JP2009165245A - Fuel cell system and dc-dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学反応にて電力を発電する燃料電池からの電力を駆動モータに供給する燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system that supplies electric power from a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction to a drive motor.
近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は燃料ガスの供給量を制御して駆動モータからの要求に応じた電力を出力するが、ガス供給量の応答遅れに起因して、出力電力の応答性が低くなる場合があり、その補償のために二次電池が搭載される場合がある。この二次電池は、駆動モータの減速時に発生する回生エネルギや、燃料電池で発電された電力を蓄電し、前記燃料電池の応答性の低下の補償や、また燃料電池システム全体の出力の増加等の目的に、その蓄電エネルギを放電する。 In recent years, a fuel cell has attracted attention as a power source excellent in operating efficiency and environmental performance. The fuel cell controls the supply amount of fuel gas and outputs electric power according to the request from the drive motor, but due to the delay in response of the gas supply amount, the responsiveness of the output power may be low, A secondary battery may be mounted for compensation. This secondary battery stores the regenerative energy generated when the drive motor decelerates and the electric power generated by the fuel cell, compensates for a decrease in the responsiveness of the fuel cell, and increases the output of the entire fuel cell system. For this purpose, the stored energy is discharged.
ここで、燃料電池と二次電池とを並列に接続して電源を構成する燃料電池システムでは、燃料電池の出力電圧や二次電池の出力電圧をDC−DCコンバータで変換することにより、両者の併用を図っている。そして、DC−DCコンバータの有するスイッチ素子のスイッチング動作で生じる損失、いわゆるスイッチング損失を軽減するために、該スイッチ素子に並列にスナバコンデンサが設けられる(例えば、特許文献1を参照。)。そして、この技術では、スナバコンデンサに蓄電された電荷を他のスイッチ素子のスイッチング動作によって回収することで、DC−DCコンバータにおけるスイッチング損失の低減を図っている。 Here, in a fuel cell system in which a fuel cell and a secondary battery are connected in parallel to constitute a power source, the output voltage of the fuel cell and the output voltage of the secondary battery are converted by a DC-DC converter, We plan to use it together. A snubber capacitor is provided in parallel with the switch element in order to reduce a loss caused by the switching operation of the switch element included in the DC-DC converter, that is, a so-called switching loss (see, for example, Patent Document 1). In this technique, the charge stored in the snubber capacitor is recovered by the switching operation of another switch element, thereby reducing the switching loss in the DC-DC converter.
また、特許文献2にも、DC−DCコンバータにおけるスイッチング損失を軽減するための、いわゆるソフトスイッチに関する技術が公開されている。この技術では、ソフトスイッチングが行われるとき、緩衝用のコンデンサの充放電に共振用のインダクタンスとの共振作用を利用する。これにより、電圧昇圧時のノイズや熱の抑制を図っている。
燃料電池等の直流電源からの出力電圧を昇圧するDC−DCコンバータにおいては、スイッチ素子によるスイッチング動作とコイルとの組合せによって、負荷に対して所望の電圧を印加することが可能となる。しかし、このスイッチ素子によるスイッチング動作ではスイッチング損失によってDC−DCコンバータの電圧変換効率が低下する可能性がある。 In a DC-DC converter that boosts an output voltage from a DC power source such as a fuel cell, a desired voltage can be applied to a load by a combination of a switching operation by a switch element and a coil. However, in the switching operation by this switch element, there is a possibility that the voltage conversion efficiency of the DC-DC converter is lowered due to switching loss.
そこで、スイッチング動作時にスパイク電圧が生じないように緩衝用のコンデンサをスイッチ素子に対して並列に設け、急激な電圧の立ち上がり等を回避するいわゆるソフトスイッチ制御が有用である。しかし、このソフトスイッチ制御の実行時でも、スイッチ素子に何等かの電圧が印加されている場合があり、そのときにスイッチング動作を行い電流がスイッチ素子に流れ込むと、スイッチング損失の発生が避けられない。 Therefore, so-called soft switch control is useful in which a buffer capacitor is provided in parallel with the switch element so as not to generate a spike voltage during a switching operation, and a sudden rise in voltage is avoided. However, even when this soft switch control is executed, some voltage may be applied to the switch element, and if a switching operation is performed at that time and current flows into the switch element, the occurrence of switching loss is inevitable. .
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池等の直流電源からの出力電圧を昇圧させるDC−DCコンバータ等の昇圧コンバータにおいて、スイッチング損失を可及的に抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to suppress switching loss as much as possible in a boost converter such as a DC-DC converter that boosts an output voltage from a DC power source such as a fuel cell. And
本発明においては、上記課題を解決するために、いわゆるソフトスイッチ制御を行うためのスナバコンデンサを、スイッチ素子に並列に設けるとともに、スイッチ素子によるスイッチング動作の前にスナバコンデンサに蓄電された電荷を除去することとした。これにより、スイッチ素子に印加される電圧が極めて低い状態でスイッチング動作が行われるため、結果的にスイッチング損失を低く抑えることが可能となる。 In the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, a snubber capacitor for performing so-called soft switch control is provided in parallel with the switch element, and the electric charge accumulated in the snubber capacitor is removed before the switching operation by the switch element. It was decided to. As a result, the switching operation is performed in a state where the voltage applied to the switch element is extremely low, and as a result, the switching loss can be kept low.
そこで、詳細には、本発明は、直流電源である燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、負荷に該昇圧電圧を印加する昇圧部と、前記昇圧部による電圧昇圧を制御する昇圧制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記昇圧部は、前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し、且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を有し、前記昇圧制御手段は、前記主スイッチ手段のスイッチング動作を介して前記昇圧部による出力電圧の昇圧が行われるとき、該主スイッチ手段が所定のスイッチング動作を行う前に前記スナバコンデンサに蓄電された電荷を除去する。 Therefore, in detail, the present invention relates to a fuel cell that is a DC power supply, a booster that boosts the output voltage of the fuel cell and applies the boosted voltage to a load, and a booster that controls voltage boosting by the booster Control means, wherein the boosting unit performs switching operation by main switch means on the main coil connected to the high potential side terminal of the fuel cell, A main booster that boosts the output voltage of the fuel cell; and a snubber capacitor that is connected in parallel to the main switch means and can adjust a voltage applied to the main switch means; and boosts by the main booster An auxiliary boosting unit that adjusts an applied voltage of the snubber capacitor according to an operation, and the boosting control unit outputs power from the boosting unit via a switching operation of the main switch unit. When boosting is performed, the main switching means for removing charges accumulated in the snubber capacitor prior to performing a predetermined switching operation.
上記燃料電池システムにおいては、燃料電池から出力された直流電圧が昇圧部によって昇圧され、その昇圧後の電圧が負荷に印加される。これにより、負荷に比較的高電圧までの任意の電圧を印加でき、負荷の駆動に様々な効果を与えることができる。ここで、昇圧部は、主昇圧部と補助昇圧部を有しており、主昇圧部は、主コイルと主スイッチ手段の作用によって燃料電池の出力電圧を昇圧する。 In the fuel cell system, the DC voltage output from the fuel cell is boosted by the booster, and the boosted voltage is applied to the load. Thereby, an arbitrary voltage up to a relatively high voltage can be applied to the load, and various effects can be given to driving the load. Here, the booster has a main booster and an auxiliary booster, and the main booster boosts the output voltage of the fuel cell by the action of the main coil and the main switch means.
そして、この主昇圧部による電圧昇圧に際して、補助昇圧部において、該主昇圧部の昇圧動作に応じてスナバコンデンサの印加電圧が調整される。補助昇圧部が有するスナバコンデンサは、主スイッチ手段に対して並列に接続されておるため、主スイッチ手段のスイッチング動作が行われても主スイッチ手段に印加される電圧が急に変化することを抑制するため、スパイク電圧が発生しにくくなる。従って、補助昇圧部において、燃料電池の出力電圧の昇圧にあたり、スナバコンデンサの印加電圧を介して主スイッチ手段に印加される電圧が適切に調整されることとなり、以て昇圧部による電圧昇圧の際のスイッチング損失を軽減することが可能となる。 When the voltage is boosted by the main booster, the auxiliary booster adjusts the applied voltage of the snubber capacitor in accordance with the boosting operation of the main booster. Since the snubber capacitor of the auxiliary booster is connected in parallel to the main switch means, the voltage applied to the main switch means is prevented from changing suddenly even if the switching operation of the main switch means is performed. Therefore, the spike voltage is less likely to occur. Therefore, in boosting the output voltage of the fuel cell in the auxiliary boosting unit, the voltage applied to the main switch means via the applied voltage of the snubber capacitor is appropriately adjusted, so that when boosting the voltage by the boosting unit. The switching loss can be reduced.
ここで、上記昇圧制御手段は、主昇圧部および補助昇圧部を有する昇圧部を介した電圧昇圧の制御において、主スイッチ手段が所定のスイッチング動作を行う前のスナバコンデンサの電荷除去を行う。この所定のスイッチング動作とは、主スイッチ手段のスイッチング動作によって、該スイッチ手段に電流が流れ込もうとするスイッチング動作であり、上記昇圧部による電圧昇圧が行われる際のスイッチング動作の一つである。 Here, the step-up control means removes the charge of the snubber capacitor before the main switch means performs a predetermined switching operation in the voltage step-up control via the step-up part having the main step-up part and the auxiliary step-up part. The predetermined switching operation is a switching operation in which a current flows into the switch means by the switching operation of the main switch means, and is one of the switching operations when the voltage boosting by the boosting unit is performed. .
従って、昇圧制御手段によるスナバコンデンサの電荷除去によって、主スイッチ手段に印加される電圧が低下した状態で、好ましくはスナバコンデンサの電荷が完全に除去されて主スイッチ手段に印加される電圧がゼロとなった状態で、該主スイッチ手段の所定のスイッチング動作が行われることになる。その結果、昇圧部による電圧昇圧において、主スイッチ手段のスイッチング動作に起因するスイッチング損失を更に軽減することが可能となる。 Accordingly, in the state where the voltage applied to the main switch means is lowered due to the removal of the charge of the snubber capacitor by the boost control means, preferably the voltage applied to the main switch means is zero when the charge of the snubber capacitor is completely removed. In this state, a predetermined switching operation of the main switch means is performed. As a result, it is possible to further reduce the switching loss due to the switching operation of the main switch means in the voltage boosting by the boosting unit.
ここで、上記燃料電池システムにおいて、前記昇圧制御手段は、前記主スイッチ手段の第一スイッチング動作によって、前記燃料電池からの電力を前記主コイルに蓄積する第一昇圧手段と、前記主スイッチ手段の第二スイッチング動作によって、前記第一昇圧手段によって蓄積された電力を、前記スナバコンデンサを介しながら前記負荷に供給する第二昇
圧手段と、を有するようにしてもよく、この場合、前記所定のスイッチング動作を、前記第一スイッチング動作としてもよい。
Here, in the fuel cell system, the boost control means includes first boosting means for storing electric power from the fuel cell in the main coil by the first switching operation of the main switch means, and the main switch means. And a second booster that supplies the power stored by the first booster to the load through the snubber capacitor by a second switching operation. In this case, the predetermined switching The operation may be the first switching operation.
上記の通り、昇圧制御手段は、昇圧部による電圧昇圧を制御する。そこで、その電圧昇圧は、先ず、第一昇圧手段によって燃料電池からの電力を主コイルに蓄積し、次に第二昇圧手段によって上述したスナバコンデンサの特性を踏まえた上で負荷側に昇圧された電圧が印加される。そして、これら第一および第二昇圧手段の機能は、主スイッチ手段のスイッチング動作(前者が第一スイッチング動作で、後者が第二スイッチング動作)によって発揮される。即ち、昇圧制御手段による昇圧部の制御は、主スイッチ手段のスイッチング動作の制御を通して行われる。 As described above, the boost control unit controls the voltage boost by the boost unit. Therefore, the voltage boosting is performed by first storing the electric power from the fuel cell in the main coil by the first boosting unit, and then boosting the load side by taking into consideration the characteristics of the snubber capacitor described above by the second boosting unit. A voltage is applied. The functions of the first and second boosting means are exhibited by the switching operation of the main switch means (the former is the first switching operation and the latter is the second switching operation). That is, the control of the boosting unit by the boosting control means is performed through the control of the switching operation of the main switch means.
ここで、第一昇圧手段における第一スイッチング動作は、主コイルに電力を蓄えるスイッチング動作である。従って、この第一スイッチング動作によって、主スイッチ手段に電流が流れ込む場合がある。そこで、昇圧制御手段は、この第一スイッチング動作が行われる前に、上述したスナバコンデンサの電荷除去を行うことで、第一昇圧手段による処理時の主スイッチ手段のスイッチング動作、即ち第一スイッチング動作に起因したスイッチング損失を確実に軽減することが可能となる。 Here, the first switching operation in the first step-up means is a switching operation for storing electric power in the main coil. Therefore, current may flow into the main switch means by this first switching operation. Therefore, the boost control means performs the above-described snubber capacitor charge removal before the first switching operation is performed, so that the switching operation of the main switch means during the processing by the first boosting means, that is, the first switching operation. It is possible to reliably reduce the switching loss due to.
また、上述までの燃料電池システムにおいて、前記主昇圧部は、一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された前記主コイルと、一端の極が前記主コイルの他端に接続され、他方の極が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う前記主スイッチ手段と、カソード端子が前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、前記第一ダイオードのアノード端子と前記主スイッチ手段の他方の極との間に設けられた平滑コンデンサと、を有するようにしてもよい。また、前記補助昇圧部は、前記主スイッチ手段に並列に設けられ、且つ前記主コイルの他端と前記燃料電池の低電位側の端子との間に接続された、第二ダイオードと前記スナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、前記第一直列接続体における前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、誘導性素子である補助コイルと第三ダイオードとスイッチングを行う補助スイッチ手段とを含む第二直列接続体と、を有するようにしてもよい。そして、このとき、前記昇圧制御手段は、前記補助スイッチ手段のスイッチング動作により、前記補助コイルと前記スナバコンデンサの共振作用に従って該スナバコンデンサに蓄電された電荷を除去するようにしてもよい。 In the fuel cell system described above, the main boosting unit has one end connected to the terminal on the high potential side of the fuel cell, and one pole connected to the other end of the main coil. The main switch means for switching, the other pole being connected to the terminal on the low potential side of the fuel cell, the first diode having the cathode terminal connected to the other end of the main coil, and the first diode And a smoothing capacitor provided between the anode terminal and the other pole of the main switch means. The auxiliary boosting unit is provided in parallel with the main switch means, and is connected between the other end of the main coil and a terminal on the low potential side of the fuel cell, and the snubber capacitor. And an inductive element connected between a connection portion between the second diode and the snubber capacitor in the first series connection body and one end of the main coil. You may make it have a 2nd serial connection body containing the auxiliary | assistant coil, the 3rd diode, and the auxiliary switch means which performs switching. At this time, the step-up control means may remove the electric charge stored in the snubber capacitor according to the resonance action of the auxiliary coil and the snubber capacitor by the switching operation of the auxiliary switch means.
即ち、補助昇圧部におけるスナバコンデンサにより、主スイッチ手段に印加される電圧の急激な上昇を抑制するとともに、更なる主スイッチ手段のスイッチング損失を抑制の観点から、該スナバコンデンサと第二直列接続体の補助コイルとで共振作用を生じさせて、該スナバコンデンサ内の電荷を除去しようとするものである。これにより、スナバコンデンサからの速やかな電荷除去が可能となる。 That is, the snubber capacitor in the auxiliary boosting unit suppresses a rapid increase in the voltage applied to the main switch means and further suppresses the switching loss of the main switch means, and the snubber capacitor and the second series connection body. The auxiliary coil is caused to resonate to remove electric charges in the snubber capacitor. Thereby, quick charge removal from the snubber capacitor becomes possible.
ここで、上述までの燃料電池システムにおいて、前記補助昇圧部は、前記スナバコンデンサに蓄電された電荷を除去する複数の除去手段を有し、前記主スイッチ手段のスイッチング動作を介して前記昇圧部による出力電圧の昇圧が行われるとき、前記昇圧制御手段は、該昇圧部における電気的状態に基づいて、前記複数の除去手段のうち前記スナバコンデンサの電荷除去に使用される除去手段を選択するようにしてもよい。 Here, in the fuel cell system described above, the auxiliary boosting unit has a plurality of removing means for removing the electric charge stored in the snubber capacitor, and the boosting unit uses the switching operation of the main switch unit. When the output voltage is boosted, the boost control unit selects a removing unit used for removing the charge of the snubber capacitor from the plurality of removing units based on an electrical state in the boosting unit. May be.
即ち、本発明に係る燃料電池システムにおいては、スナバコンデンサの電荷除去を行うための除去手段が複数備えられており、昇圧部の電気的状況に基づいて、換言すると主スイッチ手段のスイッチング損失を可及的に抑制するべくスナバコンデンサの電荷を可及的に除去するために、そのスナバコンデンサの電荷除去に関連する昇圧部の電気的状況に基づいて、必要な除去手段が選択されるものである。これにより、電荷除去の必要に応じた
除去手段が使用されることになるので、好ましくはスナバコンデンサの電荷を完全に除去することが可能となる。
That is, the fuel cell system according to the present invention is provided with a plurality of removing means for removing the charge of the snubber capacitor. In other words, the switching loss of the main switch means is allowed based on the electrical condition of the boosting unit. In order to remove the electric charge of the snubber capacitor as much as possible to suppress it as much as possible, a necessary removing means is selected based on the electrical condition of the booster related to the electric charge removal of the snubber capacitor. . As a result, a removing means according to the need for charge removal is used, and therefore it is possible to completely remove the charge of the snubber capacitor.
そして、複数の除去手段の一例として、上記燃料電池システムの補助昇圧部が、前記第二直列接続体の前記補助スイッチ手段に対して並列に設けられ、且つ該第二直列接続体の所定箇所と前記燃料電池の低電位側の端子との間に接続された第二補助スイッチ手段を、更に有する場合が挙げられる。このとき、前記昇圧制御手段は、前記補助スイッチ手段と前記第二補助スイッチ手段の少なくとも何れか一つを、前記スナバコンデンサの電荷除去のために選択すればよい。尚、本発明においては、上記補助スイッチ手段と第二補助スイッチ手段のうち、何れか一方もしくは両方を選択するが、両方を選択する場合、必ずしも補助スイッチ手段と第二補助スイッチ手段を同時にスイッチング動作させる必要はない。両者のスイッチングのタイミングは、スナバコンデンサの電荷除去に適したタイミングであればよい。この点については、除去手段の数が3つ以上となっても、同様にスナバコンデンサの電荷除去に適したタイミングで各除去手段による電荷除去が行われる。 As an example of a plurality of removing means, an auxiliary boosting unit of the fuel cell system is provided in parallel to the auxiliary switch means of the second series connection body, and a predetermined location of the second series connection body There may be mentioned a case where the fuel cell further includes second auxiliary switch means connected to a terminal on the low potential side of the fuel cell. At this time, the boost control means may select at least one of the auxiliary switch means and the second auxiliary switch means for removing the charge of the snubber capacitor. In the present invention, either one or both of the auxiliary switch means and the second auxiliary switch means are selected. However, when both are selected, the auxiliary switch means and the second auxiliary switch means are not necessarily switched simultaneously. There is no need to let them. The timing of switching between the two may be any timing suitable for removing the charge of the snubber capacitor. In this regard, even if the number of removing means is three or more, the charge removing by each removing means is similarly performed at a timing suitable for the charge removal of the snubber capacitor.
上述までの燃料電池システムにおいて開示された本発明の技術的思想は、直流電源の出力電圧を昇圧し、負荷に該昇圧電圧を印加するDC−DCコンバータにも適用可能である。即ち、そのDC−DCコンバータは、直流電源の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し、且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、前記主スイッチ手段のスイッチング動作を介して前記直流電源の出力電圧の昇圧が行われるとき、該主スイッチ手段が所定のスイッチング動作を行う前に前記スナバコンデンサに蓄電された電荷を除去する昇圧制御手段と、を備えるものである。 The technical idea of the present invention disclosed in the fuel cell system described above can also be applied to a DC-DC converter that boosts the output voltage of a DC power supply and applies the boosted voltage to a load. That is, the DC-DC converter includes a main boosting unit that boosts the output voltage of the DC power supply by performing a switching operation by the main switch means on the main coil connected to the high potential side terminal of the DC power supply. And a snubber capacitor connected in parallel to the main switch means and capable of adjusting a voltage applied to the main switch means, and an applied voltage of the snubber capacitor according to a boosting operation by the main boosting unit When the boosting of the output voltage of the DC power source is performed through the auxiliary boosting unit that is adjusted and the switching operation of the main switch means, the snubber capacitor is charged before the main switch means performs a predetermined switching operation. Boosting control means for removing the generated charges.
また、上記DC−DCコンバータにおいては、前記昇圧制御手段は、前記主スイッチ手段の第一スイッチング動作によって、前記直流電源からの電力を前記主コイルに蓄積する第一昇圧手段と、前記主スイッチ手段の第二スイッチング動作によって、前記第一昇圧手段によって蓄積された電力を、前記スナバコンデンサを介しながら前記負荷に供給する第二昇圧手段と、を有し、前記所定のスイッチング動作は、前記第一スイッチング動作であってもよい。 In the DC-DC converter, the step-up control means includes a first step-up means for storing power from the DC power source in the main coil by a first switching operation of the main switch means, and the main switch means. Second boosting means for supplying the electric power stored by the first boosting means to the load through the snubber capacitor by the second switching operation, and the predetermined switching operation is It may be a switching operation.
上記のDC−DCコンバータにおいては、上述までの燃料電池システムの場合と同様に、電圧昇圧時の主スイッチ手段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。 In the above-described DC-DC converter, similarly to the fuel cell system described above, it is possible to suppress the switching loss of the main switch means at the time of voltage boost as much as possible.
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池等の直流電源からの出力電圧を昇圧させるDC−DCコンバータ等の昇圧コンバータにおいて、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 fuel cell system of the present invention, switching loss can be suppressed as much as possible in a boost converter such as a DC-DC converter that boosts an output voltage from a DC power source such as a 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
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 mode 3 current / voltage state shown in FIG. 4C is formed. That is, when the voltage of the snubber capacitor C2 is zero, the voltage applied to the switch element S1 is also zero, and the switch element S1 is turned on in that state to bring the switch element S1 to the zero voltage state. Therefore, the switching loss in the switch element S1 can theoretically be zero.
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8
B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
In B, there is no region corresponding to the region RC2. Here, the description of the map shown below applies to FIGS. 8A and 8B in common, and therefore the description will be given collectively.
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 mode 3. As a result, a current is generated due to the turn-on, resulting in a switching loss. Therefore, it is understood that it is important to completely discharge the electric charge of the snubber capacitor C2 in this
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
That is, it is determined whether the operation region of 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
The operation region is the quasi-soft switch region RC3, and as described above, it is difficult to sufficiently suppress the switching loss even if the soft switching process is performed in that state. In this case, by considering the additional boosting ratio Ra in the boosting ratio by 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
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
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F
C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 shows that the converter is a step-up converter (the above-mentioned F
The
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
また、本燃料電池システム10は、車両1の衝突時に、燃料電池11の出力を遮断する
システムともなっている。具体的には、燃料電池システム10のFC昇圧コンバータ12の下流側には、インバータ15及びバッテリ昇圧コンバータ14との電気的な接続をON/OFFするためのリレー回路が設けられている。なお、既に説明した構成から明らかなように,燃料電池システム10は、FC昇圧コンバータ12の下流側に流れる電流量が比較的に少ないものとなっている。このため、燃料電池システム10は、上記リレー回路として、既存の同種のシステムでは燃料電池の直後に設けられているリレー回路よりも、小型のもの(低電流用のもの)を採用したシステムとなっている。
The
そして、燃料電池システム10のECU20は、車両1に設けられている衝突検出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、リレー回路を制御することにより,FC昇圧コンバータ12とインバータ15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切断するユニットとなっている。
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
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 ... Accelerator pedal sensor S1, S2, S3 ... Switch elements C1, C3 ... Smoothing capacitor C2 ... Snubber capacitors L1, L2, L3 ... Coils D1, D2, D3 , D4, D5... Diode
Claims (7)
前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、負荷に該昇圧電圧を印加する昇圧部と、
前記昇圧部による電圧昇圧を制御する昇圧制御手段と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記昇圧部は、
前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、
前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し、且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を有し、
前記昇圧制御手段は、前記主スイッチ手段のスイッチング動作を介して前記昇圧部による出力電圧の昇圧が行われるとき、該主スイッチ手段が所定のスイッチング動作を行う前に前記スナバコンデンサに蓄電された電荷を除去する、
燃料電池システム。 A fuel cell that is a DC power source;
Boosting the output voltage of the fuel cell and applying the boosted voltage to a load;
Boost control means for controlling voltage boost by the boost unit;
A fuel cell system comprising:
The boosting unit includes:
A main boosting unit that boosts the output voltage of the fuel cell by performing a switching operation with the main switch means on the main coil connected to the high potential side terminal of the fuel cell;
A snubber capacitor connected in parallel to the main switch means and capable of adjusting a voltage applied to the main switch means; and an applied voltage of the snubber capacitor is adjusted according to a boosting operation by the main boosting unit; An auxiliary boosting unit,
When the output voltage is boosted by the boosting unit through the switching operation of the main switch unit, the boosting control unit stores the charge stored in the snubber capacitor before the main switch unit performs a predetermined switching operation. Remove,
Fuel cell system.
前記主スイッチ手段の第一スイッチング動作によって、前記燃料電池からの電力を前記主コイルに蓄積する第一昇圧手段と、
前記主スイッチ手段の第二スイッチング動作によって、前記第一昇圧手段によって蓄積された電力を、前記スナバコンデンサを介しながら前記負荷に供給する第二昇圧手段と、
を有し、
前記所定のスイッチング動作は、前記第一スイッチング動作である、
請求項1に記載の燃料電池システム。 The boost control means includes:
First boosting means for accumulating electric power from the fuel cell in the main coil by a first switching operation of the main switch means;
Second boosting means for supplying the power stored by the first boosting means to the load through the snubber capacitor by the second switching operation of the main switch means;
Have
The predetermined switching operation is the first switching operation.
The fuel cell system according to claim 1.
一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された前記主コイルと、
一端の極が前記主コイルの他端に接続され、他方の極が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う前記主スイッチ手段と、
カソード端子が前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、
前記第一ダイオードのアノード端子と前記主スイッチ手段の他方の極との間に設けられた平滑コンデンサと、を有し、
前記補助昇圧部は、
前記主スイッチ手段に並列に設けられ、且つ前記主コイルの他端と前記燃料電池の低電位側の端子との間に接続された、第二ダイオードと前記スナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、
前記第一直列接続体における前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、誘導性素子である補助コイルと第三ダイオードとスイッチングを行う補助スイッチ手段とを含む第二直列接続体と、を有し、
前記昇圧制御手段は、前記補助スイッチ手段のスイッチング動作により、前記補助コイルと前記スナバコンデンサの共振作用に従って該スナバコンデンサに蓄電された電荷を除去する、
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 The main boosting unit includes:
The main coil having one end connected to a terminal on the high potential side of the fuel cell;
The main switch means for switching, wherein one pole is connected to the other end of the main coil and the other pole is connected to a terminal on the low potential side of the fuel cell;
A first diode having a cathode terminal connected to the other end of the main coil;
A smoothing capacitor provided between the anode terminal of the first diode and the other pole of the main switch means;
The auxiliary booster is
A first series connection including a second diode and the snubber capacitor provided in parallel to the main switch means and connected between the other end of the main coil and a low potential side terminal of the fuel cell. Body,
An auxiliary coil which is an inductive element connected between the connection part of the second diode and the snubber capacitor in the first series connection body and one end of the main coil and an auxiliary diode which performs switching. A second series connection including switch means,
The step-up control means removes the electric charge stored in the snubber capacitor according to the resonance action of the auxiliary coil and the snubber capacitor by the switching operation of the auxiliary switch means.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記主スイッチ手段のスイッチング動作を介して前記昇圧部による出力電圧の昇圧が行われるとき、前記昇圧制御手段は、該昇圧部における電気的状態に基づいて、前記複数の除去手段のうち前記スナバコンデンサの電荷除去に使用される除去手段を選択する、
請求項1から請求項3の何れかに記載の燃料電池システム。 The auxiliary boosting unit has a plurality of removing means for removing the electric charge stored in the snubber capacitor,
When the output voltage is boosted by the boosting unit via the switching operation of the main switch unit, the boosting control unit is configured to select the snubber capacitor among the plurality of removing units based on an electrical state in the boosting unit. Select the removal means used for the charge removal of
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
前記昇圧制御手段は、前記補助スイッチ手段と前記第二補助スイッチ手段の少なくとも何れか一つを、前記スナバコンデンサの電荷除去のために選択する、
請求項4に記載の燃料電池システム。 The auxiliary booster is provided in parallel to the auxiliary switch means of the second series connection body, and is connected between a predetermined location of the second series connection body and a terminal on the low potential side of the fuel cell. A second auxiliary switch means,
The step-up control means selects at least one of the auxiliary switch means and the second auxiliary switch means for charge removal of the snubber capacitor;
The fuel cell system according to claim 4.
前記直流電源の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、
前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し、且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、
前記主スイッチ手段のスイッチング動作を介して前記直流電源の出力電圧の昇圧が行われるとき、該主スイッチ手段が所定のスイッチング動作を行う前に前記スナバコンデンサに蓄電された電荷を除去する昇圧制御手段と、
を備えるDC−DCコンバータ。 A DC-DC converter that boosts the output voltage of a DC power supply and applies the boosted voltage to a load,
A main booster that boosts the output voltage of the DC power supply by performing a switching operation with the main switch means on the main coil connected to the high potential side terminal of the DC power supply,
A snubber capacitor connected in parallel to the main switch means and capable of adjusting a voltage applied to the main switch means; and an applied voltage of the snubber capacitor is adjusted according to a boosting operation by the main boosting unit; An auxiliary boosting unit,
When the output voltage of the DC power supply is boosted via the switching operation of the main switch means, the boost control means removes the charge stored in the snubber capacitor before the main switch means performs a predetermined switching operation. When,
DC-DC converter provided with.
前記主スイッチ手段の第一スイッチング動作によって、前記直流電源からの電力を前記主コイルに蓄積する第一昇圧手段と、
前記主スイッチ手段の第二スイッチング動作によって、前記第一昇圧手段によって蓄積された電力を、前記スナバコンデンサを介しながら前記負荷に供給する第二昇圧手段と、
を有し、
前記所定のスイッチング動作は、前記第一スイッチング動作である、
請求項6に記載のDC−DCコンバータ。 The boost control means includes:
First boosting means for storing power from the DC power source in the main coil by the first switching operation of the main switch means;
Second boosting means for supplying the power stored by the first boosting means to the load through the snubber capacitor by the second switching operation of the main switch means;
Have
The predetermined switching operation is the first switching operation.
The DC-DC converter according to claim 6.
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Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011029032A (en) * | 2009-07-27 | 2011-02-10 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
WO2011021263A1 (en) * | 2009-08-17 | 2011-02-24 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
WO2011024063A2 (en) * | 2009-08-28 | 2011-03-03 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Capacitor for dc-dc converter, dc-dc converter, and fuel cell system |
JP2011109775A (en) * | 2009-11-16 | 2011-06-02 | Toyota Motor Corp | Converter controller |
CN102170226A (en) * | 2011-04-19 | 2011-08-31 | 苏州工业职业技术学院 | A soft switching boost DC-DC converter and a control method thereof |
WO2011107844A2 (en) | 2010-03-05 | 2011-09-09 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Chopper circuit, dc/dc converter, and fuel cell system |
JP2011234582A (en) * | 2010-04-30 | 2011-11-17 | Toyota Motor Corp | Manufacturing method of chopper circuit, chopper circuit, dc/dc converter, fuel cell system and control method |
WO2011158080A1 (en) | 2010-06-18 | 2011-12-22 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Dc- dc converter with an auxiliary circuit for performing soft - switching |
JP2012019564A (en) * | 2010-07-06 | 2012-01-26 | Toyota Motor Corp | Power converter and power supply unit |
JP2012023810A (en) * | 2010-07-12 | 2012-02-02 | Denso Corp | Soft switching control apparatus and manufacturing method of the same |
JP2012060822A (en) * | 2010-09-10 | 2012-03-22 | Toyota Motor Corp | Power converter and power supply |
CN111245226A (en) * | 2020-01-20 | 2020-06-05 | 武汉理工大学 | High efficiency DC/DC converter |
-
2007
- 2007-12-28 JP JP2007341287A patent/JP2009165245A/en not_active Withdrawn
Cited By (27)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011029032A (en) * | 2009-07-27 | 2011-02-10 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
WO2011021263A1 (en) * | 2009-08-17 | 2011-02-24 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
JPWO2011021263A1 (en) * | 2009-08-17 | 2013-01-17 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
WO2011024063A2 (en) * | 2009-08-28 | 2011-03-03 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Capacitor for dc-dc converter, dc-dc converter, and fuel cell system |
WO2011024063A3 (en) * | 2009-08-28 | 2011-06-16 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Capacitor for dc-dc converter, dc-dc converter, and fuel cell system |
JP2011109775A (en) * | 2009-11-16 | 2011-06-02 | Toyota Motor Corp | Converter controller |
WO2011107844A2 (en) | 2010-03-05 | 2011-09-09 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Chopper circuit, dc/dc converter, and fuel cell system |
JP2011188565A (en) * | 2010-03-05 | 2011-09-22 | Toyota Motor Corp | Chopper circuit, dc/dc converter, and fuel cell system |
DE112011100806B4 (en) | 2010-03-05 | 2018-03-15 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Inverter, DC-DC converter and fuel cell system |
US8653802B2 (en) | 2010-03-05 | 2014-02-18 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Chopper circuit, DC/DC converter, and fuel cell system |
CN102783002A (en) * | 2010-03-05 | 2012-11-14 | 丰田自动车株式会社 | Chopper circuit, DC/DC converter, and fuel cell system |
WO2011107844A3 (en) * | 2010-03-05 | 2011-12-29 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Chopper circuit, dc/dc converter, and fuel cell system |
DE112011100806B8 (en) | 2010-03-05 | 2018-05-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Inverter, DC-DC converter and fuel cell system |
DE112011100806T5 (en) | 2010-03-05 | 2013-01-10 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Inverter, DC-DC converter and fuel cell system |
DE112011101528T5 (en) | 2010-04-30 | 2013-03-07 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Manufacturing process for a chopper circuit, DC-DC converter, fuel cell system and control method |
WO2011158073A2 (en) | 2010-04-30 | 2011-12-22 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Manufacturing method for chopper circuit, chopper circuit, dc/dc converter, fuel cell system, and control method |
US8797774B2 (en) | 2010-04-30 | 2014-08-05 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Manufacturing method for chopper circuit, chopper circuit, DC/DC converter, fuel cell system, and control method |
JP2011234582A (en) * | 2010-04-30 | 2011-11-17 | Toyota Motor Corp | Manufacturing method of chopper circuit, chopper circuit, dc/dc converter, fuel cell system and control method |
WO2011158080A1 (en) | 2010-06-18 | 2011-12-22 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Dc- dc converter with an auxiliary circuit for performing soft - switching |
DE112011102057T5 (en) | 2010-06-18 | 2013-03-28 | Mitsubishi Electric Corp. | DC-DC converter with auxiliary circuit for executing a soft circuit |
US8970186B2 (en) | 2010-06-18 | 2015-03-03 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | DC-DC converter with an auxiliary circuit for performing soft-switching |
JP2012019564A (en) * | 2010-07-06 | 2012-01-26 | Toyota Motor Corp | Power converter and power supply unit |
JP2012023810A (en) * | 2010-07-12 | 2012-02-02 | Denso Corp | Soft switching control apparatus and manufacturing method of the same |
US8912774B2 (en) | 2010-07-12 | 2014-12-16 | Denso Corporation | Soft-switching control device and method of manufacturing the same |
JP2012060822A (en) * | 2010-09-10 | 2012-03-22 | Toyota Motor Corp | Power converter and power supply |
CN102170226A (en) * | 2011-04-19 | 2011-08-31 | 苏州工业职业技术学院 | A soft switching boost DC-DC converter and a control method thereof |
CN111245226A (en) * | 2020-01-20 | 2020-06-05 | 武汉理工大学 | High efficiency DC/DC converter |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110301 |