JP2004508689A - 高効率燃料電池電力調整器(powerconditioner) - Google Patents
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Abstract
Description
[技術分野]
本発明は概ね電力伝達、分配機器(electrical power transmission and distribution)に関し、特に負荷(load)に電力を提供する高効率電力調整器に関する。
【0002】
[発明の背景]
燃料電池は一般に高電流で低電圧を発生する。燃料電池によって生じる低電圧は、運転条件や負荷によって変化する。正の負荷ステップ(positive load step)が生じると、燃料電池は一般に、迅速に負荷変動に反応することができない。したがって負荷に対して必要な電力をすべて供給できるように、バッテリーなどのエネルギー貯蔵部材を用いて、燃料電池が安定性を「取り戻す」(catches up)間、電力の不足分(balance)を供給する必要がある。
【0003】
燃料電池の応用分野の多くでは、広汎な負荷範囲に対して効率よく電力を供給する交流電流(ac)出力が必要になる。これら応用分野で必須とされる高効率要件には、多段電力変換(multiple stages of power conversion)の使用は含まれていないのが普通である。高効率システムでは、電力変換段階(power conversion stages)を最小限にしなければならず、そのため燃料電池とバッテリー間の電力共用(sharing of power)を制御しながら、幅広い負荷範囲にわたって高効率を維持できるシステムを製造するのはむずかしい。
【0004】
本発明の目的は、高効率の電力調整器を提供する一方、主電力路(main power path)に沿った多段電力変換を回避することでこの問題を解決することにある。
【0005】
[発明の要旨]
本発明は、dc電源(たとえば燃料電池など)からの変動dc電力(varying dcpower)をac電力に変換するための電力調整器を設けて、正規運転中(normal operation)の効率を極めて高くするとともに、dc電源からの電力制御(control)を可能にする。こうした制御は小型発電装置に有用であり、特に部分負荷時(partial load)の運転効率が非常に高い必要があり、燃料電池からの電力の流れを制御する性能が高いことが役に立つ燃料電池にとってきわめて有用となる。
【0006】
本発明の一実施例では、発電装置から負荷に供給される電力を調整するための電力調整器が提供される。発電装置はたとえば燃料電池でもよく、あるいは燃料電池(またはその他媒体)と、電解キャパシタ(electrolytic capacitor)および/またははずみ車システムを並列に組み合わせた(combination …in parallel with)エネルギー貯蔵媒体でもよい。この電力調整器の実施例は、dc/acインバータ、de/acインバータにつながれた(coupled)dcバス、dcバスに作動可能につながれた低電圧の電力供給、低電圧電力供給とdcバスの間につながれたバック変換器(buck converter)、低電圧の電力供給とdcバスの間につながれたブースト変換器を含む。低電圧の電力供給は、電力供給のためのバッテリその他の装置を含む。
【0007】
本発明の他の特長を以下に述べる。
【0008】
[発明の詳細な記述]
図1は、本発明の高効率電力調整器の好ましい一実施例を示す。図1の回路では、燃料電池10は、負荷とともに変動する低電圧を生成する。バッテリ22は、燃料電池の最小運転電圧とほぼ同じ電圧を生成するサイズを持つ。この回路のdc/acインバータ16は低電圧入力で作動するよう設計されている。dc/acインバータの出力にある変圧器(図示せず)は、ac電圧を所望のレベルまで上昇させるために用いることができる。
【0009】
正の負荷ステップ変動(positive load step change)が生じると、低電圧バッテリ22は、燃料電池10が全負荷を支えられるようになるまでステップ変動に等しい電力を提供する。バッテリ22からの電力は、ブースト変換器12を介して変動dcバス14に供給される。このブースト変換器は、バッテリ電力の全面的制御を可能にすることで、徐々に増大する燃料供給に応じて燃料電池から引き出される電力を徐々に増大させることができる。非常に大きな正負荷ステップ変化が生じると、バッテリはブースト変換器ではなくダイオードD1を介してdcバスに電力を供給できる。電流がダイオードD1を流れると、燃料電池ととバッテリの間の電力共用を制御する方途がなくなるが、こうした負荷変動は実際には殆ど生じない。ダイオードD1を用いる必要はないが、使用すればブースト変換器は考え得る最大負荷変動(たとえば過失出力(faulted output)中に見られるような)ではなく、通常の負荷変動に備えた大きさとすることができる。したがってD1の使用によりブースト変換器12の大幅なコスト節約につながる。非常に大きな負荷ステップ変動に対してほんの短時間だけ、バッテリから電力を供給しなければならないような場合は、主スイッチ誘導器(main switching inductor)が空気コア(air−core)を持つよう設計するだけで、ブースト変換器はそうした短期過負荷に対応できる経済的な設計が可能になる。空気コア誘導器は飽和できず、したがって、短時間の間、高い過電流を通すことができる。
【0010】
バッテリ22を充電すると共に、負荷電力をすべて供給できるだけ充分な備蓄電力(reserve power)を燃料電池10が持っている場合は、バック変換器24はバッテリに充電電流(charging current)を供給する。バック変換器は、dcバス14上の可変電圧をバッテリの適切なフロート変動電圧(float changing voltage)に変換する。バック変換器はまた、燃料電池から得られる場合は補助機器(auxiliary equipment)の電力も供給する。燃料電池に補助電力を供給する能力がない(たとえば、始動時あるいは負荷過渡時(load transients))場合は、補助電力は直接バッテリから来るようにすればよい。
【0011】
図2Aおよび2Bに、図1に示す発明解決(inventive solution)の実施例を示す。これら実施例は類似しているが、図2Bでは、バックおよびブースト変換器24と12は、単一の二方向電力流変換器26が兼ねている。正規運転中、Q2はオフに、Q3はパルス幅変調(pulse−width modulated)されて適切なバッテリフロート充電電圧を生じると共に補助機器に電力を与える。小さな負荷ステップ変動が生じると、正バック変換器は補助機器に供給される電力を、負荷ステップ変動に等しい量だけ減量する。バッテリは次いで補助機器に残りの電力を供給する。燃料電池はもっと電力を提供できるため、補助機器への電力の流れはそれに応じて増量される。
【0012】
正の負荷ステップ変動が補助電力の大きさがより大きい場合、バック変換器24を完全にオフにする一方、ブースト変換器12で必要な残りの電力(補助電力以上 (over−and−above that of the auxiliary power))をバッテリから引き込んでdcバスに供給する。
【0013】
始動時、ブースト変換器はバッテリ電圧をあげて、バスキャパシタC1を開き回路燃料電池の電圧まで充電することができる。C1をあらかじめ充電することで、スイッチS1を閉じたとき電流がどっと流れ込むのを防ぐ。
【0014】
いかなる時でも、バッテリとdcバスの間でどちらの方向に電力が流れなければならないかに応じて、バック変換器24またはブースト変換器12のいずれかを作動させるだけでよい。どんなときでもこれら変換器のいずれか一方しかオンになっていないため、二方向変換器26(図2Bに示す)の半導体Q2,Q3の動作は図2Aに示す変換器のQ2、Q3の作動と同じである。
【0015】
スイッチS1の隣のダイオードD4は、S1が高速スイッチであれば必要ない。その目的は、燃料電池を保護することにある。さらに、ダイオードD1は大きな負荷ステップのために用いられるもので、そうした大きな負荷ステップが予期されない、あるいはブースト変換器が最大可能変動ステップに対応できる大きさになっているような応用例では、D1は省略することができる。
【0016】
請求の範囲で保護される範囲は、上述の好ましい実施例に限定されない。当業者であれば、本書に開示された具体的な実施例の変更変形が、本発明の真の精神と範囲に含まれることが認識される。
【0017】
上述の実施例に可能な変更として、以下が含まれる:エネルギー貯蔵は、さまざまな貯蔵媒体を別個に設けてもよく、あるいは大型キャパシタまたははずみ車システムと組み合わせて設けることもできる。エネルギー貯蔵媒体を一つ以上用いる場合は、直接並列にしてもよく(この場合、電圧出力が同じでなければならない)、あるいはそれぞれに付随のバックおよびブースト変換器を持たせてdcバスに接続してもよい。好ましい実施例は、出力電圧が燃料電池の最小作動電圧に近いバッテリで構成されているが、電解コンデンサまたははずみ車システムを用いる場合は、燃料電池の最小作動電圧をコンデンサまたははずみ車システムの最小電圧より小さい設計にした方がおそらく便利であろう。燃料電池の最大電圧が、最小作動エネルギー貯蔵電圧より低い場合は、バックおよびブースト変換器の運転は互いにスワップ(swap)しなければならないだろう。(スーパーキャパシタを用いた場合は、おそらく、好ましい実施例の場合と同じく、燃料電池の最小作動電圧より小さい最大出力電圧を持つよう設計されるだろう。)
バッテリ、キャパシタなど、燃料電池の最小作動電圧よりはるかに低いターミナル電圧を持つ好適なその他のdcエネルギー貯蔵部材を持ちいることもできる。そのようにターミナル電圧の低いエネルギー貯蔵部材を用いるには、ブースト変換器は最大負荷電力を処理できるだけの大きさにしなければならない。また、エネルギー貯蔵ターミナル電圧は、ダイオードを正方向にバイアスさせることができるほど燃料電池電圧に近づくことは決してないため、ダイオードD1がそのような設計に用いられることはない。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明による電力調整器の好ましい一実施例を示す略図。
【図2A】
図1に示す案をより詳細に具体化した実施例の略図。
【図2B】
バックおよびブースト変換器を組み合わせた実施例を示す図。
Claims (25)
- (a)燃料電池とdc/acインバータにつながれたdcバス、
(b) dcバスに作動可能につながれたバッテリ、
(c) バッテリとdcバスの間につながれたバック変換器、
(d) バッテリとdcバスの間につながれたブースト変換器、
を備える、dc/acインバータを介して燃料電池によって負荷に供給される電力を調整するための電力調整器。 - バック変換器の低い側がバッテリにつながれ、バック変換器の高い側がdcバスにつながれている、請求項1に記載の電力調整器。
- ブースト変換器の低い側がバッテリにつながれ、ブースト変換器の高い側がdcバスにつながれている、請求項2に記載の電力調整器。
- バッテリとdcバスの間につながれたダイオード(D1)をさらに備える、請求項3に記載の電力調整器。
- きわめて大きい正の負荷ステップ変動が生じた際、バッテリがブースト変換器ではなくダイオードを介してdcバスに電力を供給できるようにダイオードが構成されている、請求項4に記載の電力調整器。
- dc/acインバータは低電圧入力で作動するよう設計され、低電圧入力はdcバスによって供給される、請求項1に記載の電力調整器。
- 正のステップ負荷変動が生じた際、ブースト変換器とdcバスを介して、燃料電池が全ての負荷を支持するのに充分な電力を提供できるまで、ステップ変動と等しい電力をバッテリが供給する、請求項1に記載の電力調整器。
- ブースト変換器が、バッテリ電力の制御を可能にすることで、必要とされる負荷電力を生じる燃料電池の能力が徐々に増大するにつれ、燃料電池から引かれる電力を徐々に増大することができる、請求項1に記載の電力調整器。
- きわめて大きい正の負荷ステップ変動が生じた際、バッテリはブースト変換器ではなくダイオード(D1)を介してdcバスに電力を供給する、請求項8に記載の電力調整器。
- 燃料電池が、バッテリを充電し負荷電力を全て供給するだけの充分な備蓄電力を持っている場合、バック変換器がバッテリへの充電電流を供給する、請求項9に記載の電力調整器。
- バック変換器が、dcバス上の可変電圧をバッテリのフロート充電電圧に変換する、請求項10に記載の電力調整器。
- バック変換器はさらに、燃料電池から得られる場合は、補助機器に電力を供給する、請求項11に記載の電力調整器。
- バック変換器の低い側がバッテリにつながれ、バック変換器の高い側がdcバスにつながれ、ブースト変換器の低い側がバッテリにつながれ、ブースト変換器の高い側がdcバスにつながれ、ダイオードがバッテリとdcバスの間につながれた、請求項12に記載の電力調整器。
- 負荷のためのac出力電力を与える出力を持つdc/acインバータと、
発電装置とdc/acインバータにつながれた低電圧、可変dcバスと、
dcバスに作動可能につながれた低電圧エネルギー貯蔵媒体と、
低電圧エネルギー貯蔵媒体とdcバスの間につながれたバック変換器と、
低電圧電力供給とdcバスの間につながれたブースト変換器と、
を備える、負荷に提供される電力を調整するための電力調整器。 - エネルギー貯蔵媒体が、バッテリ、電解キャパシタ、スーパーキャパシタ、はずみ車システムからなるグループの一員である、請求項14に記載の電力調整器。
- 発電装置と並列させた一つまたはそれ以上のエネルギー貯蔵媒体をさらに備える、請求項15に記載の電力調整器。
- エネルギー貯蔵媒体が、直接並列にあり、同一の電圧出力を持つ、請求項16に記載の電力調整器。
- エネルギー貯蔵媒体のそれぞれの出力を、付随するバックおよびブースト変換器を介してバスにつなぐことで間接的に並列にさせて、dcバスにつなぐ、請求項16に記載の電力調整器。
- 燃料電池は、電解キャパシタとはずみ車システムのうち一つと並列につながれ、燃料電池は、電解キャパシタとはずみ車システムの最小作動電圧より小さい最大作動電圧を持つ、請求項18に記載の電力調整器。
- バックおよびブースト変換器が、二方向変換器として組み合わされている、請求項14に記載の電力調整器。
- 低電圧電力供給が、バッテリで構成される、請求項14に記載の電力調整器。
- ブースト変換器が、空気コアスイッチ誘導器を含み、空気コア誘導器は高い過電流を短時間通すことができる、請求項14に記載の電力調整器。
- バックおよびブースト変換器が、二方向変換器として組み合わされている、請求項1に記載の電力調整器。
- 燃料電池が、エネルギー貯蔵媒体と並列につながれ、貯蔵媒体の最小作動電圧より小さい最大作動電圧を持つ、請求項1に記載の電力調整器。
- ブースト変換器が、空気コアスイッチ誘導器を含み、空気コア誘導器は高い過電流を短時間通すことができる、請求項1に記載の電力調整器。
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