JP2009165243A - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009165243A JP2009165243A JP2007341266A JP2007341266A JP2009165243A JP 2009165243 A JP2009165243 A JP 2009165243A JP 2007341266 A JP2007341266 A JP 2007341266A JP 2007341266 A JP2007341266 A JP 2007341266A JP 2009165243 A JP2009165243 A JP 2009165243A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- voltage
- boost converter
- converter
- battery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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に関する。 The present invention relates to a fuel cell system for supplying power to a power consuming device.
周知のように、燃料電池は、運転効率が高く，環境性に優れた電源となっている。このため、燃料電池（及びバッテリ）を電源とした燃料電池自動車が、多数の自動車メーカーによって開発されている。 As is well known, a fuel cell is a power source that has high operating efficiency and excellent environmental performance. For this reason, a number of automobile manufacturers have developed fuel cell vehicles that use fuel cells (and batteries) as a power source.
ただし、既存の燃料電池自動車は、燃料電池の出力を遮断するための出力遮断用リレーが、燃料電池の直下に（燃料電池とＤＣ−ＤＣコンバータの間に）設けられたもの（例えば、特許文献１，２参照。）となっている。そして、自動車用の燃料電池は、大電流を出力するものであるため、既存の燃料電池自動車は、出力遮断用リレーとして、比較的に大型のリレー（大電流を流しても問題のないリレー）を用いざるを得ないものとなっている。 However, in existing fuel cell vehicles, an output cutoff relay for shutting down the output of the fuel cell is provided immediately below the fuel cell (between the fuel cell and the DC-DC converter) (for example, Patent Documents). 1 and 2). And since the fuel cell for automobiles outputs a large current, the existing fuel cell automobile has a relatively large relay as a relay for shutting off the output (a relay that does not cause a problem even if a large current is passed). Must be used.
そこで、本発明の課題は、電力消費装置（燃料電池自動車のモータ等）に電力を供給するための，燃料電池の出力を遮断することが可能な燃料電池システムであって、燃料電池の出力遮断用のリレーとして，より小型のものを採用可能な構成を有する燃料電池システムを、提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is a fuel cell system capable of shutting off the output of a fuel cell for supplying power to a power consuming device (such as a motor of a fuel cell vehicle), and shutting off the output of the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system having a configuration in which a smaller relay can be employed.
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、前記燃料電池からの直流電圧を昇圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子と前記電力消費装置とを電気的に接続する給電路と、前記給電路上に設けられている，前記出力端子からの前記電力消費装置への電力供給をオン・オフするためのリレー回路とを、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 is provided for boosting a fuel cell and a DC voltage from the fuel cell. A DC-DC converter, a power supply path that electrically connects the output terminal of the DC-DC converter and the power consuming device, and a power supply path provided on the power supply path to the power consuming device from the output terminal A relay circuit for turning on and off the power supply.
すなわち、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力を遮断するためのリレー回路（例えば、２つ、或いは、１つのリレーで構成された回路）が、燃料電池の直下ではなく、燃料電池の直下よりも流れる電流量が少ない箇所（燃料電池からの直流電圧を昇圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータの下流）に設けられた構成を有している。従って、この燃料電池システムは、燃料電池の出力遮断用のリレーとして，従来よりも小型のものを採用可能なシステム（小型化が可能なシステム）であることになる。 That is, in the fuel cell system of the present invention, a relay circuit (for example, a circuit constituted by two or one relay) for cutting off the output of the fuel cell is not directly under the fuel cell, It has a configuration provided at a location where the amount of current flowing is less than that directly below (downstream of the DC-DC converter for boosting the DC voltage from the fuel cell). Therefore, this fuel cell system is a system (a system that can be reduced in size) that can adopt a smaller relay than the conventional one as a relay for shutting off the output of the fuel cell.
本発明の燃料電池システムを実現するに際しては、『前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御ユニットであって、前記電力消費装置に供給すべき電力が所定値以下であった場合には、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作を停止させることにより、前記ＤＣ−ＤＣ
コンバータに、前記燃料電池からの直流電圧をそのまま出力させる制御ユニット』を付加しておくことが出来る。なお、そのような制御ユニットを付加しておいた場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータの，低負荷時（前記電力消費装置に供給すべき電力が所定値以下であった場合）におけるスイッチングロスが少ない燃料電池システムを実現できることになる。
In realizing the fuel cell system of the present invention, the control unit for controlling the DC-DC converter is configured such that when the power to be supplied to the power consuming device is less than a predetermined value, the DC- By stopping the boosting operation of the DC converter, the DC-DC
A control unit that outputs the DC voltage from the fuel cell as it is can be added to the converter. In addition, when such a control unit is added, the switching loss of the DC-DC converter at a low load (when the power to be supplied to the power consuming device is less than a predetermined value) is small. A fuel cell system can be realized.
また、『前記給電路の，前記リレー回路よりも前記電力消費装置側の部分に電気的に接続されている，前記電力消費装置に電力を供給可能な副電源装置』を付加した形で、本発明の燃料電池システムを実現することも出来る。 Further, the present invention is added with a “sub power supply device that is electrically connected to a portion of the power supply path closer to the power consuming device than the relay circuit and can supply power to the power consuming device”. The fuel cell system of the invention can also be realized.
また、本発明の燃料電池システムを実現するに際しては、『前記リレー回路によって前記出力端子からの前記電力消費装置への電力供給がオフされている状況下にある前記燃料電池及び前記ＤＣ−ＤＣコンバータをディスチャージするためのディスチャージ回路』（燃料電池の出力端子間に設けられた，抵抗とリレーとを直列接続した回路等）を、付加しておくことが望ましい。何故ならば、そのようなディスチャージ回路を付加しておけば、安全対策上，必要な場合（衝突時等）に、燃料電池，ＤＣ−ＤＣコンバータ（内のキャパシタ）のディスチャージを確実に行えることになるからである。 Further, when realizing the fuel cell system of the present invention, “the fuel cell and the DC-DC converter in a state where power supply from the output terminal to the power consuming device is turned off by the relay circuit” It is desirable to add a “discharge circuit for discharging the battery” (a circuit or the like provided between the output terminals of the fuel cell in which a resistor and a relay are connected in series). This is because if such a discharge circuit is added, the fuel cell and the DC-DC converter (internal capacitor) can be reliably discharged when necessary (for a collision, etc.) for safety measures. Because it becomes.
本発明によれば、燃料電池の出力遮断用のリレーとして，より小型のものを採用可能な燃料電池システムを、実現できることになる。 According to the present invention, it is possible to realize a fuel cell system that can adopt a smaller relay as a relay for shutting off the output of the fuel cell.
本発明に係る燃料電池システム１０の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、移動体である車両１の駆動装置である駆動モータ１６に対して電力を供給するものであるが、船舶やロボット等の車両１以外の移動体や、移動は行わないが電力の供給を受ける必要がある物に対しても適用が可能である。
An embodiment of a
図１は、本発明に係る燃料電池システム１０の概略構成および、該燃料電池システム１０より供給される電力を駆動源とする移動体の車両１を概略的に示す。車両１は、駆動輪２が駆動モータ（以下、単に「モータ」という。）１６によって駆動されることで自走し、移動可能となる。このモータ１６は、いわゆる三相交流モータであって、インバータ１５から交流電力の供給を受ける。更に、このインバータ１５へは、燃料電池システム１０のメイン電力源である燃料電池（以下、「ＦＣ」ともいう。）１１と、二次電池であるバッテリ１３から直流電力が供給され、それがインバータ１５で交流へ変換されている。
FIG. 1 schematically shows a schematic configuration of a
ここで、燃料電池１１は、水素タンク１７に貯蔵されている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て発電を行い、該燃料電池１１とインバータ１５との間には、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータであるＦＣ昇圧コンバータ１２が電気的に接続されている。これにより、燃料電池１１からの出力電圧は、ＦＣ昇圧コンバータ１２によって制御可能な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバータ１５に印加される。また、このＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作によって燃料電池１１の端子電圧を制御することも可能となる。尚、ＦＣ昇圧コンバータ１２の詳細な構成については、後述する。また、バッテリ１３は、充放電が可能な蓄電装置であって、該バッテリ１３とインバータ１５との間に該インバータ１５に対して上記ＦＣ昇圧コンバータ１２と並列になるように、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１４が電気的に接続されている。これにより、バッテリ１３からの出力電圧は、バッテリ昇圧コンバータ１４によって制御可能な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバータ１５に印加される。また、このバッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作によってインバータ１５の端子電圧を制御することも可能となる。
尚、図１中に示すように、燃料電池システム１０においては、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて、昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータも採用可能である。以下の実施例では、主にバッテリ昇圧コンバータ１４を昇圧型のコンバータとして説明を進めていくが、これには昇降圧型のコンバータの採用を制限する意図は無く、その採用に際しては適宜調整が行われる。そして、昇降圧型コンバータを採用することにより更に特筆すべき事実については適切にその開示を行っていく。
Here, the
As shown in FIG. 1, in the
また車両１には、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）２０が備えられ、上述した各制御対象に電気的に接続されることで、燃料電池１１の発電やモータ１６の駆動等が制御されることになる。例えば、車両１には、ユーザからの加速要求を受けるアクセルペダルが設けられ、その開度がアクセルペダルセンサ２１によって検出され、その検出信号がＥＣＵ２０に電気的に伝えられる。また、ＥＣＵ２０は、モータ１６の回転数を検出するエンコーダにも電気的に接続され、これによりＥＣＵ２０でモータ１６の回転数が検出される。ＥＣＵ２０は、これらの検出値等に基づいて、各種の制御が可能である。
Further, the
このように構成される燃料電池システム１０では、車両１のユーザが踏んだアクセルペダルの開度がアクセルペダルセンサ２１によって検出され、ＥＣＵ２０がそのアクセル開度とモータ１６の回転数等に基づいて、燃料電池１１の発電量やバッテリ１３からの充放電量が適宜制御される。ここで、移動体である車両１の燃費を向上させるために、モータ１６が高電圧低電流仕様のＰＭモータとなっている。従って、モータ１６は、低電流で高トルクを発揮することが可能となるため、モータ内部の巻線やその他の配線での発熱を軽減することが可能となり、またインバータ１５の定格出力を小さくすることが可能となる。具体的には、モータ１６では低電流で比較的大きなトルク出力を可能とするためにその逆起電圧が比較的高く設定される一方で、その高逆起電圧に抗して高回転数での駆動が可能となるように、燃料電池システム１０からの供給電圧が高く設定される。このとき、燃料電池１１とインバータ１５の間にＦＣ昇圧コンバータ１２を設け、バッテリ１３とインバータ１５との間にもバッテリ昇圧コンバータ１４を設けることで、インバータ１５への供給電圧の高電圧化が図られる。繰り返しにはなるが、このバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて昇降圧型のコンバータも採用可能である。
In the
このように燃料電池システム１０をＦＣ昇圧コンバータ１２を含む構成とすることで、燃料電池１１自体の出力電圧（端子間電圧）が低くても、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作によりモータ１６を駆動することが可能となるので、燃料電池１１のセル積層枚数を低減する等してその小型化を図ることも可能となる。その結果、車両１の重量を低減でき、その燃費向上を更に促進することができる。
In this way, by configuring the
ここで、燃料電池システム１０においては、発電可能な燃料電池１１がモータ１６に対するメイン電力源となっている。従って、燃料電池システム１０の効率を向上させるためには、燃料電池１１とインバータ１５との間に介在するＦＣ昇圧コンバータ１２での電力損失を低減することが、システム全体の効率向上に大きく寄与すると考えられる。もちろん、バッテリ１３とインバータ１５との間のバッテリ昇圧コンバータ１４にも原則的に同様のことが当てはまる。
Here, in the
ここで、図２に基づいて、ＦＣ昇圧コンバータ１２の電気回路の特徴について説明する。図２は、ＦＣ昇圧コンバータ１２を中心として、燃料電池システム１０の電気的構成を示す図であるが、説明を簡便にするためにバッテリ１３およびバッテリ昇圧コンバータ１４の記載は省略している。
Here, the characteristics of the electric circuit of the
ＦＣ昇圧コンバータ１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータとしての昇圧動作を行うための主昇圧回路１２ａと、後述するソフトスイッチング動作を行うための補助回路１２ｂとで構成
されている。主昇圧回路１２ａは、スイッチ素子Ｓ１とダイオードＤ４で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルＬ１に蓄えられたエネルギをモータ１６側（インバータ１５側）にダイオードＤ５を介して解放することで燃料電池１１の出力電圧を昇圧する。具体的には、コイルＬ１の一端が燃料電池１１の高電位側の端子に接続される。そして、スイッチ素子Ｓ１の一端の極が、コイルＬ１の他端に接続されるとともに、該スイッチ素子Ｓ１の他端の極が、燃料電池の低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードＤ５のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、更に、コンデンサＣ３が、ダイオードＤ５のアノード端子とスイッチ素子Ｓ１の他端との間に接続されている。尚、この主昇圧回路１２ａにおいて、コンデンサＣ３は、昇圧電圧の平滑コンデンサとして機能する。尚、主昇圧回路１２ａには、燃料電池１１側に平滑コンデンサＣ１も設けられ、これにより燃料電池１１の出力電流のリップルを低減することが可能となる。この平滑コンデンサＣ３にかかる電圧ＶＨは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧となる。また、図２では、燃料電池１１の電源電圧をＶＬで示し、これは平滑コンデンサＣ１にかかる電圧であって、且つＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧となる。
The
次に、補助回路１２ｂには、先ずスイッチ素子Ｓ１に並列に接続された、ダイオードＤ３と、それに直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第一直列接続体が含まれる。この第一直列接続体では、ダイオードＤ３のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、そのアノード端子がスナバコンデンサＣ２の一端に接続されている。更に、該スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池１１の低電位側の端子に接続されている。更に、補助回路１２ｂには、誘導素子であるコイルＬ２と、ダイオードＤ２と、スイッチ素子Ｓ２及びダイオードＤ１で構成されるスイッチング回路とが直列に接続された第二直列接続体が含まれる。この第二直列接続体では、コイルＬ２の一端が、第一直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続される。更に、ダイオードＤ２のカソード端子が、コイルＬ２の他端に接続されるとともに、そのアノード端子が、スイッチ素子Ｓ２の一端の極に接続される。また、スイッチ素子Ｓ２の他端は、コイルＬ１の一端側に接続される。尚、この第二直列接続体の回路トポロジーについては、コイルＬ２、ダイオードＤ２、スイッチ素子Ｓ２等によるスイッチング回路の直列順序は、適宜入れ替えた形態も採用し得る。特に、図２に示す状態に代えて、コイルＬ２とスイッチ素子Ｓ２等によるスイッチング回路の順序を入れ替えることで、実際の実装回路ではコイルＬ１とコイルＬ２は一体化でき、半導体素子のモジュール化が容易となる。
Next, the
このように構成されるＦＣ昇圧コンバータ１２は、スイッチ素子Ｓ１のスイッチングデューティ比を調整することで、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧比、即ちＦＣ昇圧コンバータ１２に入力される燃料電池１１の出力電圧に対する、インバータ１５にかけられるＦＣ昇圧コンバータ１２の出力電圧の比が制御される。また、このスイッチ素子Ｓ１のスイッチング動作において補助回路１２ｂのスイッチ素子Ｓ２のスイッチング動作を介在させることで、後述するいわゆるソフトスイッチングが実現され、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチングロスを大きく低減させることが可能となる。
The
次に、ＦＣ昇圧コンバータ１２におけるソフトスイッチングについて、図３、４Ａ〜４Ｆに基づいて説明する。図３は、ソフトスイッチング動作を介したＦＣ昇圧コンバータ１２での昇圧のための一サイクルの処理（以下、「ソフトスイッチング処理」という。）のフローチャートである。当該ソフトスイッチング処理は、Ｓ１０１〜Ｓ１０６の各処理がＥＣＵ２０によって順次行われて一サイクルを形成するが、各処理によるＦＣ昇圧コンバータ１２での電流、電圧の流れるモードをそれぞれモード１〜モード６として表現し、その状態を図４Ａ〜４Ｆに示す。以下、これらの図に基づいて、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのソフトスイッチング処理について説明する。尚、図４Ａ〜図４Ｆにおいては、図面の表示を簡潔にするため、主昇圧回路１２ａと補助回路１２ｂの参照番号の記載は省略しているが、各モードの説明においては、各回路を引用する場合がある。また、各図中、太矢印
で示されるのは、回路を流れる電流を意味している。
Next, soft switching in the
尚、図３に示すソフトスイッチング処理が行われる初期状態は、燃料電池１１からインバータ１５およびモータ１６に電力が供給されている状態、即ちスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２がともにターンオフされることで、コイルＬ１、ダイオードＤ５を介して電流がインバータ１５側に流れている状態である。従って、当該ソフトスイッチング処理の一サイクルが終了すると、この初期状態と同質の状態に至ることになる。
The initial state in which the soft switching process shown in FIG. 3 is performed is a state where electric power is supplied from the
ソフトスイッチング処理において、先ずＳ１０１では図４Ａに示されるモード１の電流・電圧状態が形成される。具体的には、スイッチ素子Ｓ１はターンオフの状態でスイッチ素子Ｓ２をターンオンする。このようにすると、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧ＶＨと入口電圧ＶＬの電位差によって、コイルＬ１及びダイオードＤ５を介してインバータ１５側に流れていた電流が、補助回路１２ｂ側に徐々に移行していく。尚、図４Ａ中には、その電流の移行の様子を白抜き矢印で示している。
In the soft switching process, first, in S101, the current / voltage state of
次に、Ｓ１０２では、Ｓ１０１の状態が所定時間継続すると、ダイオードＤ５を流れる電流がゼロとなり、代わってスナバコンデンサＣ２と燃料電池１１の電圧ＶＬとの電位差により、スナバコンデンサＣ２に蓄電されていた電荷が補助回路１２ｂ側に流れ込んでいく（図４Ｂに示すモード２の状態）。このスナバコンデンサＣ２は、スイッチ素子Ｓ１にかかる電圧を決定する機能を有している。スイッチ素子Ｓ１をターンオンするときに該スイッチ素子Ｓ１に印加される電圧に影響を与えるスナバコンデンサＣ２の電荷が、モード２では補助回路１２ｂに流れ込むことで、スナバコンデンサＣ２にかかる電圧が低下していく。このとき、コイルＬ２とスナバコンデンサＣ２の半波共振により、スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなるまで、電流は流れ続ける。この結果、後述するＳ１０３でのスイッチ素子Ｓ１のターンオン時のその印加電圧を下げることが可能となる。
Next, in S102, when the state of S101 continues for a predetermined time, the current flowing through the diode D5 becomes zero, and instead, the electric charge stored in the snubber capacitor C2 due to the potential difference between the snubber capacitor C2 and the voltage VL of the
更に、Ｓ１０３においては、スナバコンデンサＣ２の電荷が抜け切ったら、スイッチ素子Ｓ１が更にターンオンされ、図４Ｃに示されるモード３の電流・電圧状態が形成される。即ち、スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなった状態ではスイッチ素子Ｓ１にかかる電圧もゼロとなり、そして、その状態でスイッチ素子Ｓ１をターンオンすることにより、スイッチ素子Ｓ１をゼロ電圧状態にした上でそこに電流を流し始めることになるため、スイッチ素子Ｓ１におけるスイッチング損失を理論上、ゼロとすることができる。
Further, in S103, when the electric charge of the snubber capacitor C2 is completely discharged, the switch element S1 is further turned on, and the
そして、Ｓ１０４では、Ｓ１０３の状態が継続することで、コイルＬ１に流れ込んでいく電流量を増加させて、コイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増やしていく。この状態が、図４Ｄに示されるモード４の電流・電圧状態である。その後、コイルＬ１に所望のエネルギが蓄えられると、Ｓ１０５において、スイッチ素子Ｓ１及びＳ２がターンオフされる。すると、上記モード２で電荷が抜かれて低電圧状態となっているスナバコンデンサＣ２に電荷が充電され、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧ＶＨと同電圧に至る。この状態が、図４Ｅに示されるモード５の電流・電圧状態である。そして、スナバコンデンサＣ２が電圧ＶＨまで充電されると、Ｓ１０６においてコイルＬ１に蓄えられたエネルギがインバータ１５側に解放される。この状態が、図４Ｆに示されるモード６の電流・電圧状態である。尚、このモード５が行われるとき、スイッチ素子Ｓ１にかかる電圧はスナバコンデンサＣ２により電圧の立ち上がりを遅らせられるため、スイッチ素子Ｓ１におけるテール電流によるスイッチング損失をより小さくできる。
In S104, the state of S103 continues, increasing the amount of current flowing into the coil L1, and gradually increasing the energy stored in the coil L1. This state is the current / voltage state of mode 4 shown in FIG. 4D. Thereafter, when desired energy is stored in the coil L1, the switch elements S1 and S2 are turned off in S105. Then, the electric charge is extracted in the
上述のようにＳ１０１〜Ｓ１０６の処理を一サイクルとしてソフトスイッチング処理を行うことで、ＦＣ昇圧コンバータ１２におけるスイッチング損失を可及的に抑制した上で、燃料電池１１の出力電圧を昇圧しインバータ１５に供給可能となる。その結果、高電圧低電流モータであるモータ１６を効率的に駆動することが可能となる。
As described above, the soft switching process is performed with the processes of S101 to S106 as one cycle, so that the switching loss in the
ここで、燃料電池システム１０においては、上記ソフトスイッチング処理に加えて、ＦＣ昇圧コンバータ１２の間欠運転制御を行うことで、システム効率を向上させる。説明を簡潔にするために、燃料電池１１とインバータ１５及びモータ１６との関係に着目すると、モータ１６に対するメイン電力源である燃料電池１１からの電力は、ＦＣ昇圧コンバータ１２を介してインバータ１５側へ供給される。そして、メイン電力源である燃料電池１１がモータ１６の駆動に際してインバータ１５に印加すべき電圧は、モータ１６の逆起電力に十分に抵抗できる電圧でなければならない。従って、上記ＦＣ昇圧コンバータ１２が備えられていない従来の燃料電池システムでは、図５に示すように、車両１の採り得る速度範囲（０〜ＶＳｍａｘ）において、ＬＶ１で示される燃料電池によって印加される電圧が、常にモータ駆動に必要な、インバータ１５に印加すべき電圧（以下、「モータ必要電圧」という。）を超えた状態としなければならない。そのため、インバータに印加されるべき電圧を大きく超えた電圧がインバータに印加されることになり、インバータのスイッチング損失が大きくなっていた。そして、特に車両１の速度が低い領域では、インバータのスイッチング損失が顕著となり得る。
Here, in the
ここで、本発明に係る燃料電池システム１０では、ＦＣ昇圧コンバータ１２が設けられているため、燃料電池１１からの電圧を昇圧してインバータ１５に印加することは可能である。しかし、このＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧動作では、スイッチ素子による何らかのスイッチング損失が発生するため、当該昇圧動作はシステムの効率を低下させる一因となる。一方で、上述したように、モータ１６は高電圧低電流仕様のモータであるため、その回転数の上昇に伴い発生する逆起電圧も大きくなっていき、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧動作は不可欠となる。
Here, since the
そこで、燃料電池１１からの出力電圧とインバータ１５に印加すべきモータ必要電圧の相関を、図６においてそれぞれＬＶ１、ＬＶ２で示す。図６のＬＶ２で示すように、モータ１６の逆起電圧は、車両１の速度が上昇していくに従い、増加していくため、モータ必要電圧も車両速度の増加とともに増加していく。ここで、燃料電池１１の出力電圧ＬＶ１とモータ必要電圧ＬＶ２との相関において、両者が交差するときの車両１の速度ＶＳ０が、ユーザによる車両１の通常操縦を概ね賄う速度となるように、燃料電池１１の電圧特性とモータ１６の電圧特性とを決定すればよい。本実施例においては、車両運転法規やユーザの通常操縦の傾向等から、ＶＳ０を１１０ｋｍ／ｈと設定する。そして、この速度ＶＳ０での車両１の走行を可能とするモータ１６の駆動時の最大出力を算出し、当該最大出力の発揮が可能となるように、インバータ１５に印加すべき電圧（モータ必要電圧）を導出する。そして、このモータ必要電圧が、ＦＣ昇圧コンバータ１２を介さずに燃料電池１１から直接に出力可能となるように、燃料電池１１の設計（例えば、複数のセルが積層されて形成される燃料電池では、その積層セル数が調整される等）が行われる。
Therefore, the correlation between the output voltage from the
このように設計された燃料電池１１を含む燃料電池システム１０では、車両１の速度がＶＳ０に至るまでの間は、燃料電池１１からの出力電圧が、モータ１６を駆動するためのモータ必要電圧よりも高いため、たとえモータ１６が高電圧低電流仕様のモータであっても、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作が無くとも燃料電池１１からの直接の出力電圧によって該モータ１６を駆動することが可能となる。換言すると、この条件下では、ＦＣ昇圧コンバータ１２によるスイッチング動作を停止させて、燃料電池１１からの出力電圧をインバータ１５に印加することで、モータ１６の駆動を確保できることになる。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチング損失を、完全に排除することができる。更には、ＦＣ昇圧コンバータ１２が停止することでインバータ１５に印加される電圧が過度に高くならないため、即ち、図５に示す状態よりもＬＶ１とＬＶ２との電圧差を小さくする抑えることができるため、インバータ１５でのスイッチング損失を低く抑えることができる。
In the
一方で、車両１の車両速度がＶＳ０以上となると、逆にモータ１６を駆動するためのモータ必要電圧が、燃料電池１１からの出力電圧よりも高くなるため、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧動作が必要となる。この場合、上述したソフトスイッチング処理を行うことで、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチング損失を可及的に抑えることが可能となる。
On the other hand, when the vehicle speed of the
上記までは、説明の簡便化のために、燃料電池１１とモータ１６との相関にのみ着目しているが、図１に示すように燃料電池システム１においては、モータ１６に対してバッテリ１３からの電力供給も可能である。バッテリ１３から電力供給される場合は、バッテリ１３からの出力電圧がバッテリ昇圧コンバータ１４によって昇圧された上で、インバータ１５に印加されることになる。ここで、バッテリ昇圧コンバータ１４は、いわゆる昇圧コンバータであるため、バッテリ１３からインバータ１５に電力供給を行うためには、バッテリ昇圧コンバータ１４の出口電圧（インバータ１５側の電圧であり、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧と同等）が、その入口電圧（バッテリ１３側の電圧）と比較して同じか、又はより高い状態でなければならない。
Up to the above, only the correlation between the
そこで、バッテリ１３の出力電圧と燃料電池１１の出力電圧の相関について、図７Ａおよび図７Ｂに基づいて説明する。両図では、ともにバッテリ１３のＩＶ特性（図中、点線ＬＢＴで示される。）と、燃料電池１１のＩＶ特性（図中、実線ＬＦＣで示される。）とが示されている。ここで、図７Ａで、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣがバッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴより高い領域においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させたとしてもバッテリ１３の出力電圧がＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧より低い状態となるので、バッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧動作可能となり、以てバッテリ１３からモータ１６への電力供給ができる。従って、この状態ではＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が許容される。一方で、バッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴが、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣより高い領域においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させるとバッテリ１３の出力電圧がＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧より高い状態となるので、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作による燃料電池１１とバッテリ１３の出力分配制御が不可能となる。従って、この状態ではＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が許容されない。
Therefore, the correlation between the output voltage of the
即ち、バッテリ昇圧コンバータ１４によってバッテリ１３からの出力電圧を昇圧して、モータ１６に電圧を印加する場合には、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧が、バッテリ１３の出力電圧（バッテリ昇圧コンバータ１４の入口電圧）より高い状態を形成する必要があり、そのためにＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が許容されない場合がある。例えば、図７Ａに示すように、比較的低電流領域で、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣがバッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴより低くなる場合には、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作を確保するために、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止は許容されず、その結果、上述したスイッチング損失の低減を図る可能性が低下する。一方で、例えば、図７Ｂに示すように、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣがバッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴより常に上にある場合には、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作確保の観点から、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が制限されることはない。
That is, when boosting the output voltage from the
尚、上述までのバッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作確保に関するＦＣ昇圧コンバータ１２の動作制限は、図１に示す燃料電池システム１０に含まれるバッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータ（即ち、降圧動作を行えないコンバータ）であることに起因する。従って、燃料電池システム１０において、バッテリ昇圧コンバータ１４に代えて、昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用する場合は、ＦＣ昇圧コンバータ１２は上記の動作制限に縛られることはなく、燃料電池１１、バッテリ１３からの出力電圧を選択的にモータ１６に印加できる。
The operation limitation of the
以上より、本実施例においては、想定される車両１の駆動に基づいて必要なバッテリ１３のＩＶ特性と燃料電池１１のＩＶ特性を決定し、両ＩＶ特性の相関および燃料電池１１の出力電圧とモータ必要電圧との関係から、図８Ａおよび図８Ｂのマップに示すようなＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作のための制御領域を画定した。以下に、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作について、詳細に説明する。
As described above, in this embodiment, the necessary IV characteristics of the
図８Ａおよび図８Ｂは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧を横軸とし、その出口電圧を縦軸として形成される動作領域に対して、該ＦＣ昇圧コンバータ１２において実行される処理を関連付けて表示したマップである。尚、図８Ａは、燃料電池システム１０に含まれるバッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータであるときのマップであり、図８Ｂは、該昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて、昇降圧型のコンバータを採用したときのマップである。先ず、図８Ａに示すマップについて説明する。ここで、当該マップには、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧比が１であること、即ち該入口電圧と該出口電圧との比が１：１であることを意味する直線ＬＲ１と、その昇圧比が２近傍の値（図中では、昇圧比を単に「２」と示す。）であることを意味する直線ＬＲ２と、その昇圧比が１０であることを意味する直線ＬＲ３と、該ＦＣ昇圧コンバータ１２の最高出力電圧を意味する直線ＬＲ４が記載されている。直線ＬＲ２については、図９、図１０Ａ、１０Ｂに基づいて後述する。また、直線ＬＲ３は、ＦＣ昇圧コンバータ１２による最大昇圧比を示している。従って、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作範囲は、直線ＬＲ１、ＬＲ３、ＬＲ４で囲まれる領域であることが分かる。
8A and 8B show the processing executed in the
ここで、車両１の想定速度範囲で、最もモータ１６にかかる負荷が低い場合、即ち道路の摩擦抵抗程度の負荷がかかる場合（図中、負荷率＝Ｒ／Ｌ (Road Load）)のＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧とその出口電圧との関係が、一点鎖線ＬＬ１で示されている。一方で、同じように車両１の想定速度範囲で、最もモータ１６にかかる負荷が高い場合、即ち車両１のアクセル開度が100％である場合（図中、負荷率＝100％)のＦＣ昇圧コンバー
タ１２の入口電圧とその出口電圧との関係が、一点鎖線ＬＬ２で示されている。従って、車両１に搭載される燃料電池システム１０は、車両１を駆動させるという観点からは、一点鎖線ＬＬ１とＬＬ２とで挟まれた領域で示される昇圧動作を、ＦＣ昇圧コンバータ１２に行わせることになる。
Here, in the assumed speed range of the
図８Ａに示すマップでは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域をＲＣ１〜ＲＣ４の４つの領域に区分している。これらの領域では、それぞれＦＣ昇圧コンバータ１２の動作に関し特徴的な動作が行われ、以下に各領域でのＦＣ昇圧コンバータ１２の動作を説明する。先ず、昇圧比１を示す直線ＬＲ１以下の領域として、領域ＲＣ１が画定されている。この領域ＲＣ１では、モータ１６を駆動するために必要とされる昇圧比が１以下であるので（現実にはＦＣ昇圧コンバータ１２は昇圧コンバータであるので、昇圧比を１以下にすること、即ち降圧はできないことに注意されたい。）、結果的にはＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させて、燃料電池１１の出力電圧を直接インバータ１５に印加することが可能となる。そこで、ＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧となる燃料電池１１の出力電圧が、燃料電池１１の最大電圧のＶｆｃｍａｘと、バッテリ１３の開放電圧(OCV: Open Circuit Voltage)と同値のＶｆｃｂとの間の範囲であって、且つ直線ＬＲ１および一点鎖線ＬＬ１とで
囲まれて画定される領域ＲＣ１においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作を完全に停止させる。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２におけるスイッチング損失を抑えることが可能となる。このように、電圧Ｖｆｃｂを境界としてＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が制約を受けるのは、上述の通りバッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータでありその昇圧動作確保のためである。
In the map shown in FIG. 8A, the operation region of the
次に、領域ＲＣ２について説明する。この領域は、ＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧
が上記のＶｆｃｂ以下であって、且つ該ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧がバッテリ１３のＯＣＶ以下、即ちＶｆｃｂと同値の電圧以下である領域として画定される。即ち、この領域ＲＣ２においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作を行わないとバッテリ昇圧コンバータ１４の出口電圧が入口電圧より低くなり該バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作が不可能となる領域であり、また仮にＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作を行ったとしても、その昇圧比が低いため同様にバッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作が不可能となる領域でもある。
Next, the region RC2 will be described. This region is defined as a region where the inlet voltage of the
このように画定される領域ＲＣ２では、領域ＲＣ１と同様に、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させて、そのスイッチング損失が発生しないようにする。そして、バッテリ昇圧コンバータ１４にて制御可能な最低電圧に燃料電池１１の端子電圧を制御する。尚、図では、理想的な昇圧コンバータを使用した場合にその電圧はバッテリ１３のＯＣＶに等しいと仮定して、上記Ｖｆｃｂを設定している。この状態は、バッテリ１３の放電電力が許す限り継続される。
In the region RC2 defined in this way, the
尚、この領域ＲＣ２は、モータ１６の駆動状態が変遷する中で、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域が上記領域ＲＣ１から、後述する領域ＲＣ３に移行する際に介在する過渡的な領域である。従って、バッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータである場合には、この過渡的な領域ＲＣ２が可能な限り小さくなるように、図７Ａ、７Ｂに基づいて説明した燃料電池１１のＩＶ特性とバッテリ１３のＩＶ特性との相関を適切に調整するのが好ましい。
This region RC2 is a transitional region that is interposed when the operation region of the
ここで、直線ＬＲ１より下の領域に関して、図８Ｂに示すマップ、即ち燃料電池システム１０においてバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて昇降圧型のコンバータが採用されたときのマップについて説明する。この場合、昇降圧型のコンバータによってバッテリ１３の出力電圧を降圧することが可能であるから、上述したようにＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止について上記電圧Ｖｆｃｂによる制約を受けることがなくなる。従って、図８Ｂに示すように、直線ＬＲ１よりも下の領域については、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作を制約無く停止しシステムの効率を向上させることが容易となる。従って、この結果、図８Ｂにおいては上記領域ＲＣ２に相当する領域が存在しないことになる。ここで、以下に示すマップの説明は、図８Ａおよび図８Ｂに共通に当てはまるため、その説明はまとめて行う。
Here, regarding the region below the straight line LR1, the map shown in FIG. 8B, that is, the map when the step-up / step-down converter is employed instead of the
上述までの領域ＲＣ１、ＲＣ２以外の動作領域では、ＦＣ昇圧コンバータ１２を駆動させて、燃料電池１１の出力電圧の昇圧動作を行うことになる。この昇圧動作においては、図４Ａ〜４Ｆに基づいて説明したソフトスイッチング処理が実行されることで、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチング損失を可及的に抑制する。ここで、このソフトスイッチング処理が行われる動作領域は、直線ＬＲ２で準ソフトスイッチ領域ＲＣ３とソフトスイッチ領域ＲＣ４とに区分けされる。以下に、準ソフトスイッチ領域ＲＣ３とソフトスイッチ領域ＲＣ４とについて、詳細に説明する。
In the operation region other than the regions RC1 and RC2 described above, the
先ず、直線ＬＲ２の技術的意義について説明する。上述したように、直線ＬＲ２は、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧比が２近傍の値となることを意味する直線である。本発明に係るＦＣ昇圧コンバータ１２の電気的構造は、図２に示すとおりであるが、上述したソフトスイッチング処理の一連のフローにおけるモード２の動作において、補助回路１２ｂのコイルＬ２とスナバコンデンサＣ２による半波共振を利用したスナバコンデンサＣ２の放電が行われる。このモード２の動作においてＦＣ昇圧コンバータ１２内で実際に稼動している部分のみを抜き出すと、図９に示す回路構成となる。
First, the technical significance of the straight line LR2 will be described. As described above, the straight line LR2 is a straight line that means that the boost ratio by the
そして、図９に示す回路構成において、スナバコンデンサＣ２内に充電されている電荷
を完全に放電しなければ、その後のモード３の動作で、スイッチ素子Ｓ１に電圧がかかった状態で、スイッチ素子Ｓ１のターンオンによる電流が流れるため、結果としてスイッチング損失が発生することになる。従って、このモード２におけるスナバコンデンサＣ２の電荷を完全に放電することが重要であることが理解されるが、そのためにはモード１の動作時点でコイルＬ２に蓄えられているエネルギがスナバコンデンサＣ２に蓄えられているエネルギよりも大きくなければならない。換言すると、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧ＶＨが、その入口電圧ＶＬよりも所定量以上高くならなければならない。
In the circuit configuration shown in FIG. 9, unless the electric charge charged in the snubber capacitor C2 is completely discharged, the switch element S1 is in a state where a voltage is applied to the switch element S1 in the subsequent operation of
そこで、該出口電圧と該入口電圧との比ＶＨ／ＶＬと、上記放電時のスナバコンデンサＣ２に残る電圧との関係を、図１０Ａおよび１０Ｂに基づいて説明する。尚、図１０Ａが比ＶＨ／ＶＬが２を超える場合のスナバコンデンサＣ２の電圧推移を示し、図１０Ｂが比ＶＨ／ＶＬが２未満の場合のスナバコンデンサＣ２の電圧推移を示している。図１０Ａに示す場合は、ＶＨ−ＶＬの値はＶＬよりも大きくなるため、半波共振が生じるとスナバコンデンサＣ２の電圧は、ダイオードＤ２の作用もありゼロとなる。一方で、図１０Ｂに示す場合では、ＶＨ−ＶＬの値はＶＬよりも小さくなるため、半波共振が生じたとしてもスナバコンデンサＣ２の電圧は、一定値以上残ることになる。従って、このような場合に上記ソフトスイッチング処理を行っても幾分かのスイッチング損失が発生することになる。以上より、ソフトスイッチング処理によるスイッチング損失の抑制が効果的に行われ得るか否かを判断する基準として、直線ＬＲ２が存在することになる。 Therefore, the relationship between the ratio VH / VL between the outlet voltage and the inlet voltage and the voltage remaining in the snubber capacitor C2 during the discharge will be described with reference to FIGS. 10A and 10B. 10A shows the voltage transition of the snubber capacitor C2 when the ratio VH / VL exceeds 2, and FIG. 10B shows the voltage transition of the snubber capacitor C2 when the ratio VH / VL is less than 2. In the case shown in FIG. 10A, the value of VH−VL becomes larger than VL. Therefore, when half-wave resonance occurs, the voltage of the snubber capacitor C2 becomes zero due to the action of the diode D2. On the other hand, in the case shown in FIG. 10B, since the value of VH−VL is smaller than VL, even if half-wave resonance occurs, the voltage of the snubber capacitor C2 remains above a certain value. Therefore, in such a case, even if the soft switching process is performed, some switching loss occurs. As described above, the straight line LR2 exists as a reference for determining whether or not the switching loss can be effectively suppressed by the soft switching process.
尚、理論的には比ＶＨ／ＶＬが２倍以上あれば、放電後のスナバコンデンサＣ２の電圧はゼロとなるが、実際にはダイオードや配線内でのエネルギ損失が発生するため、比ＶＨ／ＶＬは２倍を超える値（例えば、２．３等）が好ましい。そして、一点鎖線ＬＬ１とＬＬ２で挟まれた動作領域中、領域ＲＣ１、ＲＣ２を除いた領域を、直線ＬＲ２が二つに分割し、直線ＬＲ２より下に位置する領域を、上記理由によりソフトスイッチング処理を行ってもスイッチング損失を効率的に抑制するのが難しい準ソフトスイッチ領域ＲＣ３とし、直線ＬＲ２より上に位置する領域を、ソフトスイッチング処理によるスイッチング損失の抑制が効率的に行われるソフトスイッチ領域ＲＣ４とする。 Theoretically, if the ratio VH / VL is twice or more, the voltage of the snubber capacitor C2 after discharge becomes zero, but in reality, energy loss occurs in the diode and the wiring, so the ratio VH / VL The value of VL is preferably more than twice (for example, 2.3). Then, in the operation region sandwiched between the alternate long and short dash lines LL1 and LL2, the region excluding the regions RC1 and RC2 is divided into two by the straight line LR2, and the region located below the straight line LR2 is subjected to the soft switching process. The quasi-soft switch region RC3 in which it is difficult to efficiently suppress the switching loss even if the switching is performed, and the region located above the straight line LR2 is the soft switch region RC4 in which the switching loss is efficiently suppressed by the soft switching process. And
このように、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域は、所定の領域ＲＣ１〜ＲＣ４に区分けできるが、準ソフトスイッチ領域ＲＣ３では、上述したようにＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失を十分に抑制することができないため、燃料電池システム１０の効率化の観点から、この領域でＦＣ昇圧コンバータ１２が昇圧動作を行うことは可及的に回避するが好ましい。そこで、燃料電池システム１０の効率化を促進するための、ＦＣ昇圧コンバータ１２の制御の一例について、図１１に基づいて説明する。図１１に示すＦＣ昇圧コンバータ制御は、ＥＣＵ２０によって、燃料電池１１で発電された電力がモータ１６に供給されるときに実行される。尚、上記準ソフトスイッチ領域ＲＣ３における昇圧動作については、燃料電池システム１０のより良い効率のために可及的に回避することが好ましいのは上述の通りであるが、本発明に係る燃料電池システム１０は当該昇圧動作を完全に排除するものではなく、必要に応じて当該昇圧動作を利用してもよい。
As described above, the operation region of the
先ず、Ｓ２０１では、エンコーダによって検出されたモータ１６の実際の回転数に対応する、該モータ１６が最大出力し得る最大トルクを算出する。具体的には、モータ１６の回転数とそれに対応した最大トルクとが関連付けられているマップをＥＣＵ２０が有しており、検出された回転数に従って該マップにアクセスすることでモータ１６の最大トルクが算出される。Ｓ２０１の処理が終了すると、Ｓ２０２へ進む。
First, in S201, the maximum torque that the
Ｓ２０２では、アクセルペダルセンサ２１によって検出されたアクセルペダルの開度に基づいて、モータ１６に出力要求されている要求トルクが算出される。アクセルペダルの全開が、モータ１６の現時点での回転数における最大トルクを要求していると定義すると
、全開時の係数を１００％、全閉時の係数を０％として、以下の式に従って要求トルクが算出される。Ｓ２０２の処理が終了すると、Ｓ２０３へ進む。
（要求トルク）＝（上記最大トルク）×（アクセルペダルの開度に応じた係数）
In S202, the required torque requested to be output to the
(Required torque) = (Maximum torque) x (Coefficient according to accelerator pedal opening)
Ｓ２０３では、Ｓ２０１とＳ２０２での算出結果に基づいて、モータ１６に要求されている出力である要求出力が、以下の式に従って算出される。Ｓ２０３の処理が終了すると、Ｓ２０４へ進む。
（要求出力）＝（要求トルク）×（モータの回転数）
In S203, based on the calculation results in S201 and S202, a required output that is an output required for the
(Request output) = (Request torque) x (Motor speed)
Ｓ２０４では、Ｓ２０３で算出された要求出力とモータ１６の回転数に基づいて、必要な電力がモータ１６に供給されるように、インバータ１５に印加されるべき電圧であるモータ必要電圧（Ｖｍｏｔ）が算出される。具体的には、モータ１６の回転数（ｒｐｍ）と上記要求出力（Ｐ）で形成される関数Ｆと、モータ必要電圧とが関連付けられているモータ必要電圧マップをＥＣＵ２０が有しており、モータの回転数と要求出力とに従ってこのマップにアクセスすることで、モータ必要電圧が算出される。モータ必要電圧マップは、実験等によって予め決定され得るもので、その一例としては、モータ１６の回転数が高くなるに従いその逆起電圧が高くなるため要求電圧値は高くなるべきであり、要求出力が高くなるとその出力をより少ない電流で達成するために要求電圧値は高くなるべきであるので、これらの点が関数Ｆとモータ必要電圧との相関に反映されている。Ｓ２０４の処理が終了すると、Ｓ２０５へ進む。
In S204, the required motor voltage (Vmot), which is a voltage to be applied to the
Ｓ２０５では、アクセルペダルセンサ２１によって検出されたアクセルペダルの開度に従って発電が行われている燃料電池１１の出力電圧（Ｖｆｃ）が検出される。この検出は、図示されない電圧センサを介して行われる。Ｓ２０５の処理が終了すると、Ｓ２０６へ進む。Ｓ２０６では、Ｓ２０４で算出されたモータ必要電圧を、Ｓ２０５で検出された燃料電池１１の出力電圧で除して暫定昇圧比Ｒｔ（＝Ｖｍｏｔ／Ｖｆｃ）が算出される。Ｓ２０６の処理が終了すると、Ｓ２０７へ進む。
In S205, the output voltage (Vfc) of the
Ｓ２０７では、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させることが可能か否かが判定される。即ち、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域が、上記領域ＲＣ１もしくはＲＣ２の何れかに属するか否かが判定される。具体的には、Ｓ２０６で算出された暫定昇圧比が１未満で、且つ燃料電池１１の出力電圧がＶｆｃｍａｘとＶｆｃｂの間であるときは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域はＲＣ１であり、また燃料電池１１の出力電圧がＶｆｃｂ以下であって且つ該ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口側電圧がＶｆｃｂと同値の電圧以下であるときは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域はＲＣ２であると判定される。尚、Ｖｆｃｂ、Ｖｆｃｍａｘの値は、実際の燃料電池１１およびバッテリ１３の仕様に従って予め決定しておけばよい。また、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口側の電圧は、図示されない電圧センサを介して検出される。
In S207, it is determined whether or not the
そして、Ｓ２０７で肯定判定される場合は、Ｓ２０８へ進み、ＦＣ昇圧コンバータ１２が停止され、燃料電池１１からの出力電圧は、インバータ１５に直接印加される。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチング損失を抑制することができる。尚、上述したように、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域がＲＣ１に属する場合には、バッテリ１３からインバータ１５への昇圧後の印加も可能だが、該動作領域がＲＣ２に属する場合には、バッテリ昇圧コンバータ１４にて制御可能な最低電圧に燃料電池１１の端子電圧を制御する。一方で、Ｓ２０７で否定判定されると、Ｓ２０９へ進む。
If the determination in step S207 is affirmative, the process proceeds to step S208, where the
Ｓ２０９では、Ｓ２０６で算出された暫定昇圧比Ｒｔが２を超えるか否かが判定される。即ち、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域がソフトスイッチ領域ＲＣ４にあるか、準ソフトスイッチ領域ＲＣ３にあるかが判定される。Ｓ２０９で肯定判定されると、ＦＣ昇圧
コンバータ１２の動作領域がソフトスイッチ領域ＲＣ４にあることを意味するのでＳ２１０へ進み、ＦＣ昇圧コンバータ１２の目標の出力電圧がモータ必要電圧Ｖｍｏｔとなるように図３で示したソフトスイッチング処理が実行される。尚、スイッチ素子Ｓ１のデューティ比は、暫定昇圧比Ｒｔに従って決定される。一方で、Ｓ２０９で否定判定されると、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域が準ソフトスイッチ領域ＲＣ３にあることを意味する。そこでこの場合はＳ２１１に進む。
In S209, it is determined whether or not the provisional boost ratio Rt calculated in S206 exceeds 2. That is, it is determined whether the operation region of the
Ｓ２１１では、燃料電池システム１０においてＳ２０６で算出された暫定昇圧比Ｒｔによる電圧昇圧に加えて、更に追加的な電圧昇圧（以下、単に「追加的電圧昇圧」という。）が許容されるか否かが判定される。言い換えると、Ｓ２０９で否定判定されるということは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域が現時点では準ソフトスイッチ領域ＲＣ３にあることを意味するので、その動作領域をソフトスイッチ領域ＲＣ４に移行することが可能か否かが判定される。即ち、当該動作領域を準ソフトスイッチ領域ＲＣ３からソフトスイッチ領域ＲＣ４に移行させるために追加的電圧昇圧を行おうとすると、インバータ１５に印加される電圧が必要なモータ必要電圧よりも高くなる。その結果、インバータ１５内でのスイッチング損失が大きくはなるが、ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失の減少分と、インバータ１５のスイッチングロスの増加分とを比較したとき、前者の減少分が大きい場合もあり得、その場合この追加的電圧昇圧は、システム効率の観点から非常に有用である。そこで、Ｓ２１１では、この追加的電圧昇圧が許容されるか否かが判定されることになる。Ｓ２１１で肯定判定されると、Ｓ２１２へ進み、追加的電圧昇圧のための追加昇圧比Ｒａが決定される。この追加昇圧比Ｒａは、ＦＣ昇圧コンバータ１２による最終的な昇圧比（Ｒｔ×Ｒａによる昇圧比）が、直線ＬＲ２で決められる昇圧比（例えば、昇圧比２）を超えるようにするために必要な追加的な昇圧比である。そして、Ｓ２１２の処理後、Ｓ２１３へ進み、ＦＣ昇圧コンバータ１２の目標の出力電圧が燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃに昇圧比Ｒｔと追加昇圧比Ｒａを掛け合わせて算出される電圧となるように図３で示したソフトスイッチング処理が実行される。尚、スイッチ素子Ｓ１のデューティ比は、暫定昇圧比Ｒｔと追加昇圧比Ｒａの積に従って決定される。
In S211, in addition to the voltage boost based on the temporary boost ratio Rt calculated in S206 in the
このように、Ｓ２０９で否定判定された時点では、本来的にはＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域は準ソフトスイッチ領域ＲＣ３であり、その状態でソフトスイッチング処理を行っても上述したように、スイッチング損失を十分に抑制することが困難である。この場合には、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧比に上記追加昇圧比Ｒａを考慮することで、本来的にモータ１６の駆動に要する電圧よりも更に電圧を上げてＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域をソフトスイッチ領域ＲＣ４とする。その結果、スイッチング損失を効果的に抑制することが可能となる。
Thus, when the negative determination is made in S209, the operation region of the
一方で、Ｓ２１１で否定判定されると、Ｓ２１４へ進み、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域がＲＣ３の状態で、上記ソフトスイッチング処理が行われる。燃料電池１１が上記追加的電圧昇圧が許容されない状態にあるとき、即ち上述のように電圧を追加的に昇圧させることでインバータ１５におけるスイッチング損失が顕著になる状態では、Ｓ２１２及びＳ２１３の処理は行われない。
On the other hand, if a negative determination is made in S211, the process proceeds to S214, and the soft switching process is performed in a state where the operation region of the
この図１１に示すＦＣ昇圧コンバータ制御によれば、モータ１６の駆動を確保することを前提に、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作を可能な限り停止することができ、以てスイッチング損失を抑えることができる。また、ＦＣ昇圧コンバータ１２を昇圧動作させる場合であっても、その動作領域を可能な限りソフトスイッチ領域ＲＣ４とした上でソフトスイッチング処理が行われるため、ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失を可及的に抑制することが可能となる。
According to the FC boost converter control shown in FIG. 11, the boost operation of the
＜変形例＞
上記実施例で説明したように、図１１に示すＦＣ昇圧コンバータ制御における処理Ｓ２０５では、アクセルペダルセンサ２１によって検出されたアクセルペダルの開度に従って発電が行われている燃料電池１１の出力電圧が検出される。本変形例では、燃料電池１１の出力電圧の検出について、該燃料電池１１の出力（以下、ＦＣ出力という）に基づいて、燃料電池１１の出力電圧を算出することとする。ここで、ＦＣ出力は、以下の式（１）に従って算出される。
（ＦＣ出力）＝（要求出力）+（補機要求出力）+（バッテリ充電（放電）出力）・・・（１）
<Modification>
As described in the above embodiment, in the process S205 in the FC boost converter control shown in FIG. 11, the output voltage of the
(FC output) = (Request output) + (Auxiliary machine request output) + (Battery charge (discharge) output) (1)
補機要求出力は、水素タンク１７やコンプレッサ１８等の補機に要求されている出力であり、バッテリ充電出力は、充電時におけるバッテリ１３に要求されている出力であり、バッテリ放電出力は放電時におけるバッテリ１３の出力である。バッテリ１３の残蓄電量がＳＯＣ閾値未満であれば、バッテリ充電出力を上記式（１）に算入し、ＦＣ出力を算出する。バッテリ１３の残蓄電量がＳＯＣ閾値以上であれば、バッテリ放電出力を上記（１）にマイナス分として算入し、ＦＣ出力を算出する。そして、上記式（１）で算出したＦＣ出力に基づいて、燃料電池１１の出力電圧が算出される。具体的には、ＦＣ出力と燃料電池１１の出力電流とが関連付けられているＩＰ特性ＭＡＰ及び燃料電池１１の出力電流と燃料電池１１の出力電圧とが関連付けられているＩＶ特性マップをＥＣＵ２０が有しており、ＦＣ出力に従ってこれらのマップにアクセスし、燃料電池１１の出力電圧が算出される。本変形例によれば、補機に要求されている出力やバッテリ１３の残蓄電量を加味して、ＦＣ出力を算出することにより、補機に要求されている出力やバッテリ１３の残蓄電量を考慮して、燃料電池１１の出力電圧を算出することができる。
The auxiliary machine required output is an output required for auxiliary machines such as the hydrogen tank 17 and the
また、上記式（１）を以下に示す式（２）のように変形してもよい。
（ＦＣ出力）＝（要求出力）+（補機要求出力）+（バッテリ充電（放電）出力）+（Ｆ
Ｃ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失）+（バッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチ
ング損失）・・・（２）
このように変形することにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失やバッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチング損失を更に加味して、ＦＣ出力を算出することにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチングの損失分やバッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチングの損失分を考慮して、燃料電池１１の出力電圧を算出することができる。
Moreover, you may deform | transform said Formula (1) like Formula (2) shown below.
(FC output) = (Request output) + (Auxiliary machine request output) + (Battery charge (discharge) output) + (F
Switching loss of C boost converter 12) + (switching loss of battery boost converter 14) (2)
By modifying in this way, the switching loss of the
ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失は、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出入口に、電流センサ及び電圧センサを設け、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出入口側の電流及び電圧を測定することにより算出する。また、バッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチング損失は、バッテリ昇圧コンバータ１４の出入口に、電流センサ及び電圧センサを設け、バッテリ昇圧コンバータ１４の出入口側の電流及び電圧を測定することにより算出する。ここで、ＦＣ昇圧コンバータ１２及びバッテリ昇圧コンバータ１４がともに昇圧動作を行っている場合には、ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失及びバッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチング損失を加味してＦＣ出力を算出する。一方、バッテリ昇圧コンバータ１４のみが昇圧動作を行っている場合には、バッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチング損失のみを加味してＦＣ出力を算出する。
The switching loss of the
また、モータ１６を駆動するためのインバータ１５への電圧印加について、該モータ１６の駆動効率を考慮するのが好ましい。例えば、上記実施例で説明したように、燃料電池１１からモータ１６への電力供給時に、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させない場合、インバータ１５に印加される電圧をＦＣ昇圧コンバータ１２によって昇圧させる。本変形例では、インバータ１５に印加される電圧を、要求トルクとモータ１６の回転数とに基づいて、インバータ１５、モータ１６を含む負荷の効率特性とインバータ１５に印加される電圧とを関連付けたマップから決定する。そして、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作によ
り、燃料電池１１の出力電圧を上記決定した電圧に昇圧させ、インバータ１５に印加する。例えば、インバータ１５の効率特性はインバータ１５に印加される電圧に対するインバータ１５の変換効率であり、モータ１６の効率特性はモータ１６に印加される電圧に対するモータ１６の駆動効率である。
In addition, it is preferable to consider the driving efficiency of the
本変形例では、負荷の効率特性を決定し、要求トルクとモータ１６の回転数との関係から、図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃに示すような負荷の効率特性の領域を画定する。図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃは、要求トルクを縦軸とし、モータ１６の回転数を横軸として、負荷の効率特性の領域を効率の高低により段階的に区分して表示したマップである。図１２Ａは、インバータ１５に印加する電圧が高である場合における負荷の効率特性の領域を表示したマップである。図１２Ｂは、インバータ１５に印加する電圧が中である場合における負荷の効率特性の領域を表示したマップである。図１２Ｃは、インバータ１５に印加する電圧が低である場合における負荷の効率特性の領域を表示したマップである。図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃにおける点Ａは、要求トルクＴ１とモータ１６の回転数Ｒ１とに基づいて決定されたものであり、点Ｂは、要求トルクＴ２とモータ１６の回転数Ｒ２とに基づいて決定されたものである。
In this modification, the load efficiency characteristic is determined, and the load efficiency characteristic region as shown in FIGS. 12A, 12B, and 12C is defined from the relationship between the required torque and the rotation speed of the
図１２Ｃにおける点Ａは、負荷の効率特性が高効率である領域に含まれているが、図１２Ａ及び図１２Ｂにおける点Ａは、負荷の効率特性が高効率である領域に含まれていない。したがって、要求トルクＴ１及びモータ１６の回転数Ｒ１では、インバータ１５に印加する電圧が低である場合、負荷の効率特性が高いことがわかる。図１２Ｂにおける点Ｂは、負荷の効率特性が高効率である領域に含まれているが、図１２Ａ及び図１２Ｃにおける点Ｂは、負荷の効率特性が高効率である領域に含まれていない。したがって、要求トルクＴ２及びモータ１６の回転数Ｒ２では、インバータ１５に印加する電圧が中である場合、負荷の効率特性が高いことがわかる。本変形例では、以上のようなマップをＥＣＵ２０が有しており、インバータ１５に印加する電圧を負荷の効率特性の観点から決定することによって、最適電圧をインバータ１５に印加することができる。
Point A in FIG. 12C is included in the region where the efficiency characteristic of the load is high efficiency, but point A in FIGS. 12A and 12B is not included in the region where the efficiency characteristic of the load is high efficiency. Therefore, it can be understood that the load efficiency characteristic is high when the voltage applied to the
以上、燃料電池システム１０の，基本的な構成及び機能を説明したが、本燃料電池システム１０は、車両１の衝突時に，燃料電池１１の出力の遮断や，燃料電池１１及びＦＣ昇圧コンバータ１２に貯まっている電荷のディスチャージを行うシステムともなっている。
The basic configuration and functions of the
具体的には、燃料電池システム１０は、図１２Ｄに示したように、燃料電池１１とＦＣ昇圧コンバータ１２とを接続する２本の配線の間に、リレーと抵抗とを直列接続したディスチャージ回路３１が設けられたシステムとなっている。
Specifically, as shown in FIG. 12D, the
また、燃料電池システム１０は、ＦＣ昇圧コンバータ１２と，インバータ１２及びバッテリ昇圧コンバータ１４との間の電気的な接続をＯＮ／ＯＦＦできる位置に，２つのリレーからなるリレー回路３２が設けられたシステムとなっている。なお、図から明らかなように、本燃料電池システム１０のリレー回路３２は、燃料電池１１の直下よりも流れる電流量が少ない箇所（燃料電池１１からの直流電圧を昇圧するためのＦＣ昇圧コンバータ１２の下流）に設けられるものである。また、既に説明したように、燃料電池システム１０が電力を供給するモータ１６は、高電圧低電流仕様のモータである。このため、燃料電池システム１０は、リレー回路３２を構成する各リレーとして、既存の同種のシステムに用いられているものよりも小型のリレー（流せる電流が比較的に低いリレー）を採用することによって製造したシステムとなっている。
The
また、燃料電池システム１０のＥＣＵ２０は、図１２Ｅに示した手順のリレー制御処理を実行するユニットとして構成されている。すなわち、ＥＣＵ２０は、車両１（図１参照）に設けられている衝突センサ３３（衝突検出用のＧセンサ）の出力に基づき，衝突の有
無を常時監視し、衝突したことを検出した場合には、リレー回路３２内の各リレーをＯＰＥＮすると共に、ディスチャージ回路３１内のリレーをＣＬＯＳＥするユニットとなっている。
Moreover, ECU20 of the
そして、リレー回路３２内の各リレーがＯＰＥＮされれば、燃料電池１１の出力が遮断されることになる。また、ディスチャージ回路３１内のリレーがＣＬＯＳＥされれば、燃料電池１１及びＦＣ昇圧コンバータ１２に貯まっている電荷が速やかにディスチャージされることになる。従って、この燃料電池システム１０が用いられている車両１は、衝突に因りＦＣ１１の端子等が露出しても、特に不具合は生じないことになる。
When each relay in the
さらに、燃料電池システム１０は、その一部（燃料電池１１の近傍部分）に、図１２Ｆに示した構成が採用されたシステムなっている。
Furthermore, the
すなわち、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、ＦＣスタックケースの内部（奥側）に、サービスプラグが設けられたものとなっている。なお、ＦＣスタックケースとは、ＦＣスタックを収容するためのＦＣスタックケース（燃料電池１１のケース）のことである。このＦＣスタックケースは、防水仕様のものとなっている。
That is, the
また、燃料電池システム１０は、ディスチャージ回路３１とＦＣ昇圧コンバータ１２とリレー回路３２とからなる部分が１つのケース内に収容されたシステムとなっている。以下、ＦＣ昇圧コンバータ１２等を収容しているケースのことを、コンバータユニットと表記する。
Further, the
そして、燃料電池システム１０は、コンバータユニット，燃料電池１１間の，ハーネスで接続されている部分に、当該部分への手の侵入を防止するためのプロテクタカバーを特殊ネジによって固定したシステムとなっている。なお、特殊ネジとは、そのねじこみ／取り外しに特殊な工具が必要とされるネジのことである。
The
このように、燃料電池システム１０は、コンバータユニット，ＦＣ１１間の部材（ハーネス，バスバー等）に異常（切断／被覆の剥がれ）が生じても、その異常が生じた部分に手が触れないシステムとなっている。しかも、燃料電池システム１０は、上述したように、燃料電池１１の出力の遮断や，ＦＣ昇圧コンバータ１２等に貯まっている電荷のディスチャージが可能なシステムとなっている。従って、本燃料電池システム１０は、極めて安全なシステムであると言うことが出来る。
As described above, the
本発明に係る燃料電池システムの第二の実施例について、図１３〜１５に基づいて説明する。本実施例に係る燃料電池システムと上述の第一の実施例に係る燃料電池システムとの相違点は、ＦＣ昇圧コンバータ１２内の補助回路１２ｂおよびそれに関連する技術である。そこで、本実施例では、当該相違点に着目して説明を行う。
A second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIGS. The difference between the fuel cell system according to the present embodiment and the fuel cell system according to the first embodiment described above is the
図１３は、図２と同様に、ＦＣ昇圧コンバータ１２を中心として、燃料電池システム１０の電気的構成を示す図である。ここで、図１３に示すＦＣ昇圧コンバータ１２の補助回路１２ｂには、スイッチ素子Ｓ３とダイオードＤ６とで構成されるスイッチング回路が更に設けられている。具体的には、スイッチ素子Ｓ３の一端がダイオードＤ２のアノード端子側に接続され、該スイッチ素子Ｓ３の他端が燃料電池１１の低電位側の端子に接続されている。このスイッチ素子Ｓ３は、先のソフトスイッチング処理におけるモード２の動作での、スナバコンデンサＣ２に蓄えられた電荷の放電をサポートするものである。そこで、本実施例においては、スイッチ素子Ｓ３のスイッチング動作を含めた、新たなソフトスイッチング処理を図１４及び図１５に基づいて説明する。
FIG. 13 is a diagram showing the electrical configuration of the
図１４は、図３と同様にＦＣ昇圧コンバータ１２におけるソフトスイッチング処理の流れを示すフローチャートである。図３に示すソフトスイッチング処理との違いは、図１４に示す処理では、Ｓ１０２とＳ１０３の処理の間、即ちモード２とモード３の各動作の間に、スイッチ素子Ｓ３のスイッチング動作による新たな処理Ｓ３０１が設定されている点である。そこで、この相違点を重点的に説明し、他の処理については、図３と同一の参照番号を付すことでその詳細な説明は省略する。
FIG. 14 is a flowchart showing the flow of the soft switching process in the
ここで、Ｓ１０２の処理によりモード２の動作が行われているとき、ＦＣ昇圧コンバータ１２では、スイッチ素子Ｓ３はターンオフ状態となっている。また、スイッチ素子Ｓ３のスイッチング動作の効果を明確に示すために、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧ＶＨとその入口電圧ＶＬの関係を、ＦＣ昇圧コンバータ１２の電気的状態を表すパラメータである比ＶＨ／ＶＬについて、該比が２未満であると設定する。この場合、コイルＬ２とスナバコンデンサＣ２の半波共振によって、該スナバコンデンサＣ２の電荷は抜けていくが、図１０Ｂに示すようにスナバコンデンサＣ２の電圧はゼロとはならないことになる。
Here, when the
ここで、本実施例では、上記半波共振によるスナバコンデンサＣ２の電圧変動が底値となるタイミングで、Ｓ３０１の処理によりスイッチ素子Ｓ３をターンオンする。すると、図１５に示すように、スナバコンデンサＣ２において半波共振によっても抜けきらなかった電荷が、スイッチ素子Ｓ３を介して補助回路１２ｂ内に分散されていくため、スナバコンデンサＣ２の電圧を更に低下させることができる。その結果、Ｓ３０１後のＳ１０３の処理において、スイッチ素子Ｓ１をターンオンするとき、該スイッチ素子Ｓ１にかかっている電圧を可及的に下げることができ、以てスイッチング損失をより確かに抑制することができる。尚、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧ＶＨとその入口電圧ＶＬの関係において、比ＶＨ／ＶＬが所定値を超える場合（本実施例では２を超える場合）は、スナバコンデンサＣ２の電荷はモード２の動作により抜けきっているため、Ｓ３０１の処理を必ずしも行う必要はない。
Here, in the present embodiment, the switch element S3 is turned on by the process of S301 at the timing when the voltage fluctuation of the snubber capacitor C2 due to the half-wave resonance becomes the bottom value. Then, as shown in FIG. 15, since the electric charge that could not be removed by the half-wave resonance in the snubber capacitor C2 is dispersed in the
本発明に係る燃料電池システムの第三の実施例について、図１６に基づいて説明する。図１６は、燃料電池システム１０が停止した状態からモータ１６に電力を供給するために始動する際の、ＦＣ昇圧コンバータ１２の制御に関するフローチャートである。従って、図１６に示す始動時ＦＣ昇圧コンバータ制御は、図１１に示すＦＣ昇圧コンバータ制御の前にＥＣＵ２０によって行われる制御であり、また上述までの各実施例で開示されたＦＣ昇圧コンバータ１２に対して適用が可能である。
A third embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a flowchart regarding control of the
先ず、Ｓ４０１では、燃料電池１１からモータ１６に電力が供給される前に、ＦＣ昇圧コンバータ１２における昇圧比が２に設定される。即ち、燃料電池１１の始動時には、モータ１６の運転状態にかかわらずＦＣ昇圧コンバータ１２における昇圧比を２に設定することで、該ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域が、上記ソフトスイッチ領域ＲＣ４に設定されることになる。その後、Ｓ４０２で燃料電池１１からモータ１６への電力供給が開始され、Ｓ４０３でＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧動作のためのソフトスイッチング処理が実行される。
First, in S401, before power is supplied from the
更に、Ｓ４０４では、燃料電池１１の出力電圧がモータ１６を駆動するために必要な所定の出力電圧に到達したか否かが判定される。Ｓ４０４で肯定判定されると、燃料電池１１の始動処理が終了したことを意味し、従ってその後はモータ１６を駆動するための上記ＦＣ昇圧コンバータ制御が行われることになる。一方で、Ｓ４０４で否定判定されると、燃料電池１１の始動処理は終了していないことを意味し、従ってＳ４０３以降の処理が再び繰り返される。
Further, in S404, it is determined whether or not the output voltage of the
このように本実施例に係る始動時ＦＣ昇圧コンバータ制御においては、燃料電池１１の始動処理が完了するまでの間、モータ１６の運転状態にかかわらずＦＣ昇圧コンバータ１２における昇圧比が２に設定される。通常燃料電池１１の始動時においては、比ＶＨ／ＶＬの値が所定の閾値（本実施例の場合は、２）を超えていないため、スナバコンデンサＣ２の電圧をゼロとした状態でスイッチ素子Ｓ１をターンオンすることができず、ソフトスイッチング処理によるスイッチング損失の低減効果を享受することができない。そこで、特にＳ４０１の処理により、燃料電池１１の始動時においては、強制的に昇圧比を２としてＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域をソフトスイッチ領域ＲＣ４とすることで、燃料電池システム１０の始動時の効率向上を図ることができる。
As described above, in the start-up FC boost converter control according to this embodiment, the boost ratio in the
＜その他の実施例＞
なお、上記回路は、ソフトスイッチング時、スナバコンデンサＣ２に蓄えられた回生電力が燃料電池１１へ入力されないようにするため、スナバコンデンサＣ２から燃料電池１１へ流れる電気回路上に回生電力を抑える素子を設け、或いは、スナバコンデンサＣ２に蓄えられた回生電力がバッテリ１３へ流れるようにしてもよい。燃料電池１１へ流れる回生電力を抑える方法としては、例えば、スナバコンデンサＣ２から燃料電池１１へ流れる電路上に、一端が接地された平滑コンデンサ、ツェナダイオード、又はバリスタを設けることが考えられ、これにより電路の電圧が規定電圧以上になるのを抑制することができる。また、スナバコンデンサＣ２から燃料電池１１へ回生電力が逆流するのを防止するダイオードを設ける方法も有用である。そして、回生電力をバッテリ１３へ流れるようにする方法としては、例えば、スイッチ素子Ｓ２の下流側を燃料電池１１ではなくバッテリ１３へ繋ぐ回路構成にする方法が挙げられる。
<Other examples>
Note that the above circuit has an element for suppressing regenerative power on the electric circuit flowing from the snubber capacitor C2 to the
また、上記実施形態で説明したように、燃料電池１１からＦＣ昇圧コンバータ１２を通じてインバータ１５、モータ１６を含む負荷に電力を供給すると、ＦＣ昇圧コンバータ１２での電力損失が発生する。この電力損失には、変換される電力の大小への依存度の少ない、鉄損あるいはスイッチング損失が含まれる。そのため、出力電力の小さい低負荷領域で、特に電力効率の低下が目立つことになる。そこで、低負荷領域では、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止し、燃料電池１１の電力を変換せずに負荷に供給し（スルーモード、バイパスモード）、あるいは、バッテリ１３からバッテリ昇圧コンバータ１４を通じて電力を負荷に供給すべきとの要請が強い。
Further, as described in the above embodiment, when power is supplied from the
ここで、一般的なコンバータにおけるスルーモードおよびバイパスモードについて、図１７Ａ〜図１７Ｄに基づいて簡単に説明する。尚、各図中の太線矢印は、各コンバータにおける電流の流れを示す。図１７Ａは、当該コンバータが昇圧型のコンバータ（上述のＦＣ昇圧コンバータ１２がこのタイプのコンバータである。）であるときのスルーモードの様子を示す図である。昇圧を行うためのスイッチ素子をターンオフ状態とすることで、一次側の電圧をそのまま二次側に印加することができる。図１７Ｂは、当該コンバータが昇圧型のコンバータであって、昇圧のためのコイルとダイオードの直列体に対して並列にバイパス用のダイオードが接続されているコンバータでのバイパスモードの様子を示す図である。昇圧を行うためのスイッチ素子をターンオフ状態とすることで、一次側の電圧をバイパスさせて二次側に印加することができる。図１７Ｃは、当該コンバータがハーフブリッジ型のコンバータであるときのスルーモードの様子を示す図である。昇圧を行うための二つのスイッチ素子のうち、図中上側をターンオン状態、下側をターンオフ状態とすることで、一次側の電圧をそのまま二次側に印加することができる。図１７Ｄは、当該コンバータがフルブリッジ型のコンバータであるときのスルーモードの様子を示す図である。昇圧を行うための四つのスイッチ素子のうち、図中上側の二つをターンオン状態、下側の二つをターンオフ状態とすることで、一次側の電圧をそのまま二次側に印加することができる。尚、図１７Ｂ〜図１７Ｄに示す構成は上述のＦＣ昇圧コンバータ１２のコンバータと
は異なるが、仮にＦＣ昇圧コンバータ１２がこれらの構成を採用する場合、各図に示すようにスイッチ素子を制御することで、上記スルーモードおよびバイパスモードが実現される。
Here, a through mode and a bypass mode in a general converter will be briefly described with reference to FIGS. 17A to 17D. In addition, the thick line arrow in each figure shows the flow of the electric current in each converter. FIG. 17A is a diagram illustrating a through mode when the converter is a step-up converter (the above-described
一方、燃料電池１１は、耐久性向上のため、触媒のシンタリング現象を回避することが必要とされる。シンタリング現象は、燃料電池１１の電極上のＰｔ触媒が凝集する現象であり、Ｐｔ触媒の表面での水（およびプロトンに対する）に対する酸化還元反応により誘発されるとされている。さらに、そのような酸化還元反応は、燃料電池１１の端子電圧が開放電圧（ＯＣＶ）に近い、比較的高電位で引き起こされることが知られている。
On the other hand, the
ところで、燃料電池１１が低負荷になると、燃料電池１１のＩＶ特性にしたがい、燃料電池１１の端子電圧が開放電圧（ＯＣＶ）に近づいていく。しかしながら、上述のように、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止すると、燃料電池１１の端子電圧を制御することができず、上記反応に起因する触媒の劣化を回避することが困難となる。
By the way, when the
そこで、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止した場合には、ＦＣ昇圧コンバータ１２と並列に設けられているバッテリ昇圧コンバータ１４にてＦＣ昇圧コンバータ１２の出力側の電圧を制御することによって、燃料電池１１の端子電圧を制御すればよい。すなわち、ＥＣＵ２０にて、燃料電池１１の端子電圧を監視し、その端子電圧がシンタリングを回避するための基準値未満になるように、バッテリ昇圧コンバータ１４の出力電圧を制御すればよい。この基準値は、例えば、実験値、経験値として設定すればよい。
Therefore, when the
また、バッテリ１３の端子電圧が高く、かつ、インバータ１５の要求電圧が低く、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧比を１以上にできない場合には、逆にバッテリ昇圧コンバータ１４を停止しなければならない。そのような場合、シンタリング現象を回避するため、ＦＣ昇圧コンバータ１２は停止せず、インバータ１５の要求電圧を基準にしてＦＣ昇圧コンバータ１２によって、燃料電池１１の端子電圧を制御すればよい。
On the other hand, when the terminal voltage of the
以上の場合に、いずれにしても、燃料電池１１の端子電圧を上記基準値よりも下方に制御するためには、燃料電池１１から電流を引き出し、電力を消費する必要ある。この場合の電力は、通常、インバータ１５、モータ１６を含む負荷で消費される。しかしながら、余剰電力については、バッテリ１３のＳＯＣが低く、バッテリ１３に電力を蓄積可能な状態では、バッテリ１３に蓄積し、バッテリ１３に蓄積できない電力は補機（エアコン、照明、ポンプ等）で消費すればよい。
In any case, in order to control the terminal voltage of 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
１２ａ・・・・メイン昇圧回路
１２ｂ・・・・補助回路
１３・・・・バッテリ
１４・・・・バッテリ昇圧コンバータ
１５・・・・インバータ
１６・・・・モータ
２０・・・・ＥＣＵ
２１・・・・アクセルペダルセンサ
３１・・・・ディスチャージ回路
３２・・・・リレー回路
３３・・・・衝突検出センサ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・・スイッチ素子
Ｃ１、Ｃ３・・・・平滑コンデンサ
Ｃ２・・・・スナバコンデンサ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・・コイル
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５・・・・ダイオード
1 ....
12 ....
21 ...
Claims (5)
燃料電池と、
前記燃料電池からの直流電圧を昇圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子と前記電力消費装置とを電気的に接続する給電路と、
前記給電路上に設けられている，前記出力端子からの前記電力消費装置への電力供給をオン・オフするためのリレー回路と
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 DC-DC converter for boosting a DC voltage from the fuel cell;
A power supply path for electrically connecting the output terminal of the DC-DC converter and the power consuming device;
And a relay circuit for turning on / off the power supply from the output terminal to the power consuming device provided on the power supply path.
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 A control unit for controlling the DC-DC converter, and when the power to be supplied to the power consuming device is equal to or less than a predetermined value, the DC-DC converter is stopped by boosting the DC-DC converter. The fuel cell system according to claim 1, further comprising: a control unit that causes the DC converter to directly output a direct current voltage from the fuel cell.
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。 The power supply device further includes a sub power supply device that is electrically connected to a portion closer to the power consuming device than the relay circuit and capable of supplying power to the power consuming device. The fuel cell system according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。 A discharge circuit for discharging the fuel cell and the DC-DC converter in a state in which power supply from the output terminal to the power consuming device is turned off by the relay circuit; The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記燃料電池の出力端子間に設けられた，抵抗とリレーとを直列接続した回路である
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。 The discharge circuit is
The fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel cell system is a circuit in which a resistor and a relay are connected in series, provided between output terminals of the fuel cell.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007341266A JP2009165243A (en) | 2007-12-28 | 2007-12-28 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007341266A JP2009165243A (en) | 2007-12-28 | 2007-12-28 | Fuel cell system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009165243A true JP2009165243A (en) | 2009-07-23 |
Family
ID=40967203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007341266A Withdrawn JP2009165243A (en) | 2007-12-28 | 2007-12-28 | Fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2009165243A (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012150630A1 (en) * | 2011-05-02 | 2012-11-08 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
| US9083266B2 (en) | 2011-06-28 | 2015-07-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and control method therefor |
| WO2015151588A1 (en) * | 2014-04-02 | 2015-10-08 | トヨタ自動車株式会社 | Electric vehicle control device and control method |
| US20160375777A1 (en) * | 2015-06-24 | 2016-12-29 | Hyundai Motor Company | Power net system of fuel cell vehicle and method for controlling the same |
| KR101822231B1 (en) * | 2015-06-24 | 2018-01-26 | 현대자동차주식회사 | Power net system of fuel cell vehicle and method for controlling the same |
| WO2022019517A1 (en) * | 2020-07-24 | 2022-01-27 | (주)두산 모빌리티 이노베이션 | System and method for controlling power of fuel cell |
| US11505075B2 (en) | 2020-01-09 | 2022-11-22 | Hyundai Motor Company | Vehicle including fuel cell, battery-charging method for the vehicle, and recording medium having recorded therein program for executing the method |
-
2007
- 2007-12-28 JP JP2007341266A patent/JP2009165243A/en not_active Withdrawn
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012150630A1 (en) * | 2011-05-02 | 2012-11-08 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
| CN103503212A (en) * | 2011-05-02 | 2014-01-08 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
| EP2706601A1 (en) * | 2011-05-02 | 2014-03-12 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| JPWO2012150630A1 (en) * | 2011-05-02 | 2014-07-28 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
| EP2706601A4 (en) * | 2011-05-02 | 2015-01-07 | Toyota Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| US9083266B2 (en) | 2011-06-28 | 2015-07-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and control method therefor |
| WO2015151588A1 (en) * | 2014-04-02 | 2015-10-08 | トヨタ自動車株式会社 | Electric vehicle control device and control method |
| JP2015198537A (en) * | 2014-04-02 | 2015-11-09 | トヨタ自動車株式会社 | Electric-vehicle control apparatus and control method |
| US20160375777A1 (en) * | 2015-06-24 | 2016-12-29 | Hyundai Motor Company | Power net system of fuel cell vehicle and method for controlling the same |
| CN106274519A (en) * | 2015-06-24 | 2017-01-04 | 现代自动车株式会社 | The network system of fuel-cell vehicle and control method thereof |
| KR101822231B1 (en) * | 2015-06-24 | 2018-01-26 | 현대자동차주식회사 | Power net system of fuel cell vehicle and method for controlling the same |
| KR101822232B1 (en) | 2015-06-24 | 2018-01-26 | 현대자동차주식회사 | Power net system of fuel cell vehicle and method for controlling the same |
| US9919604B2 (en) | 2015-06-24 | 2018-03-20 | Hyundai Motor Company | Power net system of fuel cell vehicle and method for controlling the same |
| US10179513B2 (en) | 2015-06-24 | 2019-01-15 | Hyundai Motor Company | Power net system of fuel cell vehicle and method for controlling the same |
| US11505075B2 (en) | 2020-01-09 | 2022-11-22 | Hyundai Motor Company | Vehicle including fuel cell, battery-charging method for the vehicle, and recording medium having recorded therein program for executing the method |
| WO2022019517A1 (en) * | 2020-07-24 | 2022-01-27 | (주)두산 모빌리티 이노베이션 | System and method for controlling power of fuel cell |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4561827B2 (en) | Fuel cell system and boost converter for fuel cell | |
| WO2009084650A1 (en) | Fuel cell system | |
| JP4844556B2 (en) | Power supply system | |
| JP2009165245A (en) | Fuel cell system and dc-dc converter | |
| KR101143438B1 (en) | Vehicle power control device | |
| JP5370956B2 (en) | Fuel cell power supply | |
| JP2009254169A (en) | Power supply system | |
| JP2009165243A (en) | Fuel cell system | |
| CN108454419B (en) | Control device for battery system and battery system | |
| JPWO2019035172A1 (en) | Vehicle power supply system | |
| JP4930369B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP5390765B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2007236132A (en) | Controller for vehicle | |
| JP6104637B2 (en) | Dual power load drive system and fuel cell vehicle | |
| JP6133623B2 (en) | Dual power load drive system and fuel cell vehicle | |
| JP4556989B2 (en) | Fuel cell power supply | |
| JP2009232548A (en) | Fuel cell system | |
| JP2009165242A (en) | Fuel cell system and dc-dc converter | |
| JP2014166110A (en) | Two power supply load drive system and fuel-cell vehicle | |
| JP4501604B2 (en) | Electrical system control equipment | |
| JP2016082678A (en) | Control device of fuel cell vehicle |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110301 |