化物蓄電池、リチウム・イオン蓄電池、またはリチ
    ウム・ポリマー蓄電池であることを特徴とする、前記請求項の少なくとも一項に
    記載の装置。
  7. 【請求項７】 一時電力貯蔵器（２６）が、二重層コンデンサ、スーパー・
    コンデンサ、またはウルトラ・コンデンサであることを特徴とする、請求項１か
    ら５の少なくとも一項に記載の装置。
  8. 【請求項８】 一時電力貯蔵器（２６）の電圧および温度を測定するための
    センサが設けられ、バス（３１）上のユーザとしての制御装置（２９）に接続さ
    れることを特徴とする、前記請求項の少なくとも一項に記載の装置。
  9. 【請求項９】 燃料電池（８）、直流／直流変換器（１９）、補助ユニット
    （１６）、および一時電力貯蔵器（２６）を操作するための制御および調整プロ
    グラムが不揮発性メモリに含まれていることを特徴とする、前記請求項の少なく
    とも一項に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 双方向直流／直流変換器（１９）と、燃料電池（８）によ
    って給電される電力システムおよび車両の搭載電力システムに接続され、電圧が
    燃料電池（８）の定格電圧よりも小さい少なくとも１つのさらなる双方向変換器
    （３２）とが、共通のハウジング（３４）内に配置されることを特徴とする、前
    記請求項の少なくとも一項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 スイッチが一時電力貯蔵器（２６）と直流／直流変換器（
    １９）の間に配置され、制御装置（２９）がハウジング（３４）内に配置される
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 ハウジング（３４）内に配置された直流／直流変換器（１
    ９、３２）と制御装置（２９）とが、供給電圧にジョイント接続されていること
    、直流／直流変換器（１９、３２）が共通のクーラント供給源を有すること、お
    よびハウジング（３４）がバス（３１）との通信インタフェースを有することを
    特徴とする、請求項１０または１１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 車両内で燃料電池を用いて電力を発生する装置を操作する
    方法であって、車両が、変換器を介して燃料電池に接続された少なくとも１つの
    駆動モータを有し、始動段階および始動段階後の連続動作のための補助ユニット
    が燃料電池に割り当てられており、変換器と、燃料電池の始動および動作のため
    の補助および補足ユニットと、双方向直流／直流変換器の一端とを、燃料電池の
    電気出力に接続することができ、制御装置に接続された一時電力貯蔵器が、少な
    くとも１つのスイッチを介して直流／直流変換器の他端に接続され、燃料電池端
    部電圧および一時電力貯蔵器端部電圧が測定されること、一時電力貯蔵器が充電
    されるときに、最小燃料電池端部電圧値、燃料電池端部設定点電流、最大一時電
    力貯蔵器端部電圧値、および最大一時電力貯蔵器端部電流が事前定義され、監視
    されること、最小燃料電池端部もしくは最大一時電力貯蔵器端部電圧値、または
    燃料電池端部設定点電流もしくは電力アキュムレータ端部最大電流に達したとき
    に、直流／直流変換器の充電電流が低減して、最小電圧値を下回らない、または
    最大電圧値を超えない、あるいは設定点電流または最大電流を超えないようにす
    ること、一時電力貯蔵器が放電されるときに、最大燃料電池端部電圧値、燃料電
    池端部設定点電流、一時電力貯蔵器端部最小電圧値、および一時電力貯蔵器端部
    最大電流値が事前定義され、監視されること、ならびに、最大燃料電池端部電圧
    値もしくは最小一時電力貯蔵器端部電圧値、または設定点電流もしくは電力アキ
    ュムレータ端部最大電流値に達したときに、一時電力貯蔵器の放電電流が直流／
    直流変換器によって低減され、それにより最大電圧値を超えない、最小電圧値を
    下回らない、あるいは設定点電流または最大電流を超えないようにすることを特
    徴とする方法。
  14. 【請求項１４】 最小燃料電池端部電圧値、またはそれよりも高い事前定義
    電圧値に達した、またはそれを下回ったときに、直流／直流変換器が放電モード
    に設定され、燃料電池に接続された電力システムに電流が供給されること、最大
    燃料電池端部電圧値、またはこの電圧値よりも低い事前定義電圧値に達した、ま
    たはそれを超えたときに、直流／直流変換器が充電モードに設定され、燃料電池
    に接続された電力システムからの電流が一時電力貯蔵器に供給されること、およ
    び、燃料電池の電圧が最小電圧値と最大事前定義電圧値の間にあるときに直流／
    直流変換器が非活動状態であることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 燃料電池を始動させるために、スイッチを閉じることによ
    り一時電力貯蔵器がまず直流／直流変換器に接続され、これにより、出力に接続
    された電力システムに接続された補助または補足ユニットが電力を利用できるよ
    うになること、補助または補足ユニットによって燃料電池が活動化されること、
    燃料電池の事前定義出力電圧に達した後に、燃料電池の出力の上流にあるスイッ
    チが閉じられることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
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