JP2006524883A - Power converter architecture and method for integrated fuel cell based power supply - Google Patents
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Abstract
燃料電池ベースの電源は、性能を高めるために、燃料電池スタックの時々の電気的短絡を可能にする主パワーコンバータ及び制御部を備える。さらに、パワーコンバータは、短絡後、負荷から燃料電池スタックを一時的に分離し、燃料電池スタックが開放回路電圧に戻ることを可能にし得るか、及び/又は燃料電池スタックが負荷に電流を供給しかつ電力貯蔵装置を再充電する間に、安定作動を行うために短絡後の期間中に電流制限を行う。The fuel cell based power supply includes a main power converter and a controller that allows occasional electrical shorts of the fuel cell stack to enhance performance. Further, the power converter may temporarily isolate the fuel cell stack from the load after a short circuit, allowing the fuel cell stack to return to an open circuit voltage, and / or the fuel cell stack supplies current to the load. And, during recharging of the power storage device, the current is limited during the period after the short circuit in order to perform stable operation.
Description
本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法は、一般に、燃料電池システム、より詳しくは、1つ以上の燃料電池システムを含む電源の出力電力、電圧及び/又は電流の制御に関する。 The power converter architecture and method of the present invention generally relates to control of output power, voltage and / or current of a fuel cell system, and more particularly, a power source including one or more fuel cell systems.
電気化学的燃料電池は燃料と酸素を電気に変換する。固体ポリマの電気化学的燃料電池は、一般に、炭素繊維紙又は炭素布のような多孔性の導電性シート材料の層を典型的に備える2つの電極の間に配置されたイオン交換膜又は固体ポリマ電解液を含む膜電極アセンブリ(「MEA」)を使用する。MEAは、所望の電気化学反応を誘発するために、典型的に、それぞれの膜電極界面に、細かく刻まれた白金の形態の触媒層を含む。作動時、電極は、外部回路を通して電極の間に電子を導くために電気的に結合される。典型的に、いくつかのMEAが電気的に直列結合されて、所望の電力出力を有する燃料電池スタックを形成する。 Electrochemical fuel cells convert fuel and oxygen into electricity. Solid polymer electrochemical fuel cells generally comprise an ion exchange membrane or solid polymer disposed between two electrodes typically comprising a layer of porous conductive sheet material such as carbon fiber paper or carbon cloth. A membrane electrode assembly (“MEA”) containing electrolyte is used. The MEA typically includes a finely chopped platinum form catalyst layer at each membrane electrode interface to induce the desired electrochemical reaction. In operation, the electrodes are electrically coupled to conduct electrons between the electrodes through an external circuit. Typically, several MEAs are electrically coupled in series to form a fuel cell stack having a desired power output.
典型的な燃料電池において、MEAは、2つの導電性の流体フローフィールドプレート又はセパレータプレートの間に配置される。流体フローフィールドプレートは、燃料及び酸素を電極、すなわちアノード及びカソードそれぞれに方向付けるための流路を有する。流体フローフィールドプレートは、集電装置として作用し、電極用の支持部を提供し、燃料及び酸素用のアクセスチャネルを提供し、また燃料電池作動中に形成されるような反応生成物の除去用のチャネルを提供する。燃料電池システムは、反応の維持に反応生成物を使用することが可能である。例えば、イオン交換膜を水和するために、及び/又は燃料電池スタックの温度を維持するために、反応水の使用が可能である。 In a typical fuel cell, the MEA is placed between two conductive fluid flow field plates or separator plates. The fluid flow field plate has flow paths for directing fuel and oxygen to the electrodes, ie, the anode and cathode, respectively. The fluid flow field plate acts as a current collector, provides support for the electrodes, provides an access channel for fuel and oxygen, and for removal of reaction products such as those formed during fuel cell operation. Provide channels. Fuel cell systems can use reaction products to maintain the reaction. For example, reaction water can be used to hydrate the ion exchange membrane and / or to maintain the temperature of the fuel cell stack.
電流を生成するスタックの能力は、利用可能な反応物量の直接の関数である。反応物流の増加は反応物の有効性を高める。スタック電圧は、スタック電流に対して逆に非線形の数学的関係で変化する。所定の反応物流におけるスタック電圧とスタック電流との間の関係は、典型的に、燃料電池スタックの分極曲線として示される。1組又は1団の分極曲線は、様々な反応物流量におけるスタック電圧・電流の関係を示すことができる。燃料電池スタックは、一般に、低負荷の下でより効率的である。 The stack's ability to generate current is a direct function of the amount of reactant available. Increasing the reactant stream increases the effectiveness of the reactants. The stack voltage changes in a non-linear mathematical relationship with respect to the stack current. The relationship between stack voltage and stack current for a given reaction stream is typically shown as a polarization curve for the fuel cell stack. A set or group of polarization curves can indicate the stack voltage-current relationship at various reactant flow rates. Fuel cell stacks are generally more efficient under low loads.
大部分の用途において、燃料電池システムからほぼ一定の電圧出力を維持することが望ましい。1つの方法は、負荷の要求が燃料電池スタックの出力を超えた場合に追加電流を提供するための燃料電池システムと電気的に並列に結合されたバッテリを使用し、また燃料電池スタックの出力が負荷の要求を超えた場合に電流を貯蔵することである。 In most applications, it is desirable to maintain a nearly constant voltage output from the fuel cell system. One method uses a battery electrically coupled in parallel with the fuel cell system to provide additional current when the load demand exceeds the output of the fuel cell stack, and the output of the fuel cell stack is It is to store current when the load requirement is exceeded.
燃料電池ベースの電源用の異なる多くの実際的な用途は、非常に多様な異なる電力/電圧供給能力を必要とする。典型的に、このことは、実際に必要とされるよりも高い評価を有する燃料電池スタックを使用することを必要とするか、あるいは代わりに、特定の用途のために燃料電池スタックを特別に設計することを必要とする。大部分の場合、用途が必要とするよりも多くの電力を提供できる電源を使用することは、法外に高価であり、運転上非効率である。各潜在的用途の要求を満たすことができる異なる電源のインベントリを設計、製造、検証、また維持することは、同様に高価であり、非効率である(例えば、電力で1kW、2kW、5kW、10kW等、電圧で24V、48V等)。さらに、費用を大きく増加することなく、電源の信頼性を高めることが望ましい。このように、より廉価、あまり複雑でない、より柔軟な、及び/又はより効率的な燃料電池ベースの電源に対するアプローチが望ましい。 Many different practical applications for fuel cell based power supplies require a very wide variety of different power / voltage supply capabilities. Typically, this requires the use of a fuel cell stack that has a higher rating than is actually required, or alternatively, the fuel cell stack is specifically designed for a particular application You need to do. In most cases, using a power source that can provide more power than the application requires is prohibitively expensive and operationally inefficient. Designing, manufacturing, validating, and maintaining different power supply inventory that can meet the requirements of each potential application is equally expensive and inefficient (eg, 1 kW, 2 kW, 5 kW, 10 kW in power) Etc., 24V, 48V etc. in voltage). Furthermore, it is desirable to increase the reliability of the power supply without significantly increasing the cost. Thus, a cheaper, less complex, more flexible and / or more efficient approach to fuel cell based power supplies is desirable.
本明細書で教示する燃料電池システム及び方法は、追加の回路を必要とすることなく、DC/DCパワーコンバータのスイッチを使用して、短絡機能、開放回路電圧回復機能、及び再充電中の電流制限機能を含む電流パルス化作動を行うことが有利である。 The fuel cell system and method taught herein uses a DC / DC power converter switch without the need for additional circuitry to provide a short circuit function, an open circuit voltage recovery function, and a current during recharging. It is advantageous to perform a current pulsing operation including a limiting function.
一態様では、第1の側と第2の側とを備える主パワーコンバータと、主パワーコンバータの第1の側に電気的に結合された燃料電池スタックと、主パワーコンバータの第2の側に電気的に結合された負荷と、を備える燃料電池システムを作動する方法は、電流パルス化作動を開始すべき時間を決定するステップと、主パワーコンバータの第1の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間中に、電流パルス化作動の少なくとも一部分として燃料電池スタックから高電流パルスを生成するステップとを含む。本方法は、主パワーコンバータの第1の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間中に、電流パルス化作動の少なくとも一部分として燃料電池スタックから高電流パルスを生成するステップを含むことが可能であり、主パワーコンバータの第1の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間中に燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップを含む。本方法は、燃料電池スタックと、主パワーコンバータの第1の側のいくつかのスイッチの少なくとも1つとに電気的に直列結合されたインダクタを、電流パルス化期間中に飽和させるステップをさらに含むことが可能である。本方法は、主パワーコンバータの第2の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間の少なくとも一部分中に負荷から主パワーコンバータを電気的に絶縁するステップをさらに含むことが可能である。本方法は、主パワーコンバータの第1の側及び第2の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間に続くブリッジオフ期間中に主パワーコンバータの第2の側からの電流を停止するステップをさらに含むことが可能である。本方法は、主パワーコンバータの第1の側及び第2の側の少なくとも一方のいくつかのスイッチを選択的に作動して、ブリッジオフ期間に続く電流制限期間中に主パワーコンバータの第2の側からの電流を規定閾値に制限するステップをさらに含むことが可能である。 In one aspect, a main power converter comprising a first side and a second side, a fuel cell stack electrically coupled to the first side of the main power converter, and a second side of the main power converter A method of operating a fuel cell system comprising: an electrically coupled load; determining a time at which to start a current pulsing operation; and selecting a number of switches on the first side of the main power converter And generating high current pulses from the fuel cell stack as at least part of the current pulsing operation during the current pulsing period. The method selectively activates several switches on the first side of the main power converter to generate high current pulses from the fuel cell stack as at least part of the current pulsing operation during the current pulsing period. Steps may be included, including selectively actuating several switches on the first side of the main power converter to electrically short the fuel cell stack during the current pulsing period. The method further includes saturating an inductor electrically coupled in series with the fuel cell stack and at least one of the switches on the first side of the main power converter during the current pulsing period. Is possible. The method further includes selectively actuating some switches on the second side of the main power converter to electrically isolate the main power converter from the load during at least a portion of the current pulsing period. Is possible. The method selectively activates several switches on the first side and the second side of the main power converter from the second side of the main power converter during the bridge off period following the current pulsing period. The method may further include a step of stopping the current. The method selectively activates a number of switches on at least one of the first side and the second side of the main power converter so that the second of the main power converter during the current limit period following the bridge off period. It may further comprise the step of limiting the current from the side to a specified threshold.
さらに他の態様では、入力部と、出力部と、入力部と出力部との間に電気的に結合された変圧器と、入力部と変圧器の1次側との間に電気的に結合された選択的に作動可能ないくつかの1次側スイッチと、出力部と変圧器の2次側との間に電気的に結合された選択的に作動可能ないくつかの2次側スイッチと、入力部と変圧器の1次側との間に電気的に直列結合されたインダクタとを備える燃料電池システムのパワーコンバータを作動する方法は、ブースト変換期間中に変圧器の第1の側から変圧器の第2の側に電流をブースト変換するステップと、1次側スイッチを閉じて、電流パルス化期間中に燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップと、2次側スイッチを開いて、電流パルス化期間中に変圧器の2次側を電気的に切り離すステップとを含む。 In yet another aspect, the input unit, the output unit, the transformer electrically coupled between the input unit and the output unit, and the electrical coupling between the input unit and the primary side of the transformer. A number of selectively actuable primary switches, and a number of selectively actuable secondary switches electrically coupled between the output and the secondary side of the transformer; A method for operating a power converter of a fuel cell system comprising an inductor electrically coupled in series between an input and a primary side of a transformer is provided from a first side of a transformer during a boost conversion period. Boost converting the current to the second side of the transformer, closing the primary side switch and electrically shorting the fuel cell stack during the current pulsing period, and opening the secondary side switch; The step of electrically disconnecting the secondary side of the transformer during the current pulsing period. And a flop.
さらに他の態様では、燃料電池システムは、入力部と、出力部と、第1の組のスイッチと、第2の組のスイッチと、入力部と第1の組のスイッチの少なくとも1つとの間に電気的に直列結合されたインダクタとを備える主パワーコンバータと、主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された燃料電池スタックと、主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置と、主パワーコンバータのスイッチを制御するために結合された少なくとも1つの制御器であって、第1の組のスイッチを少なくとも作動して、ブースト変換期間中に燃料電池からの電流をブースト変換し、また第1の組のスイッチを作動して、ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に燃料電池スタックから電流パルスを電気的に生成するように構成される制御器とを備える。 In yet another aspect, a fuel cell system includes an input unit, an output unit, a first set of switches, a second set of switches, and an input unit and at least one of the first set of switches. A main power converter comprising an inductor electrically coupled in series to the fuel cell stack, a fuel cell stack electrically coupled across the input of the main power converter, and a power storage electrically coupled across the output of the main power converter At least one controller coupled to control the device and a switch of the main power converter, wherein at least a first set of switches is activated to boost convert current from the fuel cell during the boost conversion period And actuating the first set of switches to electrically generate current pulses from the fuel cell stack during the current pulsing period following the boost conversion period. And a configured controller like.
別の態様では、燃料電池システムは、入力部と、出力部と、入力部と出力部との間に結合され、かつ入力部にわたって短絡経路を形成するように選択的に作動可能である少なくとも1つのスイッチと、入力部と少なくとも1つのスイッチとの間に電気的に直列結合されたインダクタとを備える主パワーコンバータと、主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された燃料電池スタックと、主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置と、主パワーコンバータの少なくとも1つのスイッチを制御するために結合された少なくとも1つの制御器であって、少なくとも1つのスイッチを作動して、ブースト変換期間中に燃料電池からの電流をブースト変換し、また少なくとも1つのスイッチを作動して、ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に燃料電池スタックを電気的に短絡させるように構成される制御器とを備える。 In another aspect, the fuel cell system is coupled to the input, the output, the input and the output, and is selectively operable to form a short circuit path across the input. A main power converter comprising one switch and an inductor electrically coupled in series between the input and at least one switch; a fuel cell stack electrically coupled across the input of the main power converter; A power storage device electrically coupled across the output of the power converter, and at least one controller coupled to control at least one switch of the main power converter, activating at least one switch During the boost conversion period, boost the current from the fuel cell and activate at least one switch to During the current pulse period subsequent to preparative conversion period and a composed controller so as to electrically short the fuel cell stack.
さらに別の態様では、燃料電池システムは、ブースト変換期間中に燃料電池スタックからの電流をブースト変換するための手段と、電流パルス化期間中に燃料電池スタックから高電流パルスを電気的に生成するための手段とを備え、ブースト変換手段及び高電流パルス生成手段は少なくとも1つのスイッチを共通に有する。 In yet another aspect, the fuel cell system electrically generates a high current pulse from the fuel cell stack during the current pulsing period and means for boost converting the current from the fuel cell stack during the boost conversion period. And the boost conversion means and the high current pulse generation means have at least one switch in common.
図面において、同一の参照番号は同様の要素又は作用を表す。図面の要素の寸法及び相対位置は、必ずしも一定縮尺比ではない。例えば、様々な要素及び角度の形状は、一定縮尺比で描かれておらず、これらの要素及び角度のあるものは、図面の理解を高めるべく任意に拡大され、また配置される。さらに、図示しているような要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関する情報を付与するようには意図されず、図面の認識を容易にするためにのみ選択されている。 In the drawings, identical reference numbers indicate similar elements or acts. The dimensions and relative positions of the elements in the drawings are not necessarily to scale. For example, the various elements and angular shapes are not drawn to scale, and these elements and angular ones are arbitrarily expanded and arranged to enhance the understanding of the drawings. Furthermore, the particular shape of the element as shown is not intended to provide information regarding the actual shape of the particular element, but is selected only to facilitate recognition of the drawing.
次の説明において、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の様々な実施形態の完全な理解を提供するために、ある特定の細部について説明する。しかし、当業者は、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法が、これらの細部なしに実施し得ることを理解するであろう。他の例では、燃料電池と関連した周知の構造体、燃料電池スタック、燃料電池システム、反応物配送システム、バッテリ及び「スーパ」又は「ウルトラ」コンデンサのような電力貯蔵装置、温度制御システム、制御器、及びDC/DCコンバータのようなパワーコンバータについては、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の実施形態の不必要に不明瞭な説明を回避するために、詳細に図示又は記載していない。 In the following description, certain specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of various embodiments of the power converter architecture and method of the present invention. However, those skilled in the art will appreciate that the power converter architecture and method of the present invention may be practiced without these details. In other examples, well-known structures associated with fuel cells, fuel cell stacks, fuel cell systems, reactant delivery systems, batteries and power storage devices such as “super” or “ultra” capacitors, temperature control systems, controls And power converters such as DC / DC converters are not shown or described in detail to avoid an unnecessarily obscuring description of power converter architecture and method embodiments of the present invention.
文脈上必要とされない限り、明細書及び続く特許請求の範囲の全体にわたって、「備える」及び「備えている」というような「備える」という用語及びそれらの変化は、開放的な包括的意味で、すなわち、「を含むが、それらに限定されない」と解釈されるべきである。 Unless required by context, throughout the specification and the following claims, the terms “comprising”, such as “comprising” and “comprising”, and variations thereof, are in an open and comprehensive sense, That is, it should be interpreted as “including but not limited to”.
図1は、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の例示した一実施形態による電力を外部負荷8に供給する電源6を示している。外部負荷8は、典型的に、車両、器具、コンピュータ及び/又は関連の周辺装置、照明、及び/又は通信装置のような、電源6によって動力供給されるべき装置を構成する。電源6はまた、1つ以上の内部負荷に、例えば、以下に説明するような制御エレクトロニクスに電力を供給し得る。
FIG. 1 illustrates a
電源6は、燃料電池システム10、主パワーコンバータ12及び電圧バス14を備える。
The
燃料電池システム10は、電気的に直列結合されたいくつかの個々の燃料電池から構成された燃料電池スタック16を備える。燃料電池スタック16は、1つ以上の反応物供給タンク又は供給源、改質器、及び/又はコンプレッサのような1つ以上の制御要素、ポンプ及び/又は弁を含み得る反応物供給システム(図示せず)を介して水素及び空気のような反応物を受容する。燃料電池スタック16の作動により、典型的に水を含む反応生成物が生成される。燃料電池システム10は、反応生成物のいくつか又はすべてを再利用することが可能である。例えば、燃料電池システム10は、水のある部分を燃料電池スタック16に戻して、正しい温度で水素及び空気を湿潤し、イオン交換膜を水和し、及び/又は燃料電池スタック16の温度を制御することが可能である。燃料電池スタック16の作動により、電圧バス14の線路14a、14b間に電圧VFCが生成される。いくつかの実施態様では、電圧バス14は、介入するスイッチ又はダイオードを使用することなく、燃料電池スタックを主パワーコンバータ12の1次側に電気的に直接結合する。これは、以下に詳細に説明する燃料電池スタック16と負荷8との間の直流絶縁を利用する。不必要なスイッチ及びダイオードを排除することにより、部品数の低減、高電流定格電力リレー及び高電流定格ダイオードのような高電流定格装置と関連する費用の低減、及びこのような装置と関連する相当の損失の低減のようないくつかの利点が提供される。
The
燃料電池システム10は、燃料電池制御器18のような1つ以上の制御器を含んでもよい。燃料電池制御器18は、様々な形態、例えば、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路(ASIC)、あるいは他のプログラミング済み又はプログラム可能な集積回路等をとることができる。燃料電池制御器18は、ON/OFFスイッチ、電圧調整スイッチ等のような1つ以上の顧客インタフェース20から入力部を受容する。燃料電池制御器18は、燃料電池スタック16の作動データ22、例えば、温度の読み取り又は測定、反応物流、及び弁及び/又はスイッチ状態を受容する。燃料電池制御器18は、燃料電池スタック16の作動を制御するための様々なアクチュエータ24に命令又はスタック制御信号を供給する。例えば、スタック制御信号24は、弁を開閉するためのソレノイドのようなアクチュエータを作動して、反応物流を開始、停止、又は調整することが可能である。
The
燃料電池システム10は、燃料電池スタック16の温度を容認可能な範囲内に維持するために、空気流28を供給するように選択的に作動可能な冷却ファン26のような1つ以上のファンあるいは燃料又は酸化剤(例えば、空気又は酸素)を燃料電池スタック16に供給するための反応物供給ファンを含む。燃料電池制御器18は、ファン速度命令30を介して冷却ファン26を制御することが可能である。
The
主パワーコンバータ12は、フルブリッジDC/DCコンバータ、プッシュプルDC/DCコンバータ、ハーフブリッジDC/DCコンバータ、フォワードDC/DCコンバータ、又はそれらの派生物のような様々な形態をとることが可能である。例えば、主パワーコンバータ12は、図1と図2に示したように、燃料電池スタック16と負荷8との間の電圧バス14に電気的に結合された絶縁のフルブリッジDC/DCコンバータパワーステージ及びドライバの形態をとり得る。図示した実施形態では、主パワーコンバータ12は、燃料電池スタック16によって生成された直流電圧VFCを負荷8に適切な所望のDC出力電圧VOUTに変換するように作動可能である。
The
インダクタ、別個のパケット又はパルスでエネルギを入力から出力に転送するためのエネルギ貯蔵部及びフィルタ要素としての変圧器又はコンデンサを使用する回路で、半導体スイッチング装置を典型的に使用する様々なDC/DCコンバータトポロジが、適切であり得る。例えば、DC/DCコンバータは、フルブリッジDC/DCコンバータトポロジ、プッシュプルDC/DCコンバータトポロジ、ハーフブリッジDC/DCコンバータトポロジ、又はフォワードDC/DCコンバータトポロジを使用し得る。特に、主パワーコンバータ12は、寸法、コスト及び重量を低減するために、高いスイッチング周波数(例えば、100kHz)アプローチを使用することが可能である。これらの及び他の適切なコンバータトポロジの詳細は、当業者には明白であろう。主パワーコンバータ12は、主パワーコンバータ12の1次側と2次側との間に絶縁を設けるために、主パワーコンバータ12の変圧器に固有の直流絶縁に依拠し得る。
Various DC / DCs that typically use semiconductor switching devices with inductors, energy storage to transfer energy from input to output in separate packets or pulses, and transformers or capacitors as filter elements A converter topology may be appropriate. For example, the DC / DC converter may use a full-bridge DC / DC converter topology, a push-pull DC / DC converter topology, a half-bridge DC / DC converter topology, or a forward DC / DC converter topology. In particular, the
主パワーコンバータ12は、当業者に明白であるように、周波数変調、パルス幅変調(すなわち、PWM)、平均電流制御及びピーク電流制御のような様々な制御技術の下で作動可能である。
The
電源6は、適切なドライバ、例えばDC/DC制御器32を介して主パワーコンバータ12を制御するために、1つ以上のパワーコンバータ制御器を含んでもよい。DC/DC制御器32は、燃料電池制御器18と関連して作動し、それらの間でデータ及び/又は命令を通信し得る。例えば、燃料電池制御器18は、DC/DC制御器32に次の信号、すなわち所望の出力電圧VOUTの値を表す電圧基準信号34、冷却ファン26の状態(例えばON/OFF;高、中、低)を表すファンイネーブル信号36、主パワーコンバータ12の所望の状態(例えばON/OFF)を表すDC/DCイネーブル信号38、及び/又は主パワーコンバータ12の状態(例えばON/OFF)を識別するウェイクアップ信号40を供給することが可能である。DC/DC制御器32は、DC/DC制御器32及び/又は主パワーコンバータ12の作動状態を識別する状態信号42を燃料電池制御器18に供給してもよい。DC/DC制御器32はまた、主パワーコンバータ12からフィードバック信号44を受信してもよい。DC/DC制御器32は、パルス幅変調信号46のような制御信号を生成して、適切なドライバを介して主パワーコンバータ12の作動を制御することが可能である。いくつかの実施形態では、スイッチ及び/又はダイオードの介入なしに、燃料電池スタック16は主パワーコンバータ12に直接結合され、主パワーコンバータ12の作動は、燃料電池スタック16と主パワーコンバータ12及び/又は負荷8との間でON/OFF制御として機能する。このように、主パワーコンバータ12をイネーブル及びディスエーブルにすることによって、燃料電池スタック16からの電力をターンON及びターンOFFすることができる。
The
電源6はまた、主パワーコンバータ12の出力側に、負荷8にわたって電気的に並列結合された「スーパ」又は「ウルトラ」コンデンサ及び/又はバッテリのような電力貯蔵装置48を含んでもよい。電力貯蔵装置48の開放電圧は、電源6の所望の最大出力電圧と同様であるように選択される。電力貯蔵装置48の内部抵抗は、主パワーコンバータ12の内部抵抗よりはるかに低いように選択され、このように、電力貯蔵装置48は、負荷8が必要とするよりも多くの電流を燃料電池スタック16が生成した場合に過電流を吸収し、また負荷8が必要とするよりも少ない電流を燃料電池スタック16が生成した場合に電流を負荷8に供給するバッファとして作用する。負荷8にわたって電力貯蔵装置48を結合することにより、燃料電池スタック16の最大出力定格要件が低減される。電力貯蔵装置48はまた、以下により詳細に説明するように、燃料電池スタック16が、例えば、始動状態、故障状態及び/又は待機状態にある場合、エネルギを電源6の内部負荷に供給する。
The
電源6は、燃料電池システム10の様々な内部負荷に電力を供給するために補助パワーコンバータ50を含む。例えば、補助パワーコンバータ50は、主パワーコンバータ12、DC/DC制御器32及び/又は燃料電池制御器18に電力を供給してもよい。単一の補助パワーコンバータ50によっても、燃料電池システムの他の内部負荷、例えば冷却ファン26に電力を供給してもよい。このように、電源6のアーキテクチャは、制御回路(例えば、DC/DC制御器32、燃料電池制御器18)に電力を供給するために使用される既存の補助パワーコンバータを利用して、燃料電池システムに典型的に見られる専用の冷却ファン電源を排除する。補助パワーコンバータ50は、広く使用されるフライバックコンバータの形態をとり得る。補助パワーコンバータ50は、例えば、補助パワーコンバータ50のフライバックトランスと関連する直流絶縁に依拠して絶縁し、電源6の残部及び/又は負荷8の間に保護を提供することが可能である。
The
電源6は、燃料電池スタック16から冷却ファン26に電力を直接供給するために、あるいは代わりに、補助パワーコンバータ50を介して冷却ファン26に電力を供給するために選択的に作動可能である1つ以上のスイッチを使用してもよい。例えば、第1のスイッチSW1は、閉状態で電圧バス14に冷却ファン26を電気的に結合し、開状態で電圧バス14から冷却ファン26を電気的に切り離すことが可能である。第2のスイッチSW2は、閉状態で補助パワーコンバータ50に冷却ファン26を電気的に結合し、開状態で補助パワーコンバータ50から冷却ファン26を電気的に切り離すことが可能である。DC/DC制御器32は、燃料電池制御器18に応答してスイッチSW1、SW2の状態(例えばON/OFF)を制御し得る。電源6は、逆電流から保護するために1対のダイオードD1、D2を含んでもよい。
The
図2は、電源6の代替実施形態を示している。ここに説明するこれらの1つ又は複数の代替実施形態及び他の代替例は、以前に説明した実施形態と実質的に同様であり、また共通の作用及び構造は同一の参照番号によって識別される。作動及び構造の大きな差のみについて以下に説明する。
FIG. 2 shows an alternative embodiment of the
特に、図2の電源6は、第1及び第2のスイッチSW1、SW2の代わりに単一のスイッチSW3、及び単一のダイオードD3を使用する。代わりに、スイッチSW3は、冷却ファン26を燃料電池スタック16に電気的に直接、あるいは補助パワーコンバータ50を介して電力貯蔵装置48に結合するために、選択的に作動可能である。この代替実施形態は、図1の実施形態よりも、作動がより簡単かつより廉価であり得るが、以下に説明する作動状態のいくつかの下では機能できない可能性がある。
In particular, the
図3Aは状態遷移図であり、また図3Bと図3Cは、電源6を作動するための状態機械100を示した状態遷移表である。
FIG. 3A is a state transition diagram, and FIGS. 3B and 3C are state transition tables showing the
状態機械100は、様々な状態又は作動モードを含み、作動モードのいくつかは、顧客インタフェース20でユーザが適切な制御を選択することによって作動され、またある作動条件に応答して燃料電池制御器18及び/又はDC/DC制御器32を介して他の作動モードに自動的に入る。
The
図3Aは状態機械100の有効な遷移を示している。例えば、電源6は、オフ状態102から待機状態104に移行し得る。電源6は、待機状態104からオフ状態102に又は始動状態106に移行し得る。電源6は、始動状態106から待機状態104に、故障状態108に、又はアイドル状態110に移行し得る。電源6は、故障状態108から待機状態104に移行し得る。電源6は、アイドル状態110から故障状態108に又はブースト状態112に移行し得る。電源6は、ブースト状態112から故障状態108に又はアイドル状態110に移行し得る。
FIG. 3A shows a valid transition of
上記の移行は、状態遷移図(図3A)に矢印で示され、矢印の各々は、状態遷移表(図3Bと図3C)の移行部を表す参照番号を有する。 The above transitions are indicated by arrows in the state transition diagram (FIG. 3A), and each arrow has a reference number that represents a transition portion of the state transition tables (FIGS. 3B and 3C).
オフ状態102は、電源6の開始状態である。オフ状態102では、燃料電池スタック16、主パワーコンバータ12、燃料電池制御器18、冷却ファン26、DC/DC制御器32及び/又は補助パワーコンバータ50のような様々なサブシステムは、作動していない。
The
待機状態104は、ウェイクアップ命令を受信した後に制御器を作動状態に維持し、一方、制御器用の管理電源が作動され、また電源6の制御器がウェイクアップされて、顧客インタフェース20と通信する態勢にある。待機状態104は、顧客インタフェース20を介して適切なユーザ入力によって作動され得る。待機状態104に入るために、燃料電池制御器18は、DC/DC制御器32が第1のスイッチSW1を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、燃料電池スタック16から冷却ファン26を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器18はまた、DC/DC制御器32が第2のスイッチSW2を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、補助パワーコンバータ50から冷却ファン26を電気的に切り離すようにさせる。さらに、燃料電池制御器18は、例えば、燃料電池スタック16への反応物流を停止することによって、燃料電池スタック16をディスエーブルにする。さらに、燃料電池制御器18は、DC/DC制御器32が主パワーコンバータ12をディスエーブルにするようにさせる。
The
適切なON/OFFスイッチのユーザ選択、あるいは公共又は民間の電気配線網のような独立した電力源からの電力損失の自動感知に応答して、始動状態106に入ることが可能である。始動状態106は、電源6の様々なサブシステムが作動レベルに達することを可能にし、例えば、燃料電池スタック16がその開放電圧VOCに達することを可能にし得る。始動状態106に入るために、燃料電池制御器18は、DC/DC制御器32が第1のスイッチSW1を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、ステップ106で、電圧バス14から冷却ファン26を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器18はまた、DC/DC制御器32が第2のスイッチSW2を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、冷却ファン26を電力貯蔵装置48に電気的に結合して、補助パワーコンバータ50を介して電力を受け取るようにさせる。
In response to user selection of an appropriate ON / OFF switch or automatic sensing of power loss from an independent power source, such as a public or private electrical grid, it is possible to enter the
1つ以上の作動値が範囲から出るか、あるいは何か他の誤った状態が生じた場合、故障状態108に入ることが可能であり、故障状態は、電源6ならびに負荷8の様々なサブシステムを保護する。故障状態108に入るために、燃料電池制御器18は、DC/DC制御器32が第1のスイッチSW1を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、電圧バス14から冷却ファン26を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器18はまた、DC/DC制御器32が主パワーコンバータ12をディスエーブルにするようにさせる。さらに、燃料電池制御器18は、DC/DC制御器32が第2のスイッチSW2を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、補助パワーコンバータ50を介して冷却ファン26を電力貯蔵装置48に電気的に結合するようにさせる。
If one or more operating values go out of range, or some other false condition occurs, it is possible to enter a
アイドル状態110に入って、負荷8が電力を必要としない間に、電源6を作動状態に維持することが可能である。アイドル状態110は、顧客インタフェース20を介した適切なユーザ入力によって、あるいは負荷8の損失の自動感知によって作動され得る。アイドル状態110に入るために、燃料電池制御器18は、DC/DC制御器32が第2のスイッチSW2を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、補助パワーコンバータ50から冷却ファン26を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器18はまた、DC/DC制御器32が第1のスイッチSW1を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、電圧バス14を介して冷却ファン26を燃料電池スタック16に電気的に直接結合するようにさせる。さらに、燃料電池制御器18は、DC/DC制御器32が主パワーコンバータ12をディスエーブルにするようにさせる。
While entering the
電力を負荷8に供給するために、電源6が完全に作動されると、ブースト状態112に入ることが可能である。ブースト状態112は、顧客インタフェース20を介した適切なユーザ入力によって、あるいは負荷8の損失の自動感知によって作動され得る。ブースト状態112に入るために、燃料電池制御器18は、DC/DC制御器32が第2のスイッチSW2を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、補助パワーコンバータ50から冷却ファン26を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器18はまた、DC/DC制御器32が第1のスイッチSW1を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、電圧バス14を介して冷却ファン26を燃料電池スタック16に電気的に直接結合するようにさせる。さらに、燃料電池制御器18は、DC/DC制御器32がPWM信号46を主パワーコンバータ12に供給するようにさせ、燃料スタック16から負荷8に電力を供給するために主パワーコンバータ12をイネーブルにする。
The
図4は、燃料電池システム10の別の実施形態を示し、主DC/DCパワーコンバータ12及び駆動回路をさらに詳細に示している。
FIG. 4 shows another embodiment of the
図示した実施形態では、DC/DCパワーコンバータ12は、1次側及び2次側52、54の間に直流絶縁をそれぞれ行うために、第1の側又は1次側52と、第2の側又は2次側54と、1次巻線及び2次巻線を有する変圧器Tとを備える絶縁ブースト型DC/DCコンバータの形態をとる。DC/DCパワーコンバータ12の1次側52は、燃料電池スタック16に電気的に結合され、2次側54は、負荷8と電力貯蔵装置48に電気的に結合される。
In the illustrated embodiment, the DC /
DC/DCパワーコンバータの1次側52は、2つのハーフブリッジを備えるフルブリッジ(すなわち、S1、S2、S3、S4及び関連のダイオード)を含み、各ハーフブリッジは1対のスイッチ(すなわち、S1、S3とS2、S4)によって形成される。各対のスイッチは、電圧バス14の正及び負の線路間に電気的に結合され、各対のスイッチの一方はハイスイッチ(すなわち、S1、S4)と称され、各対の他方のスイッチは、ロースイッチ(すなわち、S3、S2)と称される。変圧器Tの1次巻線の極は、それぞれのスイッチ対S1、S3とS4、S2との間に電気的に結合される。
The
さらに、DC/DCパワーコンバータ12の1次側52は、電圧バス14の正の線路で電気的に直列結合されたブーストインダクタL1と、電圧バス14にわたって電気的に結合されたコンデンサC1とを含む。ブーストインダクタL1は、ブーストコンバータ用のエネルギ貯蔵部及びフィルタ装置であり、コンデンサC1は出力電圧をフィルタ処理して、平滑にする。ブーストインダクタL1はまた、電流パルスの変化di/dtの速度を制御して、減速させ、燃料電池システム10に対する電磁干渉(EMI)エミッションを低減する。さらに、di/dt電流パルスの低減はコンデンサC1からの電流ストレスを低減する。1次側52はまた、関連技術で一般に公知であるような電圧スパイククランプ回路を含んでもよい。
Further, the
DC/DCパワーコンバータ12の2次側54はまた、2つのハーフブリッジを備えるフルブリッジを含み、各ハーフブリッジは1対のスイッチ(すなわち、S5、S7とS6、S8及び関連のダイオード)によって形成される。各対のスイッチは、電圧バス14の正及び負の線路間に電気的に結合され、各対のスイッチの一方はハイスイッチ(すなわち、S5、S8)と称され、各対の他方のスイッチは、ロースイッチ(すなわち、S7、S6)と称される。変圧器Tの2次巻線の極は、それぞれのスイッチ対S5、S7とS8、S6との間に電気的に結合される。
The
2次側54はまた、電圧バス14にわたって電気的に結合された出力コンデンサCOを含んでもよい。
The
スイッチS1−S8は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)又は他の適切なスイッチング装置、例えば、集積ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の形態をとり得る。MOSFETの各々にわたって結合されたそれぞれの本体ダイオードを典型的に有するMOSFETが、商業的に入手可能である。スイッチS1−S8は、ゲートドライブ56を介して駆動され、ゲートドライブ56は主DC/DCパワーコンバータ12の部分であり得るか、あるいは別個に用意し得る。
Switch S 1 -S 8 are metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) or other suitable switching device, for example, may take the form of an integrated gate bipolar transistor (IGBT). MOSFETs that typically have their respective body diodes coupled across each of the MOSFETs are commercially available. Switches S 1 -S 8 are driven through a
制御ロジックは、ハードウェア及び/又はソフトウェアに実装可能であり、例えば、制御ロジックはDC/DC制御器32に実装可能である。適切な制御ロジックの例について、図4を継続的に参照して以下に直ちに説明する。
The control logic can be implemented in hardware and / or software. For example, the control logic can be implemented in the DC /
電圧ループ比例積分(PI)制御器58は、DC/DCパワーコンバータ12の2次側54の出力で測定された電圧に対応する、出力電圧フィードバック回路59から電圧フィードバック信号VVFを受信する。出力電圧フィードバック回路59は、例えばオプトアイソレーターを介して、出力電圧VOに対するフィードバック電圧VVFを絶縁して、増幅する。このように、フィードバック電圧VVFは出力電圧VOを示すが、フィードバック電圧VVFは絶縁されて、増幅されている。電圧ループPI制御器58はまた、基準電圧を示す信号VO_REFを受信する。電圧ループPI制御器58は、測定電圧と基準電圧との間の差の積分に比例する信号Vigを供給する。
A voltage loop proportional integral (PI)
電流クランプ回路60は、電圧ループPI制御器58から比例信号Vigを受信する。電流クランプ回路60はまた、電流クランプ状態(例えばON/OFF)を示すロジック合成ブロック66から電流クランプイネーブル信号I_Clampを受信する。電流クランプ回路60は、電流クランプ状態に応じてクランプ又はアンクランプされる生起電流に対応する電圧を示す信号Vig_clを生成する。
電流ループPI制御器62は信号Vig_clを受信し、またDC/DCパワーコンバータ12の1次側52の出力で測定されたインダクタ電流を示す信号Vifを受信する。電流ループPI制御器62は、2つの入力信号の間の差の積分を示す信号を生成する。パルス幅変調(PWM)変調器64は、電流ループPI制御器62の結果として得られる出力を受信して、PWM信号のデューティサイクルを変更することによって対応するPWM信号を生成する。
The current loop PI controller 62 receives the signal V ig — cl and also receives a signal V if indicative of the inductor current measured at the output of the
ロジック合成ブロック66は、PWM変調器64からPWM信号を受信し、かつ電流パルス化イネーブルライン41を通して電流パルスイネーブル信号CURRENT_PULSE ENABLEを受信する。ロジック合成ブロック66はまた、スイッチS1−S8の対応するON/OFF PWM信号を発生して、PWM信号をゲートドライブ56に供給する。電流パルス化イネーブル信号CURRENT_PULSE ENABLEは、電流パルス化作動が開始すべきかどうかを示す。電流パルス化イネーブル信号CURRENT_PULSE ENABLEは、例えば、燃料電池制御器18(図1)によって発生することが可能である。ロジック合成ブロック66は、規定ロジックを適用して、PWM信号及び電流パルス化イネーブル信号CURRENT_PULSE ENABLEに従って、ゲートドライブ56を駆動する。
The
図5は、直前に説明したロジックによって実施される方法70を示している。
FIG. 5 shows a
ステップ72において、DC/DCパワーコンバータ12は通常の作動を始める。典型的に、通常の作動は、変圧器Tの1次巻線間の電圧を切り換えることによって従来の方法で燃料電池スタック16から負荷8及び/又は電力貯蔵装置48に供給される電力をブースト変換するためのスイッチS1−S4を選択的に作動することを含む。
In
同様に、2次側54のスイッチS5−S8を選択的に作動して、変圧器Tの2次巻線からの電流を整流し得るか、あるいは代わりに、DC/DCパワーコンバータ12は2次側54の受動整流を利用し得る。DC/DC制御器32及び/又はゲートドライブ56は、DC/DCパワーコンバータ12の全体の作動効率を高めるために、同期による整流制御ロジックを利用して、スイッチS5−S8を制御し得る。同期制御ロジックは、例えば比較的低い電圧用途(例えば、24V、48V、72Vのバッテリ充電器、20〜30V対200〜450V)において、特に2次側54の電流が高い場合、2次側54のスイッチS5−S8の伝導損失の低減を補助する。
Similarly, by selectively actuating the switch S 5 -S 8 of the
ステップ74で、DC/DCパワーコンバータ12が電流パルス化作動を始める。電流パルス化作動は、燃料電池スタック16のすべて又は一部分にわたる電圧降下を検出することによってトリガされることが可能であり、あるいは、例えば、燃料電池スタック16の数分の連続的又は累積的作動に基づいて(例えば、1分間に1回)周期的に、時間又は持続時間に基づきトリガされることが可能である。
In step 74, the DC /
電流パルス化作動中、DC/DCパワーコンバータ12は、電流パルス化期間中にステップ76で電流パルス化モードに入る。電流パルス化モードの部分として、DC/DCパワーコンバータ12は電流パルス78を生成する。例えば、DC/DCパワーコンバータ12は、DC/DCパワーコンバータ12の1次側52のスイッチS1−S4の各々をONにして(すなわち、閉じて)、電流パルス化期間の持続時間中に燃料電池スタック16にわたって短絡を形成することが可能である。燃料電池スタック16の短絡により、燃料電池スタック16の性能を高める高電流パルスが発生される。様々な理由で性能向上が得ることが可能である。例えば、性能向上は、燃料電池スタック16のカソード触媒構造体(図示せず)に集積する酸化物の除去から、あるいは触媒(図示せず)のアノードに吸着された一酸化炭素の除去から得られる。燃料電池システム10は、追加の回路を必要とすることなく、短絡機能を提供するためにDC/DCパワーコンバータ12のスイッチS1−S4を使用することが有利である。
During current pulsing operation, the DC /
電流パルス化期間中、DC/DCパワーコンバータ12の2次側54のスイッチS5−S8をステップ80でOFFにして(すなわち、開放して)、燃料電池スタック16から電力貯蔵装置48及び/又は負荷8を電気的に切り離すことが可能である。OFFにされると、スイッチS5−S8は、電力貯蔵装置48又は負荷8から燃料電池スタック16への電流の復帰流れを防止し、これによって、燃料電池スタック16を保護する。
During the current pulsing period, the switches S 5 -S 8 on the
同様に、電流パルス化期間中、電力貯蔵装置48はステップ82で電力を負荷8に供給し得る。
Similarly, during current pulsing, the
電流パルス化期間の終了時、DC/DCパワーコンバータ12は、ブリッジオフ期間中にステップ84でブリッジオフモードに入る。1次側52のスイッチS1−S4の各々は、ブリッジオフ期間の持続時間中にOFF(すなわち、開放)にされる。この時点で、燃料電池スタック16の電圧VFCは開放電圧VOCに向かって上昇する。通常作動を即座に始めるよりもむしろ、ブリッジオフモードは、DC/DCパワーコンバータ12の作動を一時的に停止し、燃料電池スタック16の電圧がロードなしに開放電圧VOCに回復することを可能にし、このように、スタベーション後の燃料電池スタック16の安定作動をイネーブルにする。
At the end of the current pulsing period, the DC /
ブリッジオフ期間中、パワーコンバータ12の2次側54のスイッチS5−S8の各々は、OFF状態(すなわち、開放)に留まって、電力貯蔵装置48から変圧器Tへの電流の逆流を防止することが可能である。
During the bridge off period, each of the switches S 5 -S 8 on the
上述のように、電流パルス化モード及びブリッジオフモード中に、電力貯蔵装置48は電力を負荷8に供給している。このように、電力貯蔵装置48はこれらの期間中に放出しており、また電力貯蔵装置48の端子電圧は降下している。ブリッジオフ期間が終わって、またDC/DCコンバータ12がイネーブルにされた後、燃料電池スタック16に印加された合計等価負荷は、したがって、負荷8と、電力貯蔵装置48の再充電に関連した負荷との和である。この負荷の組み合わせは、過渡的な作動中に燃料電池スタック16に過負荷をかける公算が大きく、燃料電池スタック16を低効率の高電流作動方式に引き戻す。これが生じた場合、燃料電池システム10は、それからの回復が困難な望ましくない作動点にトラップされる可能性がある。
As described above, the
短時間の「パルス化」は燃料電池スタック16の性能向上を助けるが、パルス化中の燃料電池スタック16からの電流抽出は、ピーク電力出力用の電流抽出よりも典型的に高い。電流パルス化は、燃料電池スタック16にとって非効率な作動方式である。したがって、「パルス化」の実行後、燃料電池スタック16をピーク電力点を越えて作動することは望ましくない。燃料電池システム10のパルス化中、制御は、外部負荷への電力供給にもはや基づかない。ある場合には、このことは正しくない制御を招くことがある(例えば、ピーク電力出力が望ましい場合、燃料電池システム10が作動しているピーク電力曲線のいずれかの側に応じて、電流を増加又は減少させる必要があり得る)。したがって、効率のために、ならびに燃料電池システム10に対する適切な制御を維持するために、燃料電池システム10に過負荷をかけることを防止することが望ましい。
Although a short “pulsing” helps improve the performance of the
この望ましくない状態を軽減又は防止するために、DC/DCパワーコンバータ12は、ブリッジオフ期間に続く電流制限期間の持続時間中にステップ86で電流制限モードに入る。電流制限モードは、特に完全な負荷状態で、燃料電池システム10が電流パルス化作動中に安定的に作動することを補助する。電流制限モードは、パルス化後に燃料電池スタック16からの電流/電力を制限するように設計され、これにより、過渡期間に燃料電池スタック16が安定化され、燃料電池スタック16の過負荷が防止される。
To alleviate or prevent this undesirable condition, the DC /
特に、電流クランプイネーブル信号I_Clampは、ロジック合成ブロック66から電流クランプ回路60に供給され、電流制限モードを作動する。電流クランプがイネーブルにされると(例えば、ON)、電流クランプ回路60の電流限度は、ILMAX2からILMAX1に低減され、ここで、ILMAX1は、電流パルス後に燃料電池スタック16からの抽出が許容される最大電流であり、またILMAX2は、定常状態作動中に燃料電池スタック16から抽出して利用可能な最大電流である。ILMAX1及びILMAX2の両方はハードウェアを介して構成可能であり、また燃料電池システム10の特定の燃料電池スタック16の作動特性に左右され得る。
In particular, the current clamp enable signal I_Clamp is supplied from the
図6は、上に詳細に説明したILMAX2からILMAX1を含む電流クランプ回路60の入力/出力特性を示している。
Figure 6 is a IL MAX2 described in detail above shows the input / output characteristics of the
図7は、図4の燃料電池システム10の作動の例示した一実施形態による、1次側52のスイッチS1−S4、電流クランプイネーブル信号I_Clamp及び電流パルス化イネーブル信号CURRENT_PULSE ENABLEのタイミング図と共に、燃料電池電流IFC、燃料電池電圧VFC、及び出力電圧VOのグラフを示しており、この場合、モード1は電流パルス化モードに対応し、モード2はブリッジオフモードに対応し、またモード3は電流制限モードに対応する。
7 together with a timing diagram of primary side switches S 1 -S 4 , current clamp enable signal I_Clamp and current pulse enable signal CURRENT_PULSE ENABLE according to an exemplary embodiment of operation of
通常作動中、DC/DCパワーコンバータ12の1次側52のスイッチS1−S4は、所望の基準電圧VO_REFで燃料電池電圧VFCを負荷又は出力電圧VOに変換するために、従来の方法で作動される。電流パルス化作動は、電流パルスイネーブル信号CURRENT_PULSE ENABLEが燃料電池制御器18(図1)によって作動されるときに行われる。ロジック合成ブロック66は、完全な電流パルス化作動を実施するために、DC/DCパワーコンバータ12を制御して、電流パルス化モード、ブリッジオフモード、及び電流制限モードを順次実行する。
During normal operation, the switches S 1 -S 4 on the
燃料電池制御器18は電流パルス化モードの持続時間を決定する。約20〜300マイクロ秒のパルス持続時間が適切であり得、30〜600秒毎に1つの周波数又は期間が適切であり得る。貯蔵から始動中、より長いパルス及び/又はより頻繁なパルス化が望ましいかもしれない。
The
燃料電池制御器18はまた、例えば、ハードウェアに記憶されたパラメータを介してまた特定の燃料電池システム10の燃料電池スタック16のタイプの特性に基づき、ブリッジオフモード及び電流制限モードの持続時間を決定する。DC/DCコンバータの1次側52のスイッチS1−S4は、通常作動モード中にブーストコンバータとして作動し、ONになって、電流パルス化モード中にON状態に留まって電流パルスを発生し、OFFになって、ブリッジオフモード中にOFFに留まり、最後に、電流クランプイネーブル信号I_Clampがイネーブルにされ又はONである間よりも低い電流限度で、電流制限モード中にブーストコンバータとして作動する。
The
図8は、例示した他の実施形態による燃料電池システム10の別の実施形態を示している。図8の実施形態は、図4の絶縁DC/DCパワーコンバータ12の代わりに非絶縁DC/DCパワーコンバータ12を使用する。非絶縁DC/DCパワーコンバータ12は、図4の実施形態のスイッチS1−S8及び変圧器Tに取って代わる単一のスイッチS1として示されている。非絶縁パワーコンバータ12はまた、ブーストインダクタL1を備える。
FIG. 8 illustrates another embodiment of a
図9は、図8の燃料電池システム10の作動の例示した一実施形態による、1次側52のスイッチS1、電流クランプイネーブル信号I_Clamp及び電流パルス化イネーブル信号CURRENT_PULSE ENABLEのタイミング図と共に、燃料電池電流IFC、燃料電池電圧VFC、及び出力電圧VOのグラフを示しており、この場合、モード1は電流パルス化モードに対応し、モード2はブリッジオフモードに対応し、またモード3は電流制限モードに対応する。
FIG. 9 illustrates a fuel cell with a timing diagram of primary side switch S 1 , current clamp enable signal I_Clamp and current pulse enable signal CURRENT_PULSE ENABLE according to an exemplary embodiment of the operation of
図9に示したように、電流クランプイネーブル信号I_Clampは、電流制限モードの開始の前に作動することができる。例えば、電流クランプイネーブル信号は、図9の陰付きの領域によって示されるように、電流パルス化モード及び/又はブリッジオフモード中に常に作動し得る。いくつかの実施形態では、電流制限モードの開始前に電流クランプ回路60に追加の定着時間を与えるために、電流パルス化イネーブル信号CURRENT_PULSE ENABLEの立ち上がりエッジと同期して、電流制限ロジックを作動することが好ましいかもしれない。
As shown in FIG. 9, the current clamp enable signal I_Clamp can be activated before the start of the current limit mode. For example, the current clamp enable signal may always operate during the current pulsing mode and / or the bridge-off mode, as indicated by the shaded area in FIG. In some embodiments, the current limit logic is activated in synchronization with the rising edge of the current pulsed enable signal CURRENT_PULSE ENABLE to give the
上記の教示は、図10と図11に示したように、非常に多様な出力電力及び電圧の電源システムの提供にモジュール式に実施することが可能である。 The above teachings can be implemented modularly to provide a very diverse output power and voltage power supply system, as shown in FIGS.
図10は、電力を負荷8に供給するために電圧バス14で電気的に直列結合されたいくつかの電源61−6nを示している。省略符号は、任意の数の追加の電源を第1の電源61とn番目の電源6nとの間に電気的に結合し得ることを示している。このモジュール式アプローチにより、顧客は、同一の燃料電池スタック設計及び同一の電源6モジュールを利用しつつ、n倍の出力電圧においてn倍の出力電力の電源システムを再構成することができる。モジュール式アプローチは、システムの冗長性を有利に可能にする。すなわち、システムはある程度の余剰能力により設計可能であり、1つ以上のモジュールが故障しても十分な電力を供給することが可能である。
FIG. 10 shows several power supplies 6 1 -6 n electrically connected in series with
図11は、電力を負荷8に供給するための電圧線路14a、14bによって形成された電圧バス14で電気的に並列結合されたいくつかの電源61−6nを示している。このモジュール式アプローチにより、顧客は、同一の燃料電池スタック設計及び同一の電源6モジュールを利用しつつ、同一の電圧においてn倍の出力電力の電源システムを再構成することができる。図10と図11の実施形態は、直列及び並列に結合された様々な構成で組み合わせて、電源システムの製造、検証、及び流通に対するモジュール式アプローチを提供することができる。
FIG. 11 shows several power supplies 6 1 -6 n electrically connected in parallel with a
多数の燃料電池システム10を使用するいくつかの用途では、各燃料電池システム10から抽出された電力は、燃料電池システム10の間の小さな差、例えば、構造又は作動寿命の差のため異なることがある。このような用途では、燃料電池システム10の間で抽出される電力の差がある指定した範囲内にあることを確実にすることが有益であり得る。1つのアプローチでは、プラントバランス(BoP)、すなわち燃料電池システム10の内部システムへの電力は、変圧器を通して供給して、直流絶縁を提供することが可能であり、BoPは燃料電池スタック12を基準に接地される。電気貯蔵装置48及び負荷8は、燃料電池システム10のBoPから電気的に絶縁される。様々な燃料電池システム10の燃料電池制御器18は、内部インタフェースバス21(図1と図2)を介して通信結合可能である。
In some applications using multiple
一般に、当業者に公知である負荷共有方法の任意の方法を使用することが可能である。例えば、周知の受動的な電流共有方法(例えば、「ドループ」方法)、ならびにここで説明するような能動電流共有方法がある。広く言って、負荷共有は、電流及び/又は電圧を基礎とし得る。このように、平均化は、同一の電圧、同一の電流、又は両方のある組み合わせを得るために実行可能である。 In general, any of the load sharing methods known to those skilled in the art can be used. For example, there are well known passive current sharing methods (eg, “droop” methods), as well as active current sharing methods as described herein. Broadly speaking, load sharing can be based on current and / or voltage. Thus, averaging can be performed to obtain the same voltage, the same current, or some combination of both.
さらに、燃料電池システム10の各々の燃料電池スタックからの電流は、内部インタフェース21(図1と図2)を通して1つ以上の燃料電池制御器18に報告可能であり、それぞれのDC/DCパワーコンバータ12は、互いにより平均化された電流を出力するように作動される。DC/DCパワーコンバータ12に対する電圧基準34は、燃料電池スタック16の間の電流共有を実施するために、燃料電池制御器18によって適切に調整される。
In addition, the current from each fuel cell stack of the
追加して、又は代わりに、単独であるいは他の燃料電池システム10と組み合わせて作動する燃料電池システム10は、ファン電力制御方法を使用することが可能である。
Additionally or alternatively, the
ファン26は、燃料電池システム10の多数の機能を実行してもよい。例えば、ファン26は、酸化剤及び/又は冷却剤の流れを提供してもよく、パワーエレクトロニクスを冷却してもよく、通気されるか又はリークされる水素を薄めてもよく、また燃料電池スタック16及び/又はパワーエレクトロニクスによって加熱された空気を水蒸発器の上方に循環させて、蒸発を補助してもよい。例えば、ファン26の速度は、主に、燃料電池スタック16用の冷却要件に基づき設定してもよい。この場合、空気/酸化剤流れ(すなわち、空気の化学量論)は、単に、ある一定の最小よりも大きければよい。水素希釈のため、空気流も、通常、ある一定の最小よりも大きければよい。パワーエレクトロニクス、特にDC//DCコンバータ12、50は、簡単に過熱可能であるべきでない。したがって、ファン26はある最小速度で又はそれを超えて動作する。上述において、一般に、PIDループはスタック温度に従ってファン速度を制御する。他のPIDループを使用して、DC/DCコンバータ12、50の温度を制限してもよい。すなわち、第2のPIDループは、必要ならば、ファン速度制御をオーバライドして、DC/DCコンバータ12、50の充分な冷却を保証するが、このことは、望むよりも強い燃料スタック16の冷却をもたらす可能性がある。水素レベルが余りに高くなった場合、水素センサを使用して、この状態を検出しかつ燃料電池システム10を遮断することが可能である。当然、他のファン制御方法が可能である。
The
開示した実施形態は、既存のシステムに対しいくつかの利点を提供し得る。例えば、上述のアプローチは、顧客の特定の所望の電力要件及び電圧要件に見合う適切な電源システムを製造するために必要な時間を低減することが可能である。電源システムを実際の負荷要件により密接に適合させることにより、及び/又はパワーコンバータを介して出力電圧を調整できる電源システムにより、コストが節約されるが、この理由は、燃料電池スタック16の電池が少なくて済むからであり、また比較的少数の、場合によっては1つのみの標準燃料電池スタック16を設計、検証、製造、在庫及び流通すればよいからである。さらに、電源システムを実際の負荷要件により密接に適合させることにより、燃料電池スタック16のより効率的に作動が可能になる。
The disclosed embodiments may provide several advantages over existing systems. For example, the approach described above can reduce the time required to produce a suitable power supply system that meets a customer's specific desired power and voltage requirements. Costs are saved by adapting the power system more closely to the actual load requirements and / or by a power system that can regulate the output voltage via a power converter because the cells in the
パワーコンバータを用いて電圧を調整することにより、所望の負荷電圧と無関係に、最大負荷における燃料電池スタック16の作動が可能になり、同様に、最適の分極曲線に沿った燃料電池スタックのより効率的な作動が可能になる。上記のように、高価で損失の多い高圧スイッチ及び/又はダイオードの排除は、コストを節減し、効率を高める。さらに上に説明したように、ファン用の専用電源の除去は相当のコスト節減をもたらし、効率を高める。負荷8にわたって電力貯蔵装置48を結合することにより、燃料電池スタック16の最大出力定格を低減することによって相当の節減が行われる。さらに、主パワーコンバータ12は、時折、あるいは必要に応じて、電流パルスを発生して燃料電池スタック性能を高めることが可能である。
Regulating the voltage using a power converter allows operation of the
電源の特定の実施形態及びその実施例について、例示目的で本明細書に説明しているが、当業者によって認識されるように、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の精神と範囲から逸脱することなく、様々な等価の修正を行うことができる。本明細書に提供された教示は、必ずしも一般に上述した模範的な燃料電池システムではなく、他の燃料電池システムに適用することができる。 While specific embodiments of power supplies and examples thereof are described herein for purposes of illustration, as will be appreciated by those skilled in the art, they depart from the spirit and scope of the power converter architecture and method of the present invention. And various equivalent modifications can be made. The teachings provided herein can be applied to other fuel cell systems, not necessarily the exemplary fuel cell system generally described above.
上述の様々な実施形態は、別の実施形態を提供するために組み合わせることができる。共通に譲渡された出願中の米国特許出願第10/017,480号明細書、表題「燃料電池システムからの電圧を制御するための方法と装置」(Method and Apparatus for Controlling Voltage From a Fuel Cell System」);同第10/017,462号明細書、表題「燃料電池システムからの電圧の多数モード制御用の方法と装置」(Method and Apparatus for Multiple Mode Control of Voltage From a Fuel Cell System);同第10/017,461号明細書、表題「燃料電池システムの多段電圧制御の方法と装置」(Fuel Cell System Multiple Stage Voltage Control Method and Apparatus)、すべて2001年12月14日に出願;同第60/421,126号明細書、表題「電源の燃料電池システムの調整可能なアレイ」(Adjustable Array Of Fuel Cell Systems In Power Supply)、2002年5月16日に出願;同第60/436,759号明細書、表題「燃料電池システムの調整可能なアレイを有する電力計画」(Electric Power Plan With Adjustable Array Of Fuel Cell Systems)、2002年12月17日に出願;及び同第10/426,942号明細書、2003年4月29日に出願、表題「一体型燃料電池ベースの電源用のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法」(POWER CONVERTER ARCHITECTURE AND METHOD FOR INTEGRATED FUEL CELL BASED POWER SUPPLIES)を含むが、それらに限定されない上記の米国特許、特許出願及び本明細書で参照される文献のすべては、それらの全体が本明細書に参考としてすべて組み込まれている。 The various embodiments described above can be combined to provide other embodiments. Commonly assigned pending US patent application Ser. No. 10 / 017,480, entitled “Method and Apparatus for Controlling Voltage from a Fuel Cell System” (Method and Apparatus for Controlling Fuel Cell System) No. 10 / 017,462, entitled “Method and Apparatus for Multiple Mode Control of Voltage from a Fuel Cell System” (Method and Apparatus for Multiple Mode of Voltage From Fuel Cell System); No. 10 / 017,461, entitled “Method and apparatus for multi-stage voltage control of fuel cell system” (Fuel Cell System Multiple Stags) Voltage Control Method and Apparatus, all filed on Dec. 14, 2001; No. 60 / 421,126, entitled “Adjustable Array of Fuel Cell Systems of Power Source” (Adjustable Array Of Fuel Systems In Power). (Supply), filed May 16, 2002; 60 / 436,759, entitled “Power Plan with Adjustable Array of Fuel Cell Systems” (Electric Power Plan With Adjustable Cell Systems). No. 10 / 426,942, filed Apr. 29, 2003, entitled “Integrated Fuel Cell Base”; All of the above-referenced US patents, patent applications and references herein, including but not limited to, "POWER CONVERTER ARCHITECTURE AND METHOD FOR INTERGRATED FUEL CELL BASED POWER SUPPLIES" Are all incorporated herein by reference in their entirety.
本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の態様は、必要ならば、様々な特許、用途及び文献のシステム、回路及び構想を利用して、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法のさらに別の実施形態を提供するために修正することができる。適切な作動方法は、追加のステップを含み、いくつかのステップを排除し、及び/又は異なる順序でいくつかのステップを実行することが可能である。例えば、燃料電池制御器18は、作動状態を決定するために、及び/又はスイッチSW1、SW2を開閉するために異なる順序を使用することが可能である。
Aspects of the power converter architecture and method of the present invention provide further embodiments of the power converter architecture and method of the present invention, utilizing various patent, application and literature systems, circuits and concepts, if necessary. Can be modified to A suitable actuation method can include additional steps, eliminate some steps, and / or perform some steps in a different order. For example, the
上記の詳細な説明に鑑み、これらの及び他の変更を本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法に行うことができる。一般に、次の特許請求の範囲において、使用する用語は、明細書及び特許請求の範囲に開示した特定の実施形態に本発明を限定すると解釈されるべきでなく、特許請求の範囲に従って作動するすべての燃料電池システムを含むと解釈されるべきである。したがって、本発明は開示によって限定されず、代わりにその範囲は次の特許請求の範囲によって完全に決定される。 These and other changes can be made to the power converter architecture and method of the present invention in light of the above detailed description. In general, in the following claims, the terms used should not be construed to limit the invention to the specific embodiments disclosed in the specification and the claims, and all that operate according to the claims. Should be construed as including the fuel cell system. Accordingly, the invention is not limited by the disclosure, but instead its scope is to be determined entirely by the following claims.
Claims (35)
電流パルス化作動を開始すべき時間を決定するステップと、
前記主パワーコンバータの第1の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間中に、前記電流パルス化作動の少なくとも一部分として前記燃料電池スタックから高電流パルスを生成するステップと、
を含む方法。 A main power converter comprising a first side and a second side, a fuel cell stack electrically coupled to the first side of the main power converter, and an electric power to the second side of the main power converter And a load coupled to the fuel cell system, the method comprising:
Determining the time at which to start the current pulsing operation;
Selectively activating several switches on the first side of the main power converter to generate high current pulses from the fuel cell stack as at least part of the current pulsing operation during a current pulsing period. When,
Including methods.
前記電流パルス化期間中に前記電力貯蔵装置から前記負荷にエネルギを放出するステップとをさらに含む、
請求項7に記載の方法。 Storing energy from the fuel cell stack to a power storage device electrically coupled across a second side of the main power converter during at least a portion of the boost conversion period;
Discharging energy from the power storage device to the load during the current pulsing period;
The method of claim 7.
前記方法が、
ブースト変換期間中に前記変圧器の第1の側から前記変圧器の第2の側に電流をブースト変換するステップと、
前記1次側スイッチを閉じて、電流パルス化期間中に前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップと、
前記2次側スイッチを開いて、電流パルス化期間中に前記変圧器の2次側を電気的に切り離すステップと、
を含む方法。 A method of operating a power converter of a fuel cell system, wherein the power converter is an input unit, an output unit, a transformer electrically coupled between the input unit and the output unit, and the input A number of selectively actuable primary switches electrically coupled between the output section and the primary side of the transformer and between the output section and the secondary side of the transformer A number of selectively actuable secondary switches coupled to each other,
Said method comprises
Boost converting current from a first side of the transformer to a second side of the transformer during a boost conversion period;
Closing the primary side switch to electrically short the fuel cell stack during a current pulsing period;
Opening the secondary side switch to electrically disconnect the secondary side of the transformer during a current pulsing period;
Including methods.
前記電流パルス化期間の少なくとも一部分の間に、前記電力貯蔵装置からエネルギを放出するステップと、
をさらに含む、請求項15に記載の方法。 Storing energy in a power storage device electrically coupled across the output of the power converter during at least a portion of the boost conversion period;
Releasing energy from the power storage device during at least a portion of the current pulsing period;
16. The method of claim 15, further comprising:
入力部と、出力部と、第1の組のスイッチと、第2の組のスイッチとを備える主パワーコンバータと、
前記主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された燃料電池スタックと、
前記主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置と、
前記主パワーコンバータのスイッチを制御するように結合された少なくとも1つの制御器であって、前記少なくとも第1の組のスイッチを作動して、ブースト変換期間中に前記燃料電池からの電流をブースト変換し、また前記第1の組のスイッチを作動して、前記ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に前記燃料電池スタックから電流パルスを電気的に生成するように構成される制御器と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system,
A main power converter comprising an input unit, an output unit, a first set of switches, and a second set of switches;
A fuel cell stack electrically coupled across the input of the main power converter;
A power storage device electrically coupled across the output of the main power converter;
At least one controller coupled to control a switch of the main power converter, activating the at least first set of switches to boost convert current from the fuel cell during a boost conversion period; And a controller configured to actuate the first set of switches to electrically generate current pulses from the fuel cell stack during a current pulsing period following the boost conversion period;
A fuel cell system comprising:
入力部と、出力部と、前記入力部と前記出力部との間に結合され、かつ前記入力部にわたって短絡経路を形成するように選択的に作動可能である少なくとも1つのスイッチとを備える主パワーコンバータと、
前記主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された燃料電池スタックと、
前記主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置と、
前記主パワーコンバータの前記少なくとも1つのスイッチを制御するために結合された少なくとも1つの制御器であって、前記少なくとも1つのスイッチを作動して、ブースト変換期間中に前記燃料電池からの電流をブースト変換し、また前記少なくとも1つのスイッチを作動して、前記ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるように構成される制御器と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system,
A main power comprising an input, an output, and at least one switch coupled between the input and the output and selectively operable to form a short circuit path across the input A converter,
A fuel cell stack electrically coupled across the input of the main power converter;
A power storage device electrically coupled across the output of the main power converter;
At least one controller coupled to control the at least one switch of the main power converter, wherein the at least one switch is activated to boost current from the fuel cell during a boost conversion period; A controller configured to convert and actuate the at least one switch to electrically short the fuel cell stack during a current pulsing period following the boost conversion period;
A fuel cell system comprising:
ブースト変換期間中に燃料電池スタックからの電流をブースト変換するための手段と、
電流パルス化期間中に前記燃料電池スタックから高電流パルスを電気的に生成するための手段とを備え、前記ブースト変換手段及び前記高電流パルス生成手段が少なくとも1つのスイッチを共通に有する燃料電池システム。 A fuel cell system,
Means for boost converting the current from the fuel cell stack during the boost conversion period;
Means for electrically generating a high current pulse from the fuel cell stack during a current pulsing period, the boost conversion means and the high current pulse generating means having at least one switch in common .
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