JP2009163947A - Fuel cell system, and power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力消費装置に電力を供給するための燃料電池システムと、燃料電池等から入力される電圧を昇圧するための電源装置とに、関する。 The present invention relates to a fuel cell system for supplying power to a power consuming device and a power supply device for boosting a voltage input from the fuel cell or the like.
周知のように、変圧比(昇降圧比)を制御可能なDC−DCコンバータとしては、スイッチング周波数(1サイクル分の制御時間の逆数)を変更することにより変圧比を制御するタイプのもの(例えば、特許文献1〜4参照。)と、スイッチ素子のON時間を変更することにより変圧比を制御するタイプのもの(例えば、特許文献5参照。)とが、存在している。 As is well known, as a DC-DC converter capable of controlling the transformation ratio (buck-boost ratio), a type that controls the transformation ratio by changing the switching frequency (the reciprocal of the control time for one cycle) (for example, Patent Documents 1 to 4) and a type that controls the transformation ratio by changing the ON time of the switch element (for example, refer to Patent Document 5) exist.
スイッチ素子のON時間を変更することにより変圧比を制御するタイプのDC−DCコンバータ(以下、パルス幅変調方式コンバータと表記する)は、回路構成上は、スイッチング周波数を変更することが可能なものである。しかしながら、パルス幅変調方式コンバータについては、『入力電流のリプルを低減するために、パルス幅変調方式コンバータ(スイッチング電源)の温度に基づき,スイッチング周波数を補正する』(特許文献5参照)といったことしか行われていないのが、現状である。 The type of DC-DC converter that controls the transformation ratio by changing the ON time of the switch element (hereinafter referred to as a pulse width modulation type converter) can change the switching frequency in terms of the circuit configuration. It is. However, with respect to the pulse width modulation system converter, “to reduce the ripple of the input current, the switching frequency is corrected based on the temperature of the pulse width modulation system converter (switching power supply)” (see Patent Document 5). It is the current situation that is not done.
そこで、本発明の課題は、パルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータ(ソフトスイッチングが可能なパルス幅変調方式コンバータ)を備えた燃料電池システム,電源装置であって、ソフトスイッチングコンバータ(パルス幅変調方式コンバータ)のスイッチング周波数の制御(変更)をより直接的な性能向上のために行う燃料電池システム,電源装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a power supply apparatus including a pulse width modulation type soft switching converter (pulse width modulation type converter capable of soft switching), and a soft switching converter (pulse width modulation type converter). ) To provide a fuel cell system and a power supply device that can control (change) the switching frequency to improve performance more directly.
上記課題を解決するために、本発明の,電力を消費して動作する電力消費装置に電力を供給するための燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の出力電圧を昇圧するための,パルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータと、ソフトスイッチングコンバータの変圧比を制御するための制御ユニットであって、目的とする変圧比に依ってソフトスイッチングコンバータの制御周期を変更する制御ユニットとを、備える。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system for supplying power to a power consuming apparatus that operates by consuming electric power according to the present invention includes a fuel cell and a pulse for boosting the output voltage of the fuel cell. A width-modulation type soft switching converter and a control unit for controlling the transformation ratio of the soft switching converter, the control unit changing the control cycle of the soft switching converter according to the target transformation ratio.
すなわち、パルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータは、その回路構成上、ソフトスイッチングを実現するための処理(スイッチ素子の印加電圧或いは導通電流を0V或いは0Aとするための処理;ソフトスイッチング用処理と表記する)に或る程度の時間がかかるコンバータ(ソフトスイッチング用処理にかかる時間によって昇圧比の上限が定まるコンバータ)となっている。また、パルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータは、その回路構成上、昇圧比が低いとソフトスイッチングが実現できないコンバータともなっているのであるが、本発明の燃料電池システムは、そのようなパルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータの制御周期(キャリア周期,スイッチング周波数の逆数)
を、目的とする(必要とされる)変圧比に依って変更する構成を有している。
In other words, the pulse width modulation type soft switching converter has a circuit configuration that realizes a process for realizing soft switching (a process for setting the applied voltage or conduction current of the switch element to 0 V or 0 A; a process for soft switching). Is a converter that takes a certain amount of time (a converter in which the upper limit of the step-up ratio is determined by the time required for the soft switching process). In addition, the pulse width modulation type soft switching converter is a converter that cannot realize soft switching if the step-up ratio is low due to its circuit configuration. However, the fuel cell system of the present invention has such a pulse width modulation type. Soft switching converter control cycle (carrier cycle, reciprocal of switching frequency)
Is changed according to a target (necessary) transformation ratio.
そして、制御ユニットとして、例えば、目的とする変圧比が予め定められている規定変圧比よりも高い場合に、ソフトスイッチングコンバータの制御周期を長くするものを採用しておけば、ソフトスイッチング用処理にかかる時間の割合を低減できることになる結果として、そのような制御周期の変更機能を有さない燃料電池システムよりも,高い昇圧比まで昇圧が可能な燃料電池システムを実現できることになる。また、制御ユニットとして、例えば、目的とする変圧比がソフトスイッチング制御が不可能な低い変圧比である場合に、ソフトスイッチングコンバータの制御周期を長くするものを採用しておけば、目的とする変圧比が低い場合のスイッチング損失(システムの起動時等のスイッチング損失)が少ない燃料電池システムを実現できることになるのであるから、本発明の燃料電池システムは、ソフトスイッチングコンバータのスイッチング周波数の制御(変更)をより直接的な性能向上のために行う構成を有していることになる。 And, as a control unit, for example, if the control unit of the soft switching converter is made longer when the target transformation ratio is higher than a predetermined prescribed transformation ratio, the soft switching process As a result of being able to reduce the time ratio, it is possible to realize a fuel cell system capable of boosting to a higher boost ratio than a fuel cell system that does not have such a control cycle changing function. In addition, as a control unit, for example, when the target transformation ratio is a low transformation ratio where soft switching control is not possible, if the control unit of the soft switching converter is extended, the target transformation ratio is adopted. Since a fuel cell system with low switching loss (switching loss at system startup, etc.) when the ratio is low can be realized, the fuel cell system of the present invention controls (changes) the switching frequency of the soft switching converter. Therefore, it has a configuration for performing the direct improvement of performance.
また、本発明の電源装置は、入力電圧を昇圧するためのパルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータと、前記ソフトスイッチングコンバータの変圧比を制御するための制御ユニットであって、目的とする変圧比に依って前記ソフトスイッチングコンバータの制御周期を変更する制御ユニットとを備えた装置となっている。従って、本発明の電源装置も、ソフトスイッチングコンバータのスイッチング周波数の制御(変更)をより直接的な性能向上のために行う装置となっていると言うことが出来る。 Further, the power supply device of the present invention is a pulse width modulation type soft switching converter for boosting an input voltage, and a control unit for controlling the transformation ratio of the soft switching converter. Therefore, the apparatus includes a control unit that changes the control period of the soft switching converter. Therefore, it can be said that the power supply device of the present invention is also a device for controlling (changing) the switching frequency of the soft switching converter for more direct performance improvement.
本発明によれば、制御周期の変更機能を有さない既存の燃料電池システム,電源装置よりも、性能の良い燃料電池システム,電源装置を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a fuel cell system and a power supply device with a better performance than the existing fuel cell system and power supply device which do not have a control cycle change function are realizable.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、図1を用いて、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム10の概要を説明する。
First, an outline of a
図示してあるように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料電池11,FC昇圧コンバータ12,バッテリ13,バッテリ昇圧コンバータ14,インバータ15,電子制御ユニット16,水素タンク17及びコンプレッサ18を備えたシステムである。また、燃料電池システム10は、車両1のモータ20(本実施形態では、いわゆる三相交流モータ)に電力を供給するためのシステムとなっている。
As shown, a
この燃料電池システム10が備える電子制御ユニット16(以下、ECU16とも表記する)は、アクセルペダルセンサ21からの信号,モータ20からの信号等に基づき、FC昇圧コンバータ12,バッテリ昇圧コンバータ14,インバータ15,水素タンク17及びコンプレッサ18を統合的に制御するユニットである。なお、アクセルペダルセンサ21とは、アクセル開度(車両1に設けられているアクセスペダルの踏み込みの程度を示す情報)を検出するためのセンサのことである。また、モータ20からの信号とは、モータ20の回転数を示す信号のことである。
An electronic control unit 16 (hereinafter also referred to as ECU 16) provided in the
インバータ15は、直流電力を,モータ20を駆動するための交流電力に変換する回路である。燃料電池11(以下、FC11とも表記する)は、水素タンク17からの水素ガスとコンプレッサ18によって圧送されてくる空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う電池である。
The
FC昇圧コンバータ12は、FC11の出力電圧を昇圧するためのDC−DCコンバータである。
The
バッテリ13は、燃料電池11からインバータ15へ所望の電力が供給できない場合に、不足分の電力の供給源として機能する二次電池(蓄電池)である。このバッテリ13は、車両1の減速時にモータ20が発電する電力や,FC11からの電力により,充電が行われるものとなっている。
The
バッテリ昇圧コンバータ14は、バッテリ13の出力電圧を昇圧するためのDC−DCコンバータである。このバッテリ昇圧コンバータ14は、既存の多相コンバータと同様に、同一構成の複数の昇圧スイッチングコンバータを並列接続したものとなっている。
The
以上のことを前提に、以下、本実施形態に係る燃料電池システム10の構成及び動作をさらに具体的に説明する。
Based on the above, the configuration and operation of the
まず、図2を用いて、FC昇圧コンバータ12の回路構成を説明することにする。なお、この図2における負荷40とは、バッテリ13,バッテリ昇圧コンバータ14,インバータ15及びモータ20で構成されている部分(図1参照)のことである。
First, the circuit configuration of the
図から明らかなように、FC昇圧コンバータ12は、パルス幅変調方式の昇圧スイッチングコンバータ〔コイルL1,ダイオードD5,スイッチ素子S1,コンデンサC3(及び帰還ダイオードD4)からなる回路〕に、補助回路30,平滑コンデンサC1及び平滑コンデンサC4を追加したものとなっている。なお、パルス幅変調方式の昇圧スイッチングコンバータとは、1制御周期当たりのスイッチ素子S1のON時間(いわゆるデューティ比)を変更することにより,昇圧比を調整できるコンバータのことである。
As is apparent from the figure, the
このFC昇圧コンバータ12に追加されている補助回路30は、スイッチ素子S1(本実施形態では、IGBT)のソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング)を可能とするための回路である。
The
より具体的には、補助回路30は、コンデンサC2,コイルL2,及び,それをONにすることにより,FC11,コイルL2,コンデンサC2及びダイオードD2が直列接続された回路(一種のLC回路;以下、半波共振回路と表記する)が形成されることになるスイッチ素子S2を主要な構成要素とした回路となっている。また、補助回路30は、スイッチ素子S1にかかる電圧と同じ電圧が、コンデンサC2にかかる回路となっている。
More specifically, the
従って、スイッチ素子S1に電圧がかかっている状態で,この補助回路30のスイッチ素子S2をONにすると、コンデンサC2に貯まっているエネルギーがコイルL2に移行することによりコンデンサC2の電圧(=スイッチ素子S1の電圧)が下がることになる。なお、このエネルギーの移行が、短時間で完了する形,かつ,出力電圧にさほど影響を与えない形で行われるようにするために、補助回路30は、コンデンサC2,コイルL2として、それぞれ、低キャパシタンスのもの、低インダクタンスのものを用いた回路となっている。
Accordingly, when the switch element S2 of the
次に、本実施形態に係る燃料電池システム10に用いられているECU16の機能を説明する。
Next, functions of the
ECU16は、アクセル開度,モータ20の回転数,FC11の出力電圧等から,必要とされる昇圧比(FC昇圧コンバータ12の出力電圧/FC11の出力電圧)を求め、その昇圧比での昇圧動作を行わせるための制御を、FC昇圧コンバータ12に対して行うユ
ニットである。
The
より具体的には、ECU16は、図3に模式的に示してあるように、必要とされる昇圧比(及び1制御時間)に応じた時間分,スイッチ素子S1をONとする制御を,繰り返すユニットとなっている。また、ECU16は、スイッチ素子S1のON時間の,S2先行時間前に,スイッチ素子S2をONとし、スイッチ素子S1をOFFとする際に、スイッチ素子S2もOFFとするユニットとなっている。なお、S2先行時間とは、C2のインダクタンス,L2のキャパシタンス等によって定まる、スイッチ素子S1の電圧を“ゼロ”とする(或いは、ある程度のレベルまで下げる)ために必要な時間のことである。
More specifically, as schematically shown in FIG. 3, the
さらに、本実施形態に係るECU16は、必要とされる昇圧比に依って,FC昇圧コンバータ12の制御周期を変更するユニットとなっている。
Furthermore, the
具体的には、ECU16は、図4に示した手順の処理を行うユニットとして構成されている。
Specifically, the
すなわち、ECU16は、燃料電池システム10が起動されると、まず、通常の制御周期(詳細は後述)よりも長い制御周期でFC昇圧コンバータ12を制御する処理である特殊制御処理を開始する(ステップS101)。その後、ECU16は、アクセル開度,モータ20の回転数,FC11の出力電圧等から、必要とされる昇圧比を特定する処理(ステップS102)を行う。
That is, when the
特定した昇圧比が,予め定められている第1閾値(本実施形態では、“2”)〜第2閾値の範囲内の値であった場合(ステップS103;YES)、ECU16は、実行中の制御処理が特殊制御処理であるか否かを判断する(ステップS104)。
When the specified step-up ratio is a value within a range between a predetermined first threshold value (“2” in the present embodiment) to the second threshold value (step S103; YES), the
そして、ECU16は、実行中の制御処理が特殊制御処理であった場合(ステップS104;YES)には、通常の制御周期でFC昇圧コンバータ12を制御する処理である通常制御処理を開始(ステップS105)してから、ステップS102以降の処理を再び開始する。また、ECU16は、実行中の制御処理が特殊制御処理でなかった場合(ステップS104;NO)には、ステップS105の処理を行うことなく(実行する制御処理を変えることなく)、ステップS102以降の処理を開始する。
When the control process being executed is a special control process (step S104; YES), the
一方、特定した昇圧比が,第1閾値〜第2閾値の範囲内の値ではなかった場合(ステップS103;NO)、ECU16は、実行中の制御処理が通常制御処理であるか否かを判断する(ステップS106)。
On the other hand, when the specified step-up ratio is not a value within the range of the first threshold value to the second threshold value (step S103; NO), the
そして、ECU16は、実行中の制御処理が通常制御処理であった場合(ステップS106;YES)には、特殊制御処理を開始(ステップS107)してから、ステップS102以降の処理を再び開始する。また、ECU16は、実行中の制御処理が通常制御処理でなかった場合(ステップS106;NO)には、実行する制御処理を変えることなく、ステップS102以降の処理を開始する。
Then, when the control process being executed is a normal control process (step S106; YES), the
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る燃料電池システム10内のECU16は、必要とされる昇圧比が,第1閾値と第2閾値との間におさまっている状態から第2閾値(本発明の規定変圧比に相当)よりも高い状態になった場合には、FC昇圧コンバータ12の制御周期を、通常の制御周期よりも長いものに変更する(スイッチング周波数を下げる)ユニットとなっている。
As is clear from the above description, the
そして、図5に模式的に示してあるように、昇圧比が第2閾値以上のときに、FC昇圧
コンバータ12の制御周期をより長いものに変更すれば、S2先行時間の1制御周期にしめる割合が少なくなるので,デューティ比(スイッチ素子S1が実際にONとなっている時間/制御周期)が稼げることになる。従って、燃料電池システム10は、制御周期の変更機能を有さない燃料電池システムよりも,高い昇圧比まで昇圧が可能なシステムとなっていると言うことが出来る。
Then, as schematically shown in FIG. 5, when the control ratio of the
また、FC昇圧コンバータ12(図2)は、その回路構成上、スイッチ素子S2のON時点におけるコンデンサC2の電圧が,FC11の出力電圧の2倍以上でないと、コンデンサC2の電圧がゼロまで落ちない回路なのであるが、ECU16は、必要とされる昇圧比が,第1閾値(“2”)よりも低い場合、FC昇圧コンバータ12の制御周期を、通常の制御周期よりも長いものに変更するユニットとなっている。
Further, the FC boost converter 12 (FIG. 2) has a circuit configuration in which the voltage of the capacitor C2 does not drop to zero unless the voltage of the capacitor C2 when the switch element S2 is turned on is more than twice the output voltage of the FC11. Although it is a circuit, the
このため、本実施形態に係る燃料電池システム10は、低昇圧比で動作させた場合のスイッチング損失が少ないシステムでもあることになる。
For this reason, the
《変形形態》
上記した燃料電池システム10は、各種の変形を行うことが出来る。例えば、FC昇圧コンバータ12を、上記したものとは具体的な回路構成が異なる昇圧コンバータや昇降圧コンバータに変形することが出来る。また、燃料電池システム10を,燃料電池自動車以外の装置/システム用のものに変形しても良いことや、FC昇圧コンバータ12を,燃料電池11以外の電源からの出力電圧を昇圧するために用いても良いことなどは、当然のことである。
<Deformation>
The
1・・・・車両
10・・・・燃料電池システム
11・・・・燃料電池(FC)
12・・・・FC昇圧コンバータ
13・・・・バッテリ
14・・・・バッテリ昇圧コンバータ
15・・・・インバータ
16・・・・電子制御ユニット(ECU)
20・・・・モータ
21・・・・アクセルペダルセンサ
30・・・・補助回路
S1,S2,S3・・・・スイッチ素子
C1,C2,C3,C4・・・・コンデンサ
L1,L2,L3・・・・コイル
D1,D2,D3,D4,D5,D6・・・・ダイオード
1 ....
12 ....
20 ...
Claims (4)
燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を昇圧するための,パルス幅変調方式のソフトスイッチングコンバータと、
前記ソフトスイッチングコンバータの変圧比を制御するための制御ユニットであって、目的とする変圧比に依って前記ソフトスイッチングコンバータの制御周期を変更する制御ユニットと
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system for supplying power to a power consuming device that consumes power and operates,
A fuel cell;
A pulse width modulation type soft switching converter for boosting the output voltage of the fuel cell;
A fuel cell system comprising: a control unit for controlling a transformation ratio of the soft switching converter, wherein the control unit changes a control cycle of the soft switching converter according to a target transformation ratio.
目的とする変圧比が予め定められている規定変圧比よりも高い場合に、前記ソフトスイッチングコンバータの制御周期を長くするユニットである
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 The control unit is
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the unit is a unit that lengthens a control cycle of the soft switching converter when a target transformation ratio is higher than a predetermined regulation transformation ratio.
目的とする変圧比がソフトスイッチング制御が不可能な低い変圧比である場合に、前記ソフトスイッチングコンバータの制御周期を長くするユニットである
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 The control unit is
The fuel according to claim 1 or 2, wherein when the target transformation ratio is a low transformation ratio where soft switching control is impossible, the control cycle of the soft switching converter is lengthened. Battery system.
前記ソフトスイッチングコンバータの変圧比を制御するための制御ユニットであって、目的とする変圧比に依って前記ソフトスイッチングコンバータの制御周期を変更する制御ユニットと
を備えることを特徴とする電源装置。 A pulse width modulation type soft switching converter for boosting the input voltage;
A control unit for controlling a transformation ratio of the soft switching converter, the control unit changing a control cycle of the soft switching converter according to a target transformation ratio.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2007341064A JP2009163947A (en) | 2007-12-28 | 2007-12-28 | Fuel cell system, and power supply device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2010146689A1 (en) * | 2009-06-18 | 2010-12-23 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel battery system |
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2007
- 2007-12-28 JP JP2007341064A patent/JP2009163947A/en not_active Withdrawn
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WO2010146689A1 (en) * | 2009-06-18 | 2010-12-23 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel battery system |
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