JP2008538650A - マッチドバッテリの燃料電池へのｄｃ／ｄｃコンバータ無しの連結構成 - Google Patents

Abstract

【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータの必要性を無くすように、電力バスラインの電圧にバッテリ電圧をマッチングさせたマッチドバッテリを用いる燃料電池システムが開示される。マッチドバッテリの内部特性及びパラメータは、大きな電圧放電揺動に亘ってバッテリが作動することを可能にし、バッテリ充電状態が損傷を与える値以下となることを防止する。バッテリの型式、バッテリ電池の数及びバッテリ内部インピーダンスは、所望のマッチングを提供するため設計されている。一実施例では、バッテリはリチウムイオンバッテリである。本システムは、パワーバスラインに電気的に接続されたダイオードと、該ダイオードに並列にバスラインに電気的に接続されたバイパススイッチと、を更に備える。バイパススイッチは、燃料電池スタックがバッテリを再充電することを可能にすると共に該バッテリを過充電することを防止するため選択的に開閉される。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して燃料電池システムに係り、より詳しくは、ＤＣ／ＤＣコンバータの必要性を無くしたマッチドバッテリを用いる燃料電池システムに関する。

水素は、クリーンで燃料電池内に電気を効率的に生成するため使用することができるため、非常に魅力的な燃料である。自動車産業は、車両のための電源として水素燃料電池の開発に有意な資源を費やしている。そのような車両は、より効率的であり、内燃エンジンを用いる今日の車両よりも少ない排気物を発生する。

水素燃料電池は、アノード及びカソードを備え、それらの間に電解質を備える電気化学式装置である。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは、酸素又は空気を受け取る。水素ガスは、自由な水素陽子及び電子を発生するためアノード内で分解される。陽子は、電解質を通ってカソードへと至る。水素陽子は、カソードにおいて、酸素及び電子と反応し、水を発生する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、よって、負荷を通るように差し向けられ、カソードに送られる前に仕事を実施する。この仕事は、車両を作動するように機能する。

陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車両のための人気のある燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、一般に、過フッ化スルホン酸等の固体ポリマー電解質陽子伝達膜を備えている。アノード及びカソードは、典型的には、通常ではプラチナ（Ｐｔ）等の細かく分割された触媒粒子を含んでおり、これらの粒子は、炭素粒子上に支持され、イオノマーと混合されている。触媒混合物は、膜の両側に配置されている。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物及び膜の組み合わせは、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。膜電極アッセンブリは、製造する上で比較的高価であり、効率的な作動のため幾つかの条件を必要としている。これらの条件には、適切な水管理、加湿、一酸化炭素（ＣＯ）等の触媒に有害な成分の制御が含まれている。

幾つかの燃料電池は、典型的には、所望の電力を発生させるため燃料電池内に結合されている。燃料電池スタックは、カソード入力ガス、典型的には、コンプレッサによりスタックを通して流された空気の流れを受け取る。酸素の必ずしも全てが、スタックにより消費されるわけではなく、空気の中には、スタック副産物として水を含み得るカソード排気ガスとして出力されるものがある。燃料電池スタックは、アノード水素入力ガスを受け取り、該ガスは、スタックのアノード側部へと流れていく。

ほとんどの燃料電池車両は、ＤＣバッテリ又は超コンデンサ等の燃料電池スタックに加えて増補の電源を用いるハイブリッド車両である。電源は、燃料電池が所望のパワーを提供することができないとき、システム始動のため並びに高いパワー要求の間に、様々な車両補助負荷のための増補のパワーを提供する。燃料電池スタックは、車両の作動のためのＤＣ電圧バスラインを通して電動モータにパワーを提供する。バッテリは、大きな加速の間等に、スタックが提供することができるパワーを超えて追加のパワーが必要とされる時間の間に電圧バスラインに増補のパワーを提供する。例えば、燃料電池スタックは、７０ｋＷのパワーを提供することができる。しかし、車両の加速は、１００ｋＷのパワーを必要とし得る。燃料電池スタックは、該燃料電池スタックがシステムのパワー要求を提供することができる時間にバッテリを再充電するために使用される。回生ブレーキ作動の間に牽引モータから利用可能となる発電機のパワーもバッテリを再充電するために使用される。

上述したハイブリッド車両では、双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池スタックの電圧出力により規定されるバスライン電圧にバッテリ電圧をマッチングさせ、バッテリ再充電の間にスタック電圧を段階的に低下させるため、バッテリからのＤＣ電圧を段階的に増大させることが必要となる。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータは、比較的大きく、コストがかかり、重くなるという明らかな欠点をもたらしている。増補の電源を始めとして、ＤＣ／ＤＣコンバータを燃料電池車両から無くすことが望ましい。

当該産業には、Ｖ／Ｉ特性（分極曲線）が車両の作動条件を超えるような燃料電池スタックからくる大きな電圧揺動を取り扱うことができる電源を提供することによって、燃料電池でパワー供給される車両においてＤＣ／ＤＣコンバータを無くすための様々な試みが存在している。図２は、水平軸上に電流密度、垂直軸上に燃料電池スタックの電圧を示したグラフであり、直列に配置された４００個の電池を備えるスタックの典型的な燃料電池スタックＶ／Ｉ特性、即ち分極曲線を示している。一つの既知のシステムでは、超コンデンサが、増補の電源として使用される。しかし、超コンデンサは、その低エネルギー容量故にどのくらい放電することができるかによって制限される。また、超コンデンサは、システム始動時に、超コンデンサ電圧を上昇させるため電源装置を必要としている。幾つかの種類のバッテリが、車両の燃料電池システムにおいてＤＣ／ＤＣコンバータを無くすために使用された。しかし、これらのシステムは、一定レベルを超えてバッテリを放電する能力によって制限された。換言すれば、これらの種類のバッテリは、システムの作動の間にＤＣバスライン上の大きな電圧揺動の結果として損傷を受ける。

本発明の教えによれば、燃料電池システムは、ＤＣ／ＤＣコンバータのための必要性を無くすように、電力バスラインの電圧にバッテリ電圧をマッチングさせたマッチドバッテリを用いる燃料電池システムが開示される。マッチドバッテリの内部特性及びパラメータは、燃料電池のＶ／Ｉ特性により規定されるような大きな電圧放電揺動に亘って作動することを可能にし、バッテリが過放電することを防止する。バッテリの型式、バッテリ電池の数及びバッテリ内部インピーダンスは、所望のマッチングを提供するため設計されている。一実施例では、バッテリはリチウムイオンバッテリである。本システムは、パワーバスラインに電気的に接続されたダイオードと、該ダイオードに並列にバスラインに電気的に接続されたバイパススイッチと、を更に備える。バイパススイッチは、燃料電池スタックが前記バッテリを再充電することを可能にすると共に該バッテリを過充電することを防止するため選択的に開閉される。

本発明の追加の利点及び特徴は、次の説明、添付された請求の範囲から添付図面を参照して明らかとなろう。

マッチドバッテリを用いる燃料電池システムに関する本発明の実施例についての次の説明は、本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明又はその用途又はその使用法を制限することを意図したものではない。例えば、本明細書で説明された燃料電池システムは、車両電源のための特定の用途を有する。しかし、燃料電池システムは、車両用途を超えた他の用途を持つこともできる。

図１は、直列に接続された燃料電池２０のスタックを有する燃料電池スタック１２を備える燃料電池システム１０の概略ブロック図である。燃料電池スタック１２は、正のバスライン１６及び負のバスライン１８として図１に表された、高電圧バスラインに電力を提供する。車両の燃料電池用途では、燃料電池スタック１２は、約４００個の電池２０を備えていてもよい。この用途においては、燃料電池スタック１２は、全負荷要求の間にバスライン１６及び１８上に約２６０Ｖのパワーを提供し、車両アイドル条件の間に、バスライン１６及び１８上に約４００ボルトを提供する。停止中の安全目的のためにシステム１０から燃料電池スタック１２を電気的に断絶するため、スイッチ３２は、燃料電池スタック１２から正のバスライン１６を選択的に開放させ、スイッチ３４は、燃料電池スタック１２から負のバスライン１８を選択的に開放させる。

本発明によれば、燃料電池システム１０は、バスライン１６及び１８に電気的に接続されたマッチドバッテリ１４を備える。バッテリは、一定数のバッテリ電池３０を備える。以下で詳細に説明されるように、バッテリ１４の出力電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータが必ずしも必要とはならないように、燃料電池スタック１２の出力により規定されるバスライン１６及び１８上の電圧にマッチングされている。バッテリ１４は、スタック１２が、大きな加速の間等の、スタック１２がパワー要求量を提供することができない時間の間に、バスライン１６及び１８に追加のパワーを提供し、燃料電池スタック１２が作動していない様々な車両システムの増補のパワーを提供する。一例では、７０ｋＷのパワーが燃料電池スタック１２により提供され、追加の３０ｋＷのパワーがバッテリ１４により提供される。停止中の安全目的のためシステム１０からバッテリ１４を電気的に断絶するため、スイッチ３６は、負のバスライン１８からバッテリ１４を選択的に開放し、スイッチ３８は、正のバスライン１６からバッテリ１４を選択的に開放する。

正のバスライン１６内に配置されたブロッキングダイオード４４は、電流が燃料電池スタック１２へと逆流することを防止し、ブロッキングダイオード４２は、バッテリ１４が完全に充電されたとき電流がバッテリ１４へと逆流することを防止する。バイパススイッチ４６は、バッテリ１４を燃料電池スタック１２により並びに回生ブレーキ動作の間に再充電することができるように、ダイオード４２をバイパスしている。例えば、幾つかの作動条件では、バッテリ１４が完全に充電され、なおも燃料電池スタック１２は、バッテリ１４を充電するため利用可能となる電流を出力している。この作動条件では、バッテリ１４を損傷させかねないバッテリ１４の更なる充電を防止するため、バスライン１６からバッテリ１４を断絶することが望ましい。燃料電池システム１０は、バイパススイッチ４６の位置を制御するため、例えば、バッテリ１４の温度やバッテリ１４の充電状態を監視するための様々なセンサを備えることになる。コントローラ５０は、スイッチ３２、３４、３６、３８及び４６、並びに、本明細書の説明と合致する他のシステム装置を制御する。

燃料電池システム１０は、バスライン１６及び１８、並びに、ＡＣ又はＤＣ牽引モータ２４に電気的に接続されたパワーインバータモジュール（ＰＩＭ）２２を備えている。ＰＩＭ２２は、バスライン上のＤＣ電圧をＡＣ牽引モータ２４にとって適切なＡＣ電圧に変換する。牽引モータ２４は、当該技術分野で理解されているように、車両を駆動させるために牽引パワーを提供する。牽引モータ２４は、ＡＣ誘導モータ、ＡＣ永久磁石モータ、及び、ＡＣ三相同期装置等、本明細書で説明された目的のために適した任意のモータとすることができる。牽引モータ２４が発電機として作動している回生ブレーキ動作の間、モータ２４からの電気的ＡＣパワーは、ＰＩＭ２２によりＤＣパワーに変換され、該ＤＣパワーはバッテリ１４を再充電するためバスライン１６及び１８に印加される。ブロッキングダイオード４４は、バスライン１６及び１８に印加された回生電気エネルギーが、燃料電池スタック１２へと流れ込むことを防止する。さもなくば、該電気エネルギーはスタック１２を損傷しかねない。

燃料電池システム１０は、バスライン１６及び１８上の高い電圧パワーを、車両内の例えばライト、ヒータ等の補助ユニット２８に適したより低いＤＣ電圧又はＡＣ電圧へと変換する、バスライン１６及び１８に電気的に接続された、パワー管理及び分配（ＰＭＤ）装置２６も備えている。

本発明によれば、バッテリ１４は、該バッテリ１４の特性が、大きい電圧揺動に亘って、バスライン１６及び１８上の電圧に該バッテリをマッチングすることを可能にする、電圧対充電状態の比較的高い勾配を有する放電曲線を提供し、かくして、ＤＣ／ＤＣコンバータの必要性を無くすという点で、マッチドバッテリである。特に、バッテリ１４は、バッテリ１４を損傷させることなく全スタック負荷の下で燃料電池スタック１２により規定された電圧へと放電することを可能にする放電又は充電状態（ＳＯＣ）の特性を有する。換言すれば、バッテリ開回路（ＯＣＶ）が全燃料電池スタックパワーの間に最小のスタック電圧にあるか又は該最小のスタック電圧を超えるように、バッテリ電池数を選択しなければならない。図３は、水平軸上でＳＯＣ、垂直軸上でバッテリパック開回路電圧を表したグラフであり、直列に１００個の電池を備える典型的なリチウムイオンバッテリを示している。バッテリ１４が増補のパワーを提供するように使用されたとき、該バッテリは、バッテリＯＣＶがスタック１２の電圧出力に達するまで、一定率で放電する。この時点で、スタック１２の出力電圧及びバッテリ１４のアイドル電圧出力は等しくなり、マッチドバッテリ１４の特性は、電圧差を引き出すほどのバッテリ電流が存在しないため、該バッテリがこれ以上更に放電することを防止する。

バッテリ１４は、バッテリ１４が過放電されないように、バッテリの型式、バッテリ電池３０の数、バッテリ１４の内部インピーダンス、及び、Ａｈ定格及び内部抵抗を始めとする電池サイズを適切に選択することにより燃料電池スタック１２の電圧出力にマッチングされる。電池３０の数は、高い負荷で燃料電池スタック１２の低い電圧出力にマッチングさせるため必要となる電圧を決定する。

バッテリ１４は、過度の放電に対して保護するようにマッチングされなければならない。これは、V fuelcell minが燃料電池の最小電圧（完全負荷電圧）であり、V batcell OCV (SOC min)が最小に可能とされるバッテリ充電状態における単一バッテリ電池の開回路電圧であり、n cells batが直列に接続されたバッテリ電池の数であるとき、V fuelcell min >=V batcell OCV (SOC min) × n cells batとなるように、充電状態（ＳＯＣ）に亘って有意な充電電圧を備えるバッテリを選択し、並びに、電池の数を選択することによって、なされる。

バッテリ１４は、過電流に対しても保護するようにマッチングされなければならない。この保護は、バッテリインピーダンス及び燃料電池インピーダンスが、全ての実用的なＳＯＣ状態に対して受容可能なレベルに電流を制限するように、バッテリサイズを選択することにより提供される。例えば、より大きなバッテリは、より低い内部抵抗を持ち、よって電流をより高い値に制限することができ、その逆も可能である。より薄いか又はより厚い相互連結及び抵抗器、又は、バッテリシステムにインピーダンスを追加又は減少させ、よってバッテリ電流を減少又は増加させる抵抗性バッテリワイヤを使用することによって、バッテリインピーダンスを、人工的に増加させることもできる。

バッテリは、過充電に対しても保護するようにマッチングされていなければならない。これは、バッテリ１４の全部で、ダイオード／接触器の組み合わせにより提供される。接触器が開放された場合、バッテリの任意の更なる充電電流が、ダイオードのブロッキング機能により禁止される。

一実施例では、バッテリ１４は、マッチング特性を提供するため、リチウムイオンバッテリである。また、リチウムイオンバッテリは、電圧対バッテリＳＯＣ曲線において無秩序構造の炭素が大きな勾配に寄与するので、非常に秩序立った構造のアノードとは反対に無秩序構造の炭素アノードを有するリチウムイオンバッテリであることが望ましい。ニッケル水素（ＮｉＭＨ）バッテリを始めとする他のバッテリの種類も適切となり得る。一例では、バッテリ１４は、２４０個の電池及び３０ｋＷの出力パワーを有するＮｉＭＨバッテリである。

前記した説明は、本発明の一例としての実施例を単に開示し説明したに過ぎない。当業者は、上記のような説明、添付図面並びに請求の範囲から、様々な変更、修正及び変形が、請求の範囲で画定されたような本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く、なし得ることを容易に理解するであろう。

図１は、本発明の一実施例に係る、マッチドバッテリを備える燃料電池システムの概略ブロック図である。 図２は、４００個の電池を直列に備えるスタックの典型的な燃料電池Ｖ／Ｉ特性即ち分極曲線を示す、水平軸上に電流密度、垂直軸上に燃料電池スタック電圧を表したグラフである。 図３は、水平軸上に充電状態（ＳＯＣ）、垂直軸上にバッテリパックの開回路電圧を表したグラフであり、１００個の電池を直列に備える典型的なリチウムイオンバッテリを示している。

Claims (17)

1. 燃料電池システムであって、
   電力バスラインと、
   前記電力バスラインに電気的に接続された燃料電池スタックと、
   前記電力バスラインに電気的に接続されたマッチドバッテリであって、該バッテリは、バッテリ電池の数及び前記バッテリのパラメータに依存する充電状態（ＳＯＣ）によってマッチングされており、損傷を与えるＳＯＣ以下で放電することを防止する、前記マッチドバッテリと、
   を備える、燃料電池システム。
2. 前記電力バスラインに電気的に接続されたブロッキングダイオードと、該ダイオードと並列に前記電力バスラインに電気的に接続されたバイパススイッチとを更に備え、前記バイパススイッチは、前記燃料電池スタックが、前記バッテリを再充電することを可能にすると共に該バッテリを過充電することを防止するため選択的に開閉される、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記バッテリの前記ＳＯＣパラメータには、前記バッテリの電圧及び内部インピーダンスが含まれている、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記バッテリは、バッテリ過放電、バッテリ過電流及びバッテリ過充電に対して保護するようにマッチングされている、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記バッテリは、リチウムイオンバッテリ及びニッケル水素バッテリからなる群から選択される、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記バッテリは、２４０個の電池及び３０ｋＷの出力パワーを有するニッケル水素バッテリである、請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記電力バスラインに電気的に接続されたＡＣ又はＤＣ牽引モータシステムを更に備え、前記モータシステムは、前記バッテリを再充電するための回生ブレーキ動作の間に前記電力バスライン上に電圧を提供する、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池システムは、車両に設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 燃料電池システムであって、
   電力バスラインと、
   前記電力バスラインに電気的に接続された燃料電池スタックと、
   前記電力バスラインに電気的に接続されたリチウムイオンバッテリであって、該バッテリは、所定数のバッテリ電池及び一定の内部インピーダンスを有し、これによって前記バッテリをその充電状態（ＳＯＣ）特性によって前記燃料電池スタックにより提供された前記電力バスライン上の電圧へとマッチングすることを可能にする、前記リチウムイオンバッテリと、
   を備える、燃料電池システム。
10. 前記バッテリの電池の数は、前記バッテリが損傷を与える充電状態以下で放電することを防止する、請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記バッテリは、バッテリ過放電、バッテリ過電流及びバッテリ過充電に対して保護するようにマッチングされている、請求項９に記載の燃料電池システム。
12. 前記電力バスラインに電気的に接続されたブロッキングダイオードと、該ダイオードと並列に前記電力バスラインに電気的に接続されたバイパススイッチとを更に備え、前記バイパススイッチは、前記燃料電池スタックが、前記バッテリを再充電することを可能にすると共に該バッテリを過充電することを防止するため選択的に開閉される、請求項９に記載の燃料電池システム。
13. 前記電力バスラインに電気的に接続されたＡＣ又はＤＣ牽引モータシステムを更に備え、前記モータシステムは、前記バッテリを再充電するための回生ブレーキ動作の間に前記電力バスライン上に電圧を提供する、請求項９に記載の燃料電池システム。
14. 前記燃料電池システムは、車両に設けられている、請求項９に記載の燃料電池システム。
15. 車両のための燃料電池システムであって、
    電力バスラインと、
    前記電力バスラインに電気的に接続された燃料電池スタックと、
    前記電力バスラインに電気的に接続されたリチウムイオンバッテリであって、該バッテリは、所定数のバッテリ電池及び一定の内部インピーダンスを有し、これによって前記バッテリをその充電状態（ＳＯＣ）特性によって前記燃料電池スタックにより提供された前記電力バスライン上の電圧へとマッチングすることを可能にする、前記リチウムイオンバッテリと、
    前記電力バスラインに電気的に接続されたブロッキングダイオード及び該ダイオードと並列に前記電力バスラインに電気的に接続されたバイパススイッチであって、前記バイパススイッチは、前記燃料電池スタックが、前記バッテリを再充電することを可能にすると共に該バッテリを過充電することを防止するため選択的に開閉される、前記ブロッキングダイオード及び前記バイパススイッチと、
    を備える、燃料電池システム。
16. 前記バッテリは、バッテリ過放電、バッテリ過電流及びバッテリ過充電に対して保護するようにマッチングされている、請求項１５に記載の燃料電池システム。
17. 前記電力バスラインに電気的に接続されたＡＣ又はＤＣ牽引モータシステムを更に備え、前記モータシステムは、前記バッテリを再充電するための回生ブレーキ動作の間に前記電力バスライン上に電圧を提供する、請求項１５に記載の燃料電池システム。

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