JP2006238589A

JP2006238589A - 電力システム

Info

Publication number: JP2006238589A
Application number: JP2005049133A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Hamada; 研一濱田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: JP4622578B2

Abstract

【課題】燃料電池と二次電池のような蓄電装置を含む電力システムにおいて、燃料電池の効率低下を防止するとともに、安定・確実に燃料電池と蓄電装置との組み合わせによる間欠運転を実現する。
【解決手段】第１電力源１、および第２電力源２と、第１電力源に接続される第１端子１２と第２電力源に接続される第２端子１１との間で電圧を変換する電圧変換器３と、第１電力源１と電圧変換器３の第１端子１２との間を切断可能に接続するスイッチ手段５と、スイッチ手段５を切断するときおよびスイッチ手段５を接続するときに、電圧変換器３の第１端子１２の電圧と第１電力源１の出力電圧との差を所定電圧差の範囲に制御する電圧変換器制御手段１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力システムに関する。

燃料電池は、一般に電流の少ない軽負荷域で効率が低下する。このため、燃料電池によって電力を供給するシステムとしては、燃料電池と二次電池、コンデンサ等の蓄電装置とを組み合わせて構成されるものが提案されてきた。例えば、特許文献１に記載の燃料電池を含む車両は、要求電力が燃料電池の発電効率の低い範囲の値のときに、燃料電池の発電を停止して二次電池から電力供給を行っている。

すなわち、この車両は、このような要求電力の領域では、燃料電池とその周辺で稼働する補機とを停止し、その間、二次電池よりＥＣＵ、照明等、車両に必要なエネルギを供給し、走行する場合も、二次電池でモータを駆動する。

このように燃料電池の運転を一時的に停止する間欠運転を行う場合、特許文献１に記載の技術では、燃料電池の停止は、燃料電池の出力端子に対向して接続されるＤＣＤＣコンバータの出力電圧を上昇させ、燃料電池の出力端子からの電流の流出を停止させることで実施している。

図５および図６に、そのようなシステムに使用されるＤＣＤＣコンバータの例を示す。いずれの例でも、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、単にトランジスタという）Ｔ１〜Ｔ４あるいは、Ｔ６〜Ｔ７により、インダクタＬへの励磁をオン・オフしている。このようにして、入力側のエネルギをインダクタＬに蓄積し、さらにインダクタＬに蓄積されたエネルギを出力側に伝達することで、ＤＣＤＣコンバータの両側の電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とを互いに変換していた。そして、従来は、Ｖ１として、二次電池の出力電圧を入力し、その変換後の電圧を燃料電池の出力端子に加えることで、燃料電池からの電流の流出を停止させていた。

また、例えば、特許文献２に記載の技術では、燃料電池とコンバータを有する二次電池とを負荷に並列に接続し、間欠運転時には、負荷から燃料電池を切り離すことで間欠運転を実施する。
特開２００１−３０７７５８号公報特開２００４−１４１５９号公報

上述した特許文献１記載の技術では、発電効率の低い軽負荷域での燃料電池からの出力は停止するものの、ＤＣＤＣコンバータ中では、トランジスタのオン・オフによりインダクタＬが断続的に励磁されていた。このため、ＤＣＤＣコンバータ中で、トランジスタのオン・オフによるスイッチ損およびインダクタの励磁の切り替えによるインダクタンス損が発生し、燃料電池システムの効率低下の原因となっていた。

一方、特許文献２に記載の技術では、不用意に燃料電池を負荷から切り離したとき、燃料電池と二次電池のコンバータ出力端子との間で電位差があった場合に、いわゆるアーク電流が発生し、遮断できない虞がある。また、不用意に燃料電池を負荷に接続するときに
、燃料電池と二次電池のコンバータ出力端子との間で電位差があった場合に、過大な電流が燃料電池と二次電池との間を流れ、装置を破損する可能性がある。

本発明の目的は、燃料電池と二次電池のような蓄電装置を含む電力システムにおいて、燃料電池の効率低下を防止するとともに、安定・確実に燃料電池と蓄電装置との組み合わせによる間欠運転を実現することにある。

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、第１電力源、および第２電力源と、前記第１電力源に接続される第１端子と前記第２電力源に接続される第２端子との間で電圧を変換する電圧変換器と、前記第１電力源と前記電圧変換器の第１端子との間を切断可能に接続するスイッチ手段と、前記スイッチ手段を切断するときおよび前記スイッチ手段を接続するときに、前記電圧変換器の第１端子の電圧と前記第１電力源の出力電圧との差を所定電圧差の範囲に制御する電圧変換器制御手段とを備える電力システムである。

本電力システムによれば、前記第１電力源と前記電圧変換器の第１端子との間を切断可能に接続するスイッチ手段を切断するときおよび接続するときに、前記電圧変換器の第１端子の電圧と前記第１電力源の出力電圧との差を所定電圧差の範囲に制御するので、スイッチ手段を切断するときの電位差によりアーク電流等が発生可能性を低減できる。さらに、スイッチ手段を接続するときに、前記第１電力源と前記電圧変換器との間で過大な電流が流れ、第１電力源、前記電圧変換器、または第２電力源等を損傷する可能性を低減できる。

また、本電力システムは、前記電圧変換器の第１端子に接続される負荷への電力供給停止の可否を判定する手段と、前記負荷への電力供給停止が可能な場合に、前記電圧変換器の動作を停止する電圧変換器停止手段をさらに備えるようにしてもよい。このような構成により、第１端子に接続される負荷に電力を供給する必要がない場合に、電圧変換器の動作を停止し、電力システムのエネルギ効率を向上できる。

燃料電池と二次電池のような蓄電装置を含む電力システムにおいて、燃料電池の効率低下を防止するとともに、安定・確実に燃料電池と蓄電装置との組み合わせによる間欠運転を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムを説明する。

《第１実施形態》
以下、図１および図２の図面に基づいて本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図１は、本燃料電池システムのシステム構成図であり、図２は、図１のＥＣＵ１０が実行する間欠運転制御処理のフローチャートである。

図１に示すように、この燃料電池システムは、燃料電池１（本発明の第１電力源に相当）と、燃料電池１によって発電された電力を蓄積する蓄電装置２（本発明の第２電力源に相当）と、燃料電池１と蓄電装置２との間で電圧を変換するＤＣＤＣコンバータ３（ＤＣ／ＤＣコンバータともいう。本発明の電圧変換器に相当）とを備える。また、図１に示すように、燃料電池１の出力端子１３と、燃料電池１の出力端子１３に対向するＤＣＤＣコンバータ３の入出力端子１２とは、リレー５（本発明のスイッチ手段に相当）およびダイ
オード４を介して接続されている。さらに、燃料電池１３の出力端子１３と、燃料電池１３の出力端子１３に対向するＤＣＤＣコンバータ３側の入出力端子１２とは、各々電圧センサ６と、電圧センサ７とが接続され、各々個別に端子電圧を測定している。

燃料電池１は、いわゆるセルスタックから構成される燃料本体と、反応ガスの供給系、排出系、冷却水の供給系等を含む発電機能を提供する。

蓄電装置２は、例えば、二次電池、コンデンサ等であり、燃料電池１で発電された電力によりＤＣＤＣコンバータ３を通じて充電される。また、蓄電装置２は、不図示の回生制動装置等で発生する電力によっても充電される。そして、燃料電池１が間欠運転する場合、あるいは、燃料電池１の発電量が不足する場合に、蓄電装置２に蓄積された電力が負荷２１に供給される。

本実施形態では、図１に示すように、負荷２１は、蓄電装置２の出力端子１４よびＤＣＤＣコンバータ３の入出力端子１１に対して並列に接続される。ここで、負荷２１は、例えば、車両を駆動するモータ、車両の照明、車載器、無線通信機、カーオーディオ等である。なお、図１には、明示されていないが、負荷２１には、不図示の電圧変換手段（ＤＣＤＣコンバータ３以外のもの）が含まれてもよい。

ＤＣＤＣコンバータ３は、リレー５が閉じた状態では、燃料電池１の出力電圧と、蓄電装置２の出力電圧を相互に変換し、双方向に電力を供給する。すなわち、燃料電池１の出力端子１３の出力電圧が、燃料電池１の出力端子１３に対向するＤＣＤＣコンバータ３の入出力端子１２の電圧より高い場合、燃料電池１は、ＤＣＤＣコンバータ３を通じて蓄電装置２および負荷２１に電力を送り込む。

一方、燃料電池１の出力端子１３の出力電圧が、燃料電池１の出力端子に対向するＤＣＤＣコンバータ３の入出力端子１２の電圧より低い場合、ダイオード４が遮断状態となり、燃料電池１からの電力の供給は停止する。この状態では、例えば、負荷２１には、蓄電装置２から電力が供給される。

ＥＣＵ１０は、電子制御ユニットとよばれ、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を有している。ＥＣＵ１０は、不図示の入出力インターフェースを通じて、燃料電池１、ＤＣＤＣコンバータ３およびリレー５に制御信号を送り、この燃料電池システムの運転を制御する。例えば、ＥＣＵ１０は、燃料電池１への反応ガスの供給、オフガスの排出、その他各種バブルの開閉、燃料電池１に付属する不図示の補機の運転、燃料電池１の温度等を制御する。また、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ３のスイッチングのデューティ比を制御し、変換される電圧値を制御する。また、ＥＣＵ１０は、リレー５の開閉状態を制御する。

本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の出力電力が少ない軽負荷域では、ＥＣＵ１０は、燃料電池１および不図示の補機の運転を停止、蓄電装置２から負荷２１に電力を供給する間欠運転を実行する。その際、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ３の入出端子１２の電圧を燃料電池１の出力端子１３の電圧以上で、かつダイオード４の絶縁耐圧の範囲内の電圧に制御し、燃料電池１の出力端子１３からの電流の流出を停止した上で、リレー５を開放する。

また、間欠運転を停止し、燃料電池１の連続運転に戻す場合には、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ３の入出端子１２の電圧を燃料電池１の出力端子１３の電圧以上で、かつダイオード４の絶縁耐圧の範囲内の電圧に制御した上で、リレー５を閉じる。

図２は、ＥＣＵ１０が実行する間欠運転制御処理のフローチャートである。この処理では、ＥＣＵ１０は、まず、所定のレジスタを参照し、現在間欠運転が実施中であるか否かを判定する（Ｓ１）。

間欠運転実施中でない場合、ＥＣＵ１０は、間欠運転の要求があるか否かを判定する（Ｓ２）。間欠運転の要求は、ユーザがマニュアル操作して行うこともある。また、燃料電池１に対して負荷２１が要求する電力に応じて、ＥＣＵ１０自身が間欠運転を要求する場合もある。

間欠運転の要求がない場合、ＥＣＵ１０は、間欠運転制御処理を終了する。一方、間欠運転の要求がある場合、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ３に対して燃料電池１の出力端子１３に対向する入出力端子１２の電圧が燃料電池１の出力電圧に一致するように、ＤＣＤＣコンバータ３を設定する（Ｓ３）。この処理を実行するＥＣＵ１０が本発明の電圧変換器制御手段に相当する。

具体的には、ＥＣＵ１０は、燃料電池１の出力端子１３の電圧（出口電圧ともいう）を電圧センサ６により、読み取る。そして、ＥＣＵ１０は、その読み取った電圧値と一致するか、または、その電圧値を上回りダイオード４の絶縁耐圧の範囲の設定電圧を決定する。そして、ＥＣＵ１０は、入出力端子１２の電圧が設定電圧になるように、ＤＣＤＣコンバータ３を制御する。

次に、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ３の入出端子１２の出口電圧を電圧センサ７により測定する。そして、測定された出口電圧が、上記設定電圧になったか否かを判定する（Ｓ４）。そして、測定された出口電圧が、上記設定電圧になった場合、すなわち、ＤＣＤＣコンバータ３の入出端子１２の電圧が燃料電池１の出力電圧（ＦＣ総電圧ともいう）に、一致したか、これを上回った場合に、ＥＣＵ１０は、リレー５を開放する（Ｓ５）。

次に、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ３を停止する（Ｓ６）。具体的には、例えば、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ３内でのインダクタを励磁するスイッチング信号の発生を停止させる。これにより、ＤＣＤＣコンバータ３内のスイッチング損、およびインダクタンス損の発生を低減できる。

また、Ｓ１の判定で、間欠運転実施中の場合、ＥＣＵ１０は、間欠運転終了要求があったか、否かを判定する（Ｓ１１）。間欠運転の終了要求は、ユーザがマニュアル操作して行うこともある。また、燃料電池１に対して負荷２１が要求する電力に応じて、例えば、負荷２１が重くなって燃料電池１の発電効率が上昇した場合に、ＥＣＵ１０自身が間欠運転終了を要求するようにしてもよい。

間欠運転終了の要求がない場合、ＥＣＵ１０は、本間欠運転制御処理を終了する。一方、間欠運転終了の要求がある場合、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ３に対して燃料電池１の出力端子１３に対向する入出力端子１２の出口電圧が燃料電池１の出力電圧に一致するように、ＤＣＤＣコンバータ３を設定する（Ｓ１３）。

次に、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ３の入出端子１２の出口電圧が、燃料電池１の出力電圧に一致したか（またはダイオード４の絶縁耐圧の範囲で燃料電池１の出力電圧を上回ったか）否かを判定する（Ｓ１４）。Ｓ１３およびＳ１４の処理は、Ｓ３およびＳ４の処理と同様である。

そして、入出端子１２の電圧が、燃料電池１の出力電圧に一致したかまたはダイオード
４の絶縁耐圧の範囲で燃料電池１の出力電圧を上回った場合、ＥＣＵ１０は、リレー５を接続状態にする（Ｓ１５）。このように、入出端子１２の出口電圧が、燃料電池１の出力電圧に一致したかまたはダイオード４の絶縁耐圧の範囲で燃料電池１の出力電圧を上回った状態で、リレー５を接続するので、接続時に、リレー５を介して燃料電池１とコンバータ３との間で、過大な電流が流れることを低減できる。

《第２実施形態》
以下、図３に基づいて本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図３は、本燃料電池システムのシステム構成図である。上記第１実施形態に係る燃料電池システムでは、負荷２１は、蓄電装置２の出力端子１４よびＤＣＤＣコンバータ３の入出力端子１１に対して並列に接続された。すなわち、負荷２１は、燃料電池１から見た場合に、ＤＣＤＣコンバータ３を介して接続されていた。一方、本実施形態では、そのような負荷２１の他、さらに、ダイオード４およびリレー５を通じて燃料電池１に接続される負荷２２が設けられる。負荷２２にも、負荷２１と同様に、不図示の電圧変換手段（ＤＣＤＣコンバータ３以外のもの）が含まれてもよい。

このような負荷２１および負荷２２が接続された燃料電池システムでは、リレー５を開放し、さらに、ＤＣＤＣコンバータ３を停止した場合には、負荷２２に電力が供給されないことになる。そこで、このような構成では、ＤＣＤＣコンバータ３を停止する前に、負荷２２への電力供給が停止可能な状態にあるか否かを判定する必要がある。

他の構成および作用は、第１実施形態の場合と同様である。そこで、第１実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図３において、ＥＣＵ１０は、燃料電池システムを含むシステム（例えば、車両）の利用者からの操作信号を監視している。操作信号は、例えば、イグニッションキーの操作、アクセルペダルの踏み込み量を検出するエンコーダ、エアコンディショナのオンオフスイッチ、照明のオンオフスイッチ、車載器の電源スイッチ、オーディオの電源スイッチ等により発せられる。

また、ＥＣＵ１０は、上記車両の各種状態検出信号を監視している。例えば、エアコンディショナの自動温度設定回路の出力信号、燃料電池１の温度センサ出力、燃料電池１の電流値、電圧値等である。

そして、ＥＣＵ１０は、これらの操作信号および状態検出信号に対応して電力を供給すべき電力供給先を判定する。さらに、ＥＣＵ１０は、それらの電力供給先が負荷２１と負荷２２のいずれに含まれるか否かを判定する。そして、ＥＣＵ１０は、現時点において、負荷２２に対して、電力供給が要求されているか否かを判定する。この処理を実行するＥＣＵ１０が本発明の電力供給停止の可否を判定する手段に相当する。

そして、現在時点で、負荷２２への電力供給が要求されていない場合、ＥＣＵ１０は間欠運転を実行する。この処理を実行するＥＣＵ１０が本発明の電圧変換器停止手段に相当する。間欠運転に伴う制御処理は、図２のＳ２からＳ６と同様であるので、その説明を省略する。このように、燃料電池１に接続される負荷２２への電力供給の遮断が可能な場合に、ＤＣＤＣコンバータ３が停止されることになる。

また、間欠運転実行中に、操作信号および状態検出信号のいずれかに基づき、負荷２２に電力供給の必要が発生した場合には、所定の割り込み処理が起動される。この割り込み処理により、ＥＣＵ１０は、間欠運転の状態から通常の制御状態に移行する。このとき、ＥＣＵ１０は、図２のＳ１１からＳ１５と同様のステップを実行する。これにより、燃料
電池１からリレー５およびダイオード４を介して負荷２２に電力が供給されることになる。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムによれば、ユーザの操作信号およびシステムの状態検出信号に応じて、燃料電池１に接続される負荷２２への電力供給の必要性を判定し、電力供給の遮断が可能な場合に、間欠運転が実施される。したがって、本実施形態においては、燃料電池１に接続される負荷２２への電力供給の遮断が可能な場合に、ＤＣＤＣコンバータ３が停止され、スイッチング損およびインダクタンス損を低減できる。

《第３実施形態》
以下、図４に基づいて本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図４は、本燃料電池システムのシステム構成図である。上記第２実施形態では、燃料電池１に接続される負荷２２への電力供給の遮断が可能な場合に、間欠運転を実施する燃料電池システムについて説明した。

本実施形態では、燃料電池１の間欠運転実行時に、燃料電池１に接続される負荷２２を他のＤＣＤＣコンバータ３Ａを介して蓄電装置２に接続する例を説明する。他の構成および作用は、第２実施形態の場合と同様である。そこで、同一の要素については、第２と同一の符号を付してその説明を省略する。

すなわち、図４においては、図３と同様、負荷２２がダイオード４およびリレー５を介して燃料電池１の出力端子１３に接続されるとともに、ＤＣＤＣコンバータ３の入出力端子１２に接続されている。また、本実施形態では、負荷２１は、省略されている。

また、本燃料電池システムには、ＤＣＤＣコンバータ３と並列にＤＣＤＣコンバータ３Ａが設けられている。さらに、本燃料電池システムには、負荷２２をＤＣＤＣコンバータ３と３Ａとに切り替えて接続するスイッチＳＷ１が設けられている。スイッチＳＷ１は、ＥＣＵ１０の制御により切り替えられる。

さらに、本燃料電池システムには、蓄電装置２の出力端子１４をＤＣＤＣコンバータ３と３Ａとに切り替えて接続するスイッチＳＷ２が設けられている。スイッチＳＷ２も、ＥＣＵ１０の制御により切り替えられる。

このような構成において、ＥＣＵ１０は、図２のフローチャートと同様の手順にて間欠運転を実行する。ただし、本実施形態の処理では、ＥＣＵ１０は、リレー５を開放した後、ＤＣＤＣコンバータ３を停止する前に、ＳＷ１をＤＣＤＣコンバータ３Ａに接続する。そして、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ３を停止するとともに、ＳＷ２により、蓄電装置２の電力をＤＣＤコンバータ３Ａに供給する。

このような制御により、ＤＣＤＣコンバータ３が停止した場合も、蓄電装置２に蓄積された電力がＤＣＤＣコンバータ３Ａを介して負荷２２に供給される。このように、本燃料電池システムによれば、燃料電池１に接続され、間欠運転時にＤＣＤＣコンバータ３を通じて電力を供給される負荷２２が存在する場合も、間欠運転を実行し、さらにＤＣＤＣコンバータ３を停止できる。

本燃料電池システムのような制御によれば、多数のＤＣＤＣコンバータ３、３Ａ等を有しているシステムにおいて、特定のＤＣＤＣコンバータ３Ａ等だけを稼働させて損失を低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。間欠運転制御処理のフローチャートである。本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。従来のＤＣＤＣコンバータの構成図である。他のＤＣＤＣコンバータの構成図である。

符号の説明

１燃料電池
２蓄電装置
３ＤＣＤＣコンバータ
４ダイオード
５リレー
６、７電圧センサ
１０ＥＣＵ

Claims

第１電力源、および第２電力源と、
前記第１電力源に接続される第１端子と前記第２電力源に接続される第２端子との間で電圧を変換する電圧変換器と、
前記第１電力源と前記電圧変換器の第１端子との間を切断可能に接続するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段を切断するときおよび前記スイッチ手段を接続するときに、前記電圧変換器の第１端子の電圧と前記第１電力源の出力電圧との差を所定電圧差の範囲に制御する電圧変換器制御手段とを備える電力システム。
前記電圧変換器の第１端子に接続される負荷への電力供給停止の可否を判定する手段と、
前記負荷への電力供給停止が可能な場合に、前記電圧変換器の動作を停止する電圧変換器停止手段をさらに備える請求項１に記載の電力システム。