JP3888074B2

JP3888074B2 - Power generator

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Publication number: JP3888074B2
Application number: JP2001080140A
Authority: JP
Inventors: 一丸山; 透浜中; 謙吾池谷
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: JP2002280034A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池電気自動車や家庭用発電設備等に用いられる発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池電気自動車は、燃料電池によって発電した電力によってモータを駆動して走行トルクを得る。また、燃料電池自動車では、発進時や加速時等大きな出力を必要とする場合の補助的な電源として、また減速時の回生エネルギを回収するための手段として二次電池を搭載することが多い。この場合、燃料電池の出力電圧は負荷によって大きく変動するため、燃料電池の後段にＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧調整装置を接続して必要な出力電圧を得ている。
【０００３】
図５は、このような燃料電池電気自動車に搭載された発電装置の従来例を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。
【０００４】
この発電装置３０は、燃料電池１１と、燃料電池１１の出力側に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ３２と、その後段に接続された二次電池１３とからなる。そして、発電装置３０には、二次電池１３と並列に、インバータ１４及びモータ１５からなる負荷が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、燃料電池１１から供給される全ての電力を、インバータ１４及び二次電池１３から要求される電力に変換して供給する。このような接続方法では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は燃料電池１１の定格に等しい出力電力が必要であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータは体積及び重量がともに大きい。そのため、特に車載用とした場合、車両上の限られた空間の中で大きな占有スペースを必要とするとともに、燃費を低下させていた。しかも、ＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率は１００％ではないため、これを介することで入力と出力との間で数％の電力損失が生じてしまう。
【０００６】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、負荷に対する定格出力電力を維持したままＤＣ／ＤＣコンバータの定格出力電力を小さくした発電装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発電装置は、＋側出力端子及び−側出力端子を有するとともに、これらの＋側出力端子及び−側出力端子から直流電力を出力する発電源と、＋側入力端子及び−側入力端子並びに＋側出力端子及び−側出力端子を有するとともに、発電源から出力された直流電力を所定の直流電圧及び直流電流に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータとを備えている。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力側と出力側とが例えばトランスで電気的に絶縁されている。また、発電源の＋側出力端子及び−側出力端子がそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータの＋側入力端子及び−側入力端子に接続され、発電源の＋側出力端子がＤＣ／ＤＣコンバータの−側出力端子に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータの＋側出力端子と発電源の−側出力端子とから直流電力を出力する。そして、この発電装置は、発電源の出力電圧と出力電流との関係を示す動作曲線を予め記憶しＤＣ／ＤＣコンバータの＋側出力端子と発電源の−側出力端子との間に接続された負荷が要求する負荷要求電圧及び負荷要求電流を入力しこれらの負荷要求電圧及び負荷要求電流並びに動作曲線に基づきＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧及び出力電流を制御する制御手段を更に備えている。この制御手段は、動作曲線を参照し、発電源が出力する直流電力と負荷要求電圧及び負荷要求電流に基づく負荷要求電力とが一致するような電流値を設定し、この設定した電流値と負荷要求電流とに基づいて発電源の出力電流を決定し、この決定した発電源の出力電流を基にＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧及び出力電流を決定する。
【０００８】
従来の発電装置の出力電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧に等しい。これに対し、本発明の発電装置の出力電圧は、発電源の出力電圧とＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧との和になる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧は、発電源の出力電圧の分だけ従来よりも小さくなる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力側と出力側とが絶縁されているので、このような接続形態を採っても短絡することはない。また、発電源が出力する直流電力と、負荷要求電圧及び負荷要求電流に基づく負荷要求電力とが一致するような電流値を設定し、この設定した電流値と負荷要求電流とに基づいて発電源の出力電流を決定し、この決定した発電源の出力電流を基にＤＣ／ＤＣコンバータを制御するので、電力損失を抑えることができる。
【０００９】
請求項２記載の発電装置は、請求項１記載の発電装置において、ＤＣ／ＤＣコンバータの＋側出力端子と発電源の−側出力端子との間に接続された二次電池を備えたものである。そして、請求項１記載の負荷が、ＤＣ／ＤＣコンバータの＋側出力端子と発電源の−側出力端子との間の二次電池の後段に接続された直流負荷と二次電池とから成る。
【００１０】
請求項３記載の発電装置は、請求項２記載の発電装置において、二次電池の残存容量を検出する残存容量センサを更に備え、制御手段が、二次電池の充放電特性を予め記憶し、残存容量センサから残存容量を入力し、直流負荷が要求する要求電圧及び要求電流を入力し、残存容量，要求電圧及び要求電流並びに動作曲線及び充放電特性に基づき二次電池の充放電電流を決定すると共に、負荷要求電流を、二次電池の充放電電流と要求電流との和とする。
【００１１】
また、制御手段は、負荷要求電圧及び負荷要求電流のどちらか一方しか満たせない場合に、負荷要求電流を満たすようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御する、としてもよい（請求項４）。これとは逆に、制御手段は、負荷要求電圧及び負荷要求電流のどちらか一方しか満たせない場合に、負荷要求電圧を満たすようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御する、としてもよい（請求項５）。更に、発電源が燃料電池（請求項６）、燃料電池電気自動車に搭載される、としてもよい（請求項７）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る発電装置の第一実施形態を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、本実施形態の発電装置は、燃料電池電気自動車に搭載されるものである。
【００１３】
本実施形態の発電装置１０は、＋側出力端子１１ｏｐ及び−側出力端子１１ｏｍを有するとともに、＋側出力端子１１ｏｐ及び−側出力端子１１ｏｍから直流電力を出力する発電源としての燃料電池１１と、＋側入力端子１２ｉｐ及び−側入力端子１２ｉｍ並びに＋側出力端子１２ｏｐ及び−側出力端子１２ｏｍを有するとともに、燃料電池１１から出力された直流電力Ｐｆｃ（＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃ）を所定の直流電圧及び直流電流（出力電圧Ｖｏｕｔ及び出力電流Ｉｏｕｔ）に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータ１２とを備えている。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、入力側と出力側とが電気的に絶縁されている。また、燃料電池１１の＋側出力端子１１ｏｐ及び−側出力端子１１ｏｍがそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータ１２の＋側入力端子１２ｉｐ及び−側入力端子１２ｉｍに接続され、燃料電池１１の＋側出力端子１１ｏｐがＤＣ／ＤＣコンバータ１２の−側出力端子１２ｏｍに接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の＋側出力端子１２ｏｐと燃料電池１１の−側出力端子１１ｏｍとから直流電力（出力電力ＰＬｂ）を出力する。
【００１４】
発電装置１０の出力電圧ＶＬｂは、燃料電池１１の出力電圧ＶｆｃとＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖｏｕｔとの和になる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖｏｕｔは、燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃの分だけ従来よりも小さくなる。したがって、発電装置１０によれば、負荷に対する定格出力電力を維持したまま、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の定格出力電力を小さくできる。
【００１５】
また、発電装置１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の＋側出力端子１２ｏｐと燃料電池１１の−側出力端子１１ｏｍとの間に接続された二次電池１３と、二次電池１３の残存容量ＳＯＣを検出する残存容量センサ１６と、制御手段としての制御部１７とを更に備えている。
【００１６】
制御部１７は、主に次の二つの機能を有する。第一の機能は、燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃと出力電流Ｉｆｃとの関係を示す動作曲線を予め記憶し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の＋側出力端子１２ｏｐと燃料電池１１の−側出力端子１１ｏｍとの間に接続された負荷（インバータ１４及びモータ１５）が要求する負荷要求電圧ＶＬ及び負荷要求電流ＩＬを入力し、これらの負荷要求電圧ＶＬ及び負荷要求電流ＩＬ並びに動作曲線に基づきＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖｏｕｔ及び出力電流Ｉｏｕｔを制御する。第二の機能は、二次電池１３の充放電特性を予め記憶し、残存容量センサ１６から残存容量ＳＯＣを入力し、この残存容量ＳＯＣ、負荷要求電圧ＶＬ及び負荷要求電流ＩＬ並びに動作曲線及び充放電特性に基づき、二次電池１３の充放電を制御する。
【００１７】
次に、発電装置１０の構成及び作用について、言葉を換えてもう一度説明する。
【００１８】
発電装置１０は、燃料の供給を受けて発電する燃料電池１１と、燃料電池１１で発電された電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、電力を蓄積及び出力できるリチウムイオン電池等の二次電池１３と、検出された各物理量に基づき燃料電池１１の動作点とＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力値とを計算しこれらを制御する制御部１７と、から構成される。また、発電装置１０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２又は二次電池１３から出力された直流電力を三相交流電力に変換しモータ１５を駆動するインバータ１４と、インバータ１４から供給された電力によって回転するモータ１５とが、負荷として付設されている。燃料電池１１及び二次電池１３は、インバータ１４から要求された出力に応じて電力を供給する。
【００１９】
燃料電池１１の出力ラインは、出力ライン▲１▼と出力ライン▲２▼との二系統に分岐している。出力ライン▲１▼は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の低電位出力側に接続されることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧を持ち上げている。出力ライン▲２▼は、従来通りＤＣ／ＤＣコンバータ１２の入力側に接続されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２には、二次電池１３から燃料電池１１への逆流を防ぐためのダイオード１２ａが付設されている。更に、制御部１７には、二次電池１３の残存容量ＳＯＣを監視する残存容量センサ１６が付設されている。このような回路構成とすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の定格出力を小さくすることができる。ただし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、入力側と出力側とが絶縁されているものに限られる。
【００２０】
例えば、燃料電池１１の定格出力が１００Ｖ・３００Ａであった場合、出力ライン▲１▼側を１００Ｖ・１２５Ａ、出力ライン▲２▼側を１００Ｖ・１７５Ａに分岐させる。すると、発電装置１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が入力した１００Ｖ・１７５Ａを１４０Ｖ・１２５Ａに変換することにより（仮に変換効率を１００％とする。）、出力ライン▲１▼側の電圧を加えることで２４０Ｖ・１２５Ａを出力することができる。このように、燃料電池１１の定格出力が３０ｋＷかつ燃料電池１１の出力電圧が１００Ｖ以上であるとすれば、従来のＤＣ／ＤＣコンバータ３２（図５）の定格出力は燃料電池１１の定格出力と同じ３０ｋＷ必要であるのに対し、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１２は１７．５ｋＷで済む。
【００２１】
次に、発電装置１０の各構成要素について更に詳述する。
【００２２】
燃料電池１１は、メタノールやガソリンなどの燃料を原料として改質器（図示せず）で水素などの燃料ガスを生成し、その燃料ガスと空気とを用いて燃料電池本体（図示せず）で電気化学反応により起電力を発生するものである。燃料電池１１の出力電力は、燃料電池本体に供給される燃料ガスの量（ガス流量）にも依存している。制御部１７は、このガス流量を制御する機能も有している。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、入力側と出力側とがトランスによって絶縁された一般的なスイッチングコンバータであり、燃料電池１１から出力された電圧を昇圧して、インバータ１４及び二次電池１３に並列に印加する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、制御部１７からの制御信号に従って、昇圧又は降圧した電圧を調整する。
【００２４】
二次電池１３は、燃料電池１１から供給された電力や、モータ１５からインバータ１４を介して回生された電力を蓄積したり、蓄積した電力をインバータ１４に供給したりする。本実施形態では二次電池１３としてリチウムイオン電池を用いているが、リチウムイオン電池の代わりにニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、鉛蓄電池、電気二重層コンデンサ等を用いることもできる。
【００２５】
残存容量センサ１６は、二次電池１３の残存容量ＳＯＣを検出して、その検出結果を制御部１７へ送る。具体的には、残存容量センサ１６は、二次電池１３の充電電流及び放電電流を時間積算することにより、二次電池１３の充電状態すなわち残存容量ＳＯＣをモニタするＳＯＣメータで構成されている。制御部１７は、この積算値を基にして二次電池１３の残存容量を演算により求めている。また、このようなＳＯＣメータの代わりに、二次電池１３の出力電圧を測定する電圧センサや、二次電池１３の電解液の比重を測定する比重センサによって、残存容量センサ１６を構成してもよい。これらの場合、制御部１７は、それらの測定値から二次電池１３の残存容量を求める。
【００２６】
インバータ１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、燃料電池１１及び二次電池１３から供給された電力によってモータ１５を駆動する。具体的には、インバータ１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、燃料電池１１及び二次電池１３から印加された直流電圧を、三相交流電圧に変換してモータ１５に供給するとともに、このとき、内蔵された制御回路（図示せず）からの制御信号に従って、モータ１５に供給する三相交流電圧の振幅（実際にはパルス幅）及び周波数を調節することによって、モータ１５で発生するトルクを制御している。実際には、インバータ１４は、６個のスイッチング素子（例えば、バイポーラ形ＭＯＳＦＥＴ（ＩＧＢＴ））を主回路素子として構成されており、これらスイッチング素子のスイッチング動作を制御回路からの制御信号によって制御されることにより、印加された直流電圧を所望の振幅及び周波数の三相交流電圧に変換している。また、インバータ１４に内蔵された制御回路は、図示しないアクセルペダルポジションセンサによって検出される電気自動車のアクセル開度等に基づき、インバータ１４の負荷要求電力を算出し、その値を制御部１７へ出力する。制御部１７は、この値に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１２を制御し、負荷要求電力に相当する電力をインバータ１４へ供給する。
【００２７】
モータ１５は、例えば、三相ＰＭ同期モータで構成されており、インバータ１４を介して供給された電力によって駆動されて、駆動軸（図示せず）にトルクを発生させる。このトルクは、ギヤ（図示せず）を介して電気自動車の車軸（図示せず）に伝達され、車輪に回転駆動力を与える。これにより、電気自動車に推進力が与えられて、電気自動車が走行する。
【００２８】
制御部１７は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート等を備えている。このうち、ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行なう。また、ＲＯＭは、上記した制御プログラムや、上記演算を実行する際に用いる制御データや、燃料電池１１の動作曲線や、二次電池１３の残存容量ＳＯＣをパラメータとした出力電流−出力電力特性のデータなどを予め格納している。ＲＡＭは、上記演算を実行したことによって得られる各種データを一時的に格納する。入出力ポートは、各種センサ等から送られてきた検出結果を入力してＣＰＵに伝えるともに、ＣＰＵからの指示に従って各構成要素に制御信号を出力する。
【００２９】
図２及び図３は、発電装置１０における制御部１７の動作の一例を示すフローチャートである。図４は、ある燃料供給量における燃料電池１１の動作曲線の一例を示すグラフである。以下、これらの図面に基づき、制御部１７の動作を説明する。なお、図３において「ＦＣ」とは燃料電池のことである。また、図２及び図３に示す動作は、一定のサンプリング時間毎に繰り返し実行される。
【００３０】
まず、インバータ１４から負荷要求電力ＰＬを読み込み（ステップＳ１０）、続いて残存容量センサ１６から二次電池１３の残存容量ＳＯＣを読み込む（ステップＳ１１）。続いて、読み込んだ負荷要求電力ＰＬを燃料電池１１の最大出力電力Ｐｆｃｏと比較し（ステップＳ１２）、二次電池１３を放電させることによって燃料電池１１を補助する必要があるか否か、又は二次電池１３を充電する余力が燃料電池１１にあるか否かを判断する。続いて、読み込んだ残存容量ＳＯＣの大きさをあるしきい値と比較し（ステップＳ１３，Ｓ１７）、二次電池１３が放電可能か又は充電可能かを判断し、それによって二次電池１３の充放電電流Ｉｂを決定する（ステップＳ１４，Ｓ１５，Ｓ１６，Ｓ１８，Ｓ１９）。このとき、充電方向の電流を正とする。すなわち、Ｉｂ＞０であれば充電、Ｉｂ＜０であれば放電を示す。
【００３１】
具体的には、ＰＬ＞Ｐｆｃｏであれば、負荷要求電力に対して燃料電池１１の出力電力では不足であるから、二次電池１３の補助を必要とする。ここでＳＯＣをあるしきい値Ｔ１（例えば３０％）と比較し（ステップＳ１３）、ＳＯＣ≧Ｔ１であれば二次電池１３は放電可能である。このときの充放電電流Ｉｂは、Ｖｂを二次電池１３の出力電圧とすると、Ｉｂ＝（Ｐｆｃｏ−ＰＬ）／Ｖｂとなる。ただし、二次電池１３には最大放電電流Ｉｂｄ（Ｉｂｄ＜０）が決められているので、Ｉｂ＜Ｉｂｄとなる場合にはＩｂ＝Ｉｂｄとする（ステップＳ１５）。一方、ＳＯＣ＜Ｔ１であれば、二次電池１３は放電不可能と判断してＩｂ＝０とする（ステップＳ１４）。なお、ＰＬ＝Ｐｆｃｏであれば二次電池１３の充放電は不要であるので、Ｉｂ＝０とする（ステップＳ１６）。
【００３２】
また、ＰＬ＜Ｐｆｃｏのときは、燃料電池１１に余力が生じるので、二次電池１３の充電を行なうことができる。ここで、放電可否判断時と同様にＳＯＣをあるしきい値Ｔ２（例えば７０％）と比較し（ステップＳ１７）、二次電池１３の充電可否を判断する。ＳＯＣ≦Ｔ２であれば、二次電池１３は充電可能であると判断し、このときＩｂ＝（Ｐｆｃｏ−ＰＬ）／Ｖｂとなる。ただし、充電電流についても最大充電電流Ｉｂｃが決められているため、Ｉｂ＞Ｉｂｃとなる場合にはＩｂ＝Ｉｂｃとする（ステップＳ１８）。一方、ＳＯＣ＞Ｔ２であれば、二次電池１３は充電不可能と判断してＩｂ＝０とする（ステップＳ１９）
【００３３】
続いて、このようにして求められたＩｂをもとに、インバータ１４と二次電池１３との要求出力電流の和ＩＬｂを計算し（ＩＬｂ＝ＩＬ＋Ｉｂ）、それらの要求出力電力の和ＰＬｂを求める（ＰＬｂ＝ＩＬｂ×ＶＬｂ）（ステップＳ２０）。ただし、ＶＬｂは、インバータ１４の入力電圧ＶＬ又は二次電池１３の出力電圧Ｖｂに等しい。
【００３４】
ここで、図４において、燃料電池１１の出力電流Ｉｆｃを増加させるにつれて、図中２０で示す出力電圧Ｖｆｃは減少し、図中２１で示す出力電力Ｐｆｃはある電流値において極大値を示す。同図において、燃料電池１１の最大出力電力をＰｆｃｏ、そのときの出力電流及び出力電圧をそれぞれＩｆｃｏ，Ｖｆｃｏ、最大出力電流をＩｆｃｍａｘ、最小出力電圧をＶｆｃｍｉｎとする。また、Ｐｆｃ＝ＰＬｂのときの出力電流ＩｆｃをＩ１，Ｉ２（Ｉ１≦Ｉ２）とする。
【００３５】
ステップＳ２０でＰＬｂを決定すると、そのＰＬｂとＰｆｃｏとの比較を行ない（ステップＳ２１）、更にＩＬｂの大きさによって（ステップＳ２２，Ｓ２７）燃料電池１１の動作点を決定する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２によって電力変換することで要求出力電圧ＶＬｂ及び要求出力電流ＩＬｂが負荷に供給されうる点を、燃料電池１１の動作点として選択する。ただし、燃料電池１１の出力電力が小さいために要求出力電圧ＶＬｂ及び要求出力電流ＩＬｂを満足できない場合は、要求出力電流ＩＬｂを優先して出力できるよう動作点を決定する。
【００３６】
例えば、ＰＬｂ＜Ｐｆｃｏの場合は、ＩＬｂをＩ１，Ｉ２及びＩｆｃｍａｘと比較し、動作点を決める。すなわち、ＩＬｂの値によってＩｆｃが決まり、それに伴って対応するＶｆｃが一義的に決定する。ＩＬｂ≦Ｉ１の場合は、燃料電池１１の動作点をＡ点とし、このときＩｆｃ＝Ｉ１となる（ステップＳ２３）。Ｉ１＜ＩＬｂ≦Ｉ２の場合は、動作点をＢ点とすることで、Ｉｆｃ＝Ｉ２となる（ステップＳ２４）。また、Ｉ２＜ＩＬｂ≦Ｉｆｃｍａｘの場合は、Ｉｆｃ＝ＩＬｂとなるＸ点を動作点にする（ステップＳ２５）。更に、Ｉｆｃｍａｘ＜ＩＬｂの場合は、動作点をＣ点、すなわちＩｆｃ＝Ｉｆｃｍａｘとする（ステップＳ２６）。
【００３７】
ＰＬｂ≧Ｐｆｃｏの場合は、ＩＬｂをＩｆｃｏ及びＩｆｃｍａｘと比較し、動作点を決定する。まず、ＩＬｂ≦Ｉｆｃｏの場合は、動作点をＤ点、すなわちＩｆｃ＝Ｉｆｃｏとする（ステップＳ２８）。Ｉｆｃｏ＜ＩＬｂ≦Ｉｆｃｍａｘの場合は、Ｉｆｃ＝ＩＬｂとなるＸ点を動作点にする（ステップＳ２９）。最後に、Ｉｆｃｍａｘ＜ＩＬｂの場合は、動作点をＣ点、すなわちＩｆｃ＝Ｉｆｃｍａｘとする（ステップＳ３０）。
【００３８】
このようにして決定されたＩｆｃ，Ｖｆｃを燃料電池１１に指示するとともに、これらのＩｆｃ，Ｖｆｃに基づきＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧等を算出する（ステップＳ３１）。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２への入力電圧及び入力電流をそれぞれＶｉｎ，Ｉｉｎとし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２からの出力電圧及び出力電流をそれぞれＶｏｕｔ，Ｉｏｕｔとする。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電流Ｉｏｕｔは、インバータ１４と二次電池１３とから要求された電流ＩＬｂと等しくなるように制御される。すなわちＩｏｕｔ＝ＩＬｂである。ただし、Ｉｆｃ＜ＩＬｂの場合はＩｏｕｔ＝Ｉｆｃとする。この場合は、結果的に要求された電流ＩＬｂをインバータ１４に供給することができない。
【００３９】
前述のステップＳ２３〜Ｓ３０に立ち返ってみると、まずＩＬｂ≦Ｉ１の場合は、ステップＳ２３でＩｆｃ＝Ｉ１と決定したのでＩＬｂ≦Ｉｆｃであり、Ｉｏｕｔ＝ＩＬｂとすることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の入力電圧Ｖｉｎは当然のことながら燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃに等しいため、Ｖｉｎ＝Ｖｆｃである。入力電流Ｉｉｎは、燃料電池の出力電流Ｉｆｃから出力電流Ｉｏｕｔを差し引いたもの、Ｉｉｎ＝Ｉｆｃ−Ｉｏｕｔとする。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｉｏｕｔ及びＶｉｎ，Ｉｉｎから算出される。この場合、動作点がＡ点でＰｆｃ＝ＰＬｂであることを考慮すると、Ｖｏｕｔ＝（Ｖｉｎ・Ｉｉｎ）／Ｉｏｕｔ＝Ｖｆｃ（Ｉｆｃ−ＩＬｂ）／ＩＬｂ＝ＶＬｂ−Ｖｆｃである。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力の低電位側がＶｆｃであることにより、後段のインバータ１４と二次電池１３とにはＶｆｃ＋Ｖｏｕｔ＝ＶＬｂを供給することができる。
【００４０】
Ｉ１＜ＩＬｂ≦Ｉ２の場合も、ステップＳ２４でＩｆｃ＝Ｉ２と決定したのでＩＬｂ≦Ｉｆｃであり、Ｉｏｕｔ＝ＩＬｂとできる。Ｖｉｎ、Ｉｉｎ及びＶｏｕｔについても同様である。
【００４１】
一方、ステップＳ２５，Ｓ２９では、Ｉｆｃ＝ＩＬｂとしているので、Ｉｏｕｔ＝ＩＬｂ、Ｉｉｎ＝Ｉｆｃ−Ｉｏｕｔ＝０である。これによりＶｏｕｔ＝０となる。よって、要求出力電圧ＶＬｂに対してＶｆｃ＋Ｖｏｕｔ＝Ｖｆｃの電圧しか供給できないことになる。
【００４２】
ステップＳ２６，Ｓ３０では、Ｉｆｃ＝Ｉｆｃｍａｘとしており、Ｉｆｃｍａｘ＜ＩＬｂであるので、Ｉｏｕｔ＝Ｉｆｃ＝Ｉｆｃｍａｘとなる。すなわち、要求出力電流ＩＬｂに対してＩｆｃｍａｘの電流しか供給できない。また、Ｉｉｎ＝Ｉｆｃ−Ｉｏｕｔ＝０、Ｖｏｕｔ＝０となり、この場合も要求出力電圧ＶＬｂに対してＶｆｃ＋Ｖｏｕｔ＝Ｖｆｃの電圧しか供給できない。
【００４３】
ステップＳ２８では、ＩＬｂ≦Ｉｆｃｏ＝ＩｆｃであるからＩｏｕｔ＝ＩＬｂとする。すなわち、要求出力電圧ＶＬｂには満たないものの、要求出力電流ＩＬｂを供給することができる。
【００４４】
以上のような構成にすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の定格出力を従来よりも小さくすることができ、それに伴ってＤＣ／ＤＣコンバータ１２の体積、重量及びコストを削減することができる。また、以上のように制御することで、負荷の要求する電流値を優先して供給することが可能である。
【００４５】
なお、本発明は、言うまでもなく、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では負荷に供給する電流値を優先させて燃料電池の動作点を決定したが、負荷に供給する電圧値や電力値を優先させて燃料電池の動作点を決定してもよい。また、発電源は、燃料電池以外に太陽電池等としてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明に係る発電装置によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは入力側と出力側とが電気的に絶縁され、発電源の＋側出力端子及び−側出力端子がそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータの＋側入力端子及び−側入力端子に接続され、発電源の＋側出力端子がＤＣ／ＤＣコンバータの−側出力端子に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータの＋側出力端子と発電源の−側出力端子とから直流電力を出力する。これにより、発電源の出力電圧とＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧との和を、発電装置の出力電圧とすることができる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を、発電源の出力電圧の分だけ従来よりも小さくできる。したがって、本発明の発電装置によれば、負荷に対する定格出力電力を維持したまま、ＤＣ／ＤＣコンバータの定格出力電力を小さくできる。
【００４７】
その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータの体積及び重量を小さくできるので、占有スペースを小さくでき、かつ発電装置の製造コストを削減できるとともに、車載用とした場合の燃費を向上できる。しかも、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して出力される電力を低減できるので、その分の電力損失を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発電装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の発電装置における制御部の動作の一例を示すフローチャートである。
【図３】図１の発電装置における制御部の動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】図１の発電装置における燃料電池の動作曲線の一例を示すグラフである。
【図５】発電装置の従来例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０発電装置
１１燃料電池（発電源）
１１ｏｐ燃料電池の＋側出力端子
１１ｏｍ燃料電池の−側出力端子
１２ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ｉｐＤＣ／ＤＣコンバータの＋側入力端子
１２ｉｍＤＣ／ＤＣコンバータの−側入力端子
１２ｏｐＤＣ／ＤＣコンバータの＋側出力端子
１２ｏｍＤＣ／ＤＣコンバータの−側出力端子
１３二次電池
１４インバータ
１５モータ
１６残存容量センサ
１７制御部（制御手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation apparatus used in a fuel cell electric vehicle, a household power generation facility, and the like.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell electric vehicle obtains running torque by driving a motor with electric power generated by a fuel cell. Fuel cell vehicles often include a secondary battery as an auxiliary power source when a large output is required, such as when starting or accelerating, and as a means for recovering regenerative energy during deceleration. In this case, since the output voltage of the fuel cell largely fluctuates depending on the load, a necessary output voltage is obtained by connecting a voltage regulator such as a DC / DC converter downstream of the fuel cell.
[0003]
FIG. 5 is a block diagram showing a conventional example of a power generation device mounted on such a fuel cell electric vehicle. Hereinafter, description will be given based on this drawing.
[0004]
The power generation device 30 includes a fuel cell 11, a DC / DC converter 32 connected to the output side of the fuel cell 11, and a secondary battery 13 connected to the subsequent stage. A load composed of an inverter 14 and a motor 15 is connected to the power generation device 30 in parallel with the secondary battery 13. The DC / DC converter 32 converts all the electric power supplied from the fuel cell 11 into electric power required from the inverter 14 and the secondary battery 13 and supplies the electric power. In such a connection method, the DC / DC converter 32 needs output power equal to the rating of the fuel cell 11.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the DC / DC converter is both large in volume and weight. For this reason, in particular, when it is used for in-vehicle use, a large occupied space is required in a limited space on the vehicle, and fuel consumption is reduced. Moreover, since the conversion efficiency of the DC / DC converter is not 100%, a power loss of several percent occurs between the input and the output through this.
[0006]
OBJECT OF THE INVENTION
Therefore, an object of the present invention is to provide a power generator that reduces the rated output power of a DC / DC converter while maintaining the rated output power for a load.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  The power generator according to claim 1 has a + side output terminal and a − side output terminal, a power generation source that outputs DC power from these + side output terminal and − side output terminal, a + side input terminal and a − side It has an input terminal, a + side output terminal, and a − side output terminal, and a DC / DC converter that converts the DC power output from the power generation source into a predetermined DC voltage and DC current and outputs the same. In the DC / DC converter, the input side and the output side are electrically insulated by, for example, a transformer. Further, the + side output terminal and the − side output terminal of the power generation power source are connected to the + side input terminal and − side input terminal of the DC / DC converter, respectively, and the + side output terminal of the power generation power source is the − side output of the DC / DC converter. DC power is output from the + side output terminal of the DC / DC converter and the − side output terminal of the power generation source.The power generation apparatus stores in advance an operation curve indicating the relationship between the output voltage and output current of the power generation source, and is connected between the + side output terminal of the DC / DC converter and the − side output terminal of the power generation source. Control means for inputting a load request voltage and a load request current required by the load and controlling the output voltage and output current of the DC / DC converter based on the load request voltage, the load request current and the operation curve are further provided. The control means refers to the operation curve, sets a current value such that the DC power output from the power generation source matches the load request power based on the load request voltage and the load request current, and the set current value and the load The output current of the power generation source is determined based on the requested current, and the output voltage and output current of the DC / DC converter are determined based on the determined output current of the power generation source..
[0008]
  The output voltage of the conventional power generator is equal to the output voltage of the DC / DC converter. On the other hand, the output voltage of the power generator of the present invention is the sum of the output voltage of the power generation source and the output voltage of the DC / DC converter. That is, the output voltage of the DC / DC converter becomes smaller than the conventional one by the output voltage of the power generation source. Further, since the input side and the output side of the DC / DC converter are insulated, there is no short circuit even if such a connection form is adopted.In addition, a current value is set such that the DC power output from the power generation source matches the load required power based on the load request voltage and the load request current, and the power generation source is based on the set current value and the load request current. Since the DC / DC converter is controlled based on the determined output current of the power generation source, the power loss can be suppressed.
[0009]
  The power generator according to claim 2 is the power generator according to claim 1,A secondary battery connected between the + side output terminal of the DC / DC converter and the-side output terminal of the power generation source is provided. The load described in claim 1 includes a secondary battery and a direct current load connected to a subsequent stage of the secondary battery between the positive side output terminal of the DC / DC converter and the negative side output terminal of the power generation source.
[0010]
  The power generator according to claim 3 is the power generator according to claim 2,The battery further comprises a remaining capacity sensor for detecting the remaining capacity of the secondary battery, and the control means stores in advance the charge / discharge characteristics of the secondary battery, inputs the remaining capacity from the remaining capacity sensor, and the required voltage required by the DC load and The required current is input, the charge / discharge current of the secondary battery is determined based on the remaining capacity, the required voltage, the required current, the operation curve and the charge / discharge characteristics, and the load required current, the charge / discharge current of the secondary battery, and the required current are determined. And the sum.
[0011]
Further, the control means may control the DC / DC converter so as to satisfy the load request current when only one of the load request voltage and the load request current can be satisfied. On the contrary, the control means may control the DC / DC converter so as to satisfy the load request voltage when only one of the load request voltage and the load request current can be satisfied (claim 5). . Furthermore, the power generation source may be mounted on a fuel cell (Claim 6) or a fuel cell electric vehicle (Claim 7).
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a power generator according to the present invention. Hereinafter, description will be given based on this drawing. In addition, the electric power generating apparatus of this embodiment is mounted in a fuel cell electric vehicle.
[0013]
The power generation apparatus 10 according to the present embodiment includes a fuel cell 11 as a power generation source that has a + side output terminal 11op and a − side output terminal 11om, and outputs DC power from the + side output terminal 11op and the − side output terminal 11om, It has a + side input terminal 12ip, a − side input terminal 12im, a + side output terminal 12op and a − side output terminal 12om, and the DC power Pfc (= Vfc × Ifc) output from the fuel cell 11 is converted into a predetermined DC voltage and DC. And a DC / DC converter 12 that converts the current (output voltage Vout and output current Iout) and outputs the current. In the DC / DC converter 12, the input side and the output side are electrically insulated. Further, the + side output terminal 11op and the − side output terminal 11om of the fuel cell 11 are respectively connected to the + side input terminal 12ip and the − side input terminal 12im of the DC / DC converter 12, and the + side output terminal 11op of the fuel cell 11 is connected. The DC / DC converter 12 is connected to the − side output terminal 12 om and outputs DC power (output power PLb) from the + side output terminal 12 op of the DC / DC converter 12 and the − side output terminal 11 om of the fuel cell 11.
[0014]
The output voltage VLb of the power generator 10 is the sum of the output voltage Vfc of the fuel cell 11 and the output voltage Vout of the DC / DC converter 12. That is, the output voltage Vout of the DC / DC converter 12 becomes smaller than the conventional voltage by the output voltage Vfc of the fuel cell 11. Therefore, according to the power generator 10, the rated output power of the DC / DC converter 12 can be reduced while maintaining the rated output power for the load.
[0015]
Further, the power generation device 10 uses the secondary battery 13 connected between the + side output terminal 12op of the DC / DC converter 12 and the − side output terminal 11om of the fuel cell 11 and the remaining capacity SOC of the secondary battery 13 A remaining capacity sensor 16 to be detected and a control unit 17 as control means are further provided.
[0016]
The control unit 17 mainly has the following two functions. The first function stores in advance an operating curve indicating the relationship between the output voltage Vfc and the output current Ifc of the fuel cell 11, and the + side output terminal 12 op of the DC / DC converter 12 and the − side output terminal 11 om of the fuel cell 11. The load request voltage VL and the load request current IL required by the load (the inverter 14 and the motor 15) connected to the input are input, and the DC / DC is based on the load request voltage VL and the load request current IL and the operation curve. The output voltage Vout and the output current Iout of the converter 12 are controlled. The second function stores the charge / discharge characteristics of the secondary battery 13 in advance, inputs the remaining capacity SOC from the remaining capacity sensor 16, the remaining capacity SOC, the required load voltage VL, the required load current IL, the operation curve, and the charge / discharge characteristics. Based on the discharge characteristics, charge / discharge of the secondary battery 13 is controlled.
[0017]
Next, the configuration and operation of the power generation device 10 will be described once more in different words.
[0018]
The power generation apparatus 10 includes a fuel cell 11 that generates power upon receiving fuel supply, a DC / DC converter 12 that boosts power generated by the fuel cell 11, and a secondary battery such as a lithium ion battery that can store and output power. 13 and a control unit 17 that calculates the operating point of the fuel cell 11 and the output value of the DC / DC converter 12 based on each detected physical quantity and controls them. In addition, the power generation apparatus 10 includes an inverter 14 that converts the DC power output from the DC / DC converter 12 or the secondary battery 13 into three-phase AC power and drives the motor 15, and is rotated by the power supplied from the inverter 14. A motor 15 is attached as a load. The fuel cell 11 and the secondary battery 13 supply electric power according to the output requested from the inverter 14.
[0019]
The output line of the fuel cell 11 is branched into two systems of output line (1) and output line (2). The output line (1) raises the output voltage of the DC / DC converter 12 by being connected to the low potential output side of the DC / DC converter 12. The output line (2) is connected to the input side of the DC / DC converter 12 as usual. The DC / DC converter 12 is additionally provided with a diode 12 a for preventing a backflow from the secondary battery 13 to the fuel cell 11. Further, the control unit 17 is provided with a remaining capacity sensor 16 that monitors the remaining capacity SOC of the secondary battery 13. By setting it as such a circuit structure, the rated output of the DC / DC converter 12 can be made small. However, the DC / DC converter 12 is limited to the one in which the input side and the output side are insulated.
[0020]
For example, when the rated output of the fuel cell 11 is 100V · 300A, the output line {circle around (1)} is branched to 100V · 125A, and the output line {circle around (2)} is branched to 100V · 175A. Then, the power generation device 10 applies the voltage on the output line {circle around (1)} side by converting 100V · 175A input by the DC / DC converter 12 into 140V · 125A (assuming that the conversion efficiency is 100%). Can output 240V · 125A. Thus, if the rated output of the fuel cell 11 is 30 kW and the output voltage of the fuel cell 11 is 100 V or more, the rated output of the conventional DC / DC converter 32 (FIG. 5) is the same as the rated output of the fuel cell 11. While the same 30 kW is required, the DC / DC converter 12 of this embodiment only needs 17.5 kW.
[0021]
Next, each component of the power generator 10 will be described in further detail.
[0022]
The fuel cell 11 uses a fuel such as methanol or gasoline as a raw material to produce a fuel gas such as hydrogen in a reformer (not shown), and uses the fuel gas and air to produce a fuel cell main body (not shown). An electromotive force is generated by an electrochemical reaction. The output power of the fuel cell 11 also depends on the amount of fuel gas (gas flow rate) supplied to the fuel cell body. The controller 17 also has a function of controlling the gas flow rate.
[0023]
The DC / DC converter 12 is a general switching converter in which an input side and an output side are insulated by a transformer. The DC / DC converter 12 boosts the voltage output from the fuel cell 11 and is parallel to the inverter 14 and the secondary battery 13. Apply. At this time, the DC / DC converter 12 adjusts the boosted or stepped down voltage according to the control signal from the control unit 17.
[0024]
The secondary battery 13 accumulates electric power supplied from the fuel cell 11, electric power regenerated from the motor 15 via the inverter 14, and supplies the accumulated electric power to the inverter 14. In the present embodiment, a lithium ion battery is used as the secondary battery 13, but a nickel-cadmium storage battery, a nickel-hydrogen storage battery, a lead storage battery, an electric double layer capacitor, or the like may be used instead of the lithium ion battery.
[0025]
The remaining capacity sensor 16 detects the remaining capacity SOC of the secondary battery 13 and sends the detection result to the control unit 17. Specifically, the remaining capacity sensor 16 is composed of an SOC meter that monitors the charged state of the secondary battery 13, that is, the remaining capacity SOC, by integrating the charging current and discharging current of the secondary battery 13 over time. The control unit 17 obtains the remaining capacity of the secondary battery 13 by calculation based on this integrated value. Further, the remaining capacity sensor 16 may be constituted by a voltage sensor that measures the output voltage of the secondary battery 13 or a specific gravity sensor that measures the specific gravity of the electrolyte of the secondary battery 13 instead of such an SOC meter. Good. In these cases, the control unit 17 obtains the remaining capacity of the secondary battery 13 from those measured values.
[0026]
The inverter 14 drives the motor 15 with electric power supplied from the DC / DC converter 12, the fuel cell 11, and the secondary battery 13. Specifically, the inverter 14 converts a DC voltage applied from the DC / DC converter 12, the fuel cell 11, and the secondary battery 13 into a three-phase AC voltage and supplies it to the motor 15. The torque generated in the motor 15 is controlled by adjusting the amplitude (actually the pulse width) and frequency of the three-phase AC voltage supplied to the motor 15 in accordance with a control signal from a control circuit (not shown). ing. Actually, the inverter 14 includes six switching elements (for example, bipolar MOSFET (IGBT)) as main circuit elements, and the switching operation of these switching elements is controlled by a control signal from a control circuit. Thus, the applied DC voltage is converted into a three-phase AC voltage having a desired amplitude and frequency. The control circuit built in the inverter 14 calculates the load required power of the inverter 14 based on the accelerator opening degree of the electric vehicle detected by an accelerator pedal position sensor (not shown) and outputs the value to the control unit 17. To do. The control unit 17 controls the DC / DC converter 12 in accordance with this value, and supplies power corresponding to the load required power to the inverter 14.
[0027]
The motor 15 is composed of, for example, a three-phase PM synchronous motor, and is driven by electric power supplied via the inverter 14 to generate torque on a drive shaft (not shown). This torque is transmitted to the axle (not shown) of the electric vehicle via a gear (not shown), and gives a rotational driving force to the wheels. Thereby, a propulsive force is given to the electric vehicle and the electric vehicle runs.
[0028]
The control unit 17 includes a CPU, a ROM, a RAM, an input / output port, and the like (not shown). Among these, the CPU executes a desired calculation according to the control program and performs various processes and controls. In addition, the ROM has an output current-output power characteristic using the above-described control program, control data used when executing the above calculation, an operation curve of the fuel cell 11, and a remaining capacity SOC of the secondary battery 13 as parameters. Data and the like are stored in advance. The RAM temporarily stores various data obtained by executing the above calculation. The input / output port inputs detection results sent from various sensors and transmits them to the CPU, and outputs control signals to each component in accordance with instructions from the CPU.
[0029]
2 and 3 are flowcharts illustrating an example of the operation of the control unit 17 in the power generation apparatus 10. FIG. 4 is a graph showing an example of an operation curve of the fuel cell 11 at a certain fuel supply amount. Hereinafter, the operation of the control unit 17 will be described based on these drawings. In FIG. 3, “FC” is a fuel cell. 2 and 3 are repeatedly executed at regular sampling times.
[0030]
First, the required load power PL is read from the inverter 14 (step S10), and then the remaining capacity SOC of the secondary battery 13 is read from the remaining capacity sensor 16 (step S11). Subsequently, the read load demand power PL is compared with the maximum output power Pfco of the fuel cell 11 (step S12), and whether or not the fuel cell 11 needs to be assisted by discharging the secondary battery 13 is determined. It is determined whether or not the fuel cell 11 has sufficient power for charging the next battery 13. Subsequently, the read remaining capacity SOC is compared with a certain threshold value (steps S13 and S17), and it is determined whether the secondary battery 13 can be discharged or charged, thereby charging the secondary battery 13. The discharge current Ib is determined (steps S14, S15, S16, S18, S19). At this time, the current in the charging direction is positive. That is, charging is indicated when Ib> 0, and discharging is indicated when Ib <0.
[0031]
Specifically, if PL> Pfco, the output power of the fuel cell 11 is insufficient with respect to the required load power, so the secondary battery 13 needs to be assisted. Here, the SOC is compared with a certain threshold value T1 (for example, 30%) (step S13). If SOC ≧ T1, the secondary battery 13 can be discharged. The charge / discharge current Ib at this time is Ib = (Pfco−PL) / Vb, where Vb is the output voltage of the secondary battery 13. However, since the maximum discharge current Ibd (Ibd <0) is determined for the secondary battery 13, if Ib <Ibd, Ib = Ibd is set (step S15). On the other hand, if SOC <T1, it is determined that the secondary battery 13 cannot be discharged, and Ib = 0 is set (step S14). If PL = Pfco, charging / discharging of the secondary battery 13 is not necessary, and Ib = 0 is set (step S16).
[0032]
Further, when PL <Pfco, there is a surplus in the fuel cell 11, so that the secondary battery 13 can be charged. Here, the SOC is compared with a certain threshold value T2 (for example, 70%) as in the case of determining whether or not discharge is possible (step S17), and whether or not the secondary battery 13 can be charged is determined. If SOC ≦ T2, it is determined that the secondary battery 13 can be charged. At this time, Ib = (Pfco−PL) / Vb. However, since the maximum charging current Ibc is also determined for the charging current, when Ib> Ibc, Ib = Ibc is set (step S18). On the other hand, if SOC> T2, it is determined that the secondary battery 13 cannot be charged, and Ib = 0 is set (step S19).
[0033]
Subsequently, based on Ib obtained in this way, a sum ILb of required output currents of the inverter 14 and the secondary battery 13 is calculated (ILb = IL + Ib), and a sum PLb of those required output powers is obtained. (PLb = ILb × VLb) (step S20). However, VLb is equal to the input voltage VL of the inverter 14 or the output voltage Vb of the secondary battery 13.
[0034]
Here, in FIG. 4, as the output current Ifc of the fuel cell 11 is increased, the output voltage Vfc indicated by 20 in the figure decreases, and the output power Pfc indicated by 21 in the figure shows a maximum value at a certain current value. In the figure, the maximum output power of the fuel cell 11 is Pfco, the output current and output voltage at that time are Ifco and Vfco, the maximum output current is Ifcmax, and the minimum output voltage is Vfcmin. Further, the output current Ifc when Pfc = PLb is assumed to be I1, I2 (I1 ≦ I2).
[0035]
When PLb is determined in step S20, the PLb is compared with Pfco (step S21), and the operating point of the fuel cell 11 is determined based on the magnitude of ILb (steps S22 and S27). At this time, the point at which the required output voltage VLb and the required output current ILb can be supplied to the load by performing power conversion by the DC / DC converter 12 is selected as the operating point of the fuel cell 11. However, if the required output voltage VLb and the required output current ILb cannot be satisfied because the output power of the fuel cell 11 is small, the operating point is determined so that the required output current ILb can be output with priority.
[0036]
For example, if PLb <Pfco, ILb is compared with I1, I2 and Ifcmax to determine the operating point. That is, Ifc is determined by the value of ILb, and corresponding Vfc is uniquely determined accordingly. In the case of ILb ≦ I1, the operating point of the fuel cell 11 is the point A, and at this time, Ifc = I1 (step S23). In the case of I1 <ILb ≦ I2, by setting the operating point as the B point, Ifc = I2 (step S24). If I2 <ILb ≦ Ifcmax, the X point where Ifc = ILb is set as the operating point (step S25). Further, if Ifcmax <ILb, the operating point is set to point C, that is, Ifc = Ifcmax (step S26).
[0037]
If PLb ≧ Pfco, ILb is compared with Ifco and Ifcmax to determine the operating point. First, if ILb ≦ Ifco, the operating point is set to point D, that is, Ifc = Ifco (step S28). If Ifco <ILb ≦ Ifcmax, the X point where Ifc = ILb is set as the operating point (step S29). Finally, if Ifcmax <ILb, the operating point is set to point C, that is, Ifc = Ifcmax (step S30).
[0038]
Instructing the fuel cell 11 of Ifc and Vfc determined in this way, the output voltage of the DC / DC converter 12 and the like are calculated based on these Ifc and Vfc (step S31). Here, the input voltage and the input current to the DC / DC converter 12 are Vin and Iin, respectively, and the output voltage and the output current from the DC / DC converter 12 are Vout and Iout, respectively. The output current Iout of the DC / DC converter 12 is controlled to be equal to the current ILb requested from the inverter 14 and the secondary battery 13. That is, Iout = ILb. However, when Ifc <ILb, Iout = Ifc. In this case, the required current ILb cannot be supplied to the inverter 14 as a result.
[0039]
Returning to the above-described steps S23 to S30, first, if ILb ≦ I1, it is determined that Ifc = I1 in step S23, ILb ≦ Ifc, and Iout = ILb. Since the input voltage Vin of the DC / DC converter 12 is naturally equal to the output voltage Vfc of the fuel cell 11, Vin = Vfc. The input current Iin is obtained by subtracting the output current Iout from the output current Ifc of the fuel cell, and Iin = Ifc−Iout. The output voltage Vout of the DC / DC converter 12 is calculated from Iout and Vin, Iin. In this case, considering that the operating point is point A and Pfc = PLb, Vout = (Vin · Iin) / Iout = Vfc (Ifc−ILb) / ILb = VLb−Vfc. That is, when the low potential side of the output of the DC / DC converter 12 is Vfc, Vfc + Vout = VLb can be supplied to the inverter 14 and the secondary battery 13 in the subsequent stage.
[0040]
Also in the case of I1 <ILb ≦ I2, since it is determined that Ifc = I2 in step S24, ILb ≦ Ifc and Iout = ILb can be obtained. The same applies to Vin, Iin, and Vout.
[0041]
On the other hand, in steps S25 and S29, Ifc = ILb, Iout = ILb and Iin = Ifc-Iout = 0. As a result, Vout = 0. Therefore, only a voltage of Vfc + Vout = Vfc can be supplied to the required output voltage VLb.
[0042]
In steps S26 and S30, Ifc = Ifcmax and Ifcmax <ILb, Iout = Ifc = Ifcmax. That is, only Ifcmax current can be supplied to the required output current ILb. In addition, Iin = Ifc−Iout = 0 and Vout = 0. In this case, only the voltage Vfc + Vout = Vfc can be supplied to the required output voltage VLb.
[0043]
In step S28, since ILb ≦ Ifco = Ifc, Iout = ILb. That is, the required output current ILb can be supplied although the required output voltage VLb is not satisfied.
[0044]
With the configuration as described above, the rated output of the DC / DC converter 12 can be made smaller than before, and accordingly, the volume, weight and cost of the DC / DC converter 12 can be reduced. In addition, by controlling as described above, it is possible to preferentially supply the current value required by the load.
[0045]
Needless to say, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the operating point of the fuel cell is determined by prioritizing the current value supplied to the load, but the operating point of the fuel cell may be determined by prioritizing the voltage value or power value supplied to the load. . In addition to the fuel cell, the power generation source may be a solar cell or the like.
[0046]
【The invention's effect】
According to the power generator of the present invention, the DC / DC converter is electrically insulated from the input side and the output side, and the + side output terminal and the − side output terminal of the power generation source are the + side input of the DC / DC converter, respectively. Terminal is connected to the negative input terminal, the positive output terminal of the power generation power source is connected to the negative output terminal of the DC / DC converter, and the positive output terminal of the DC / DC converter and the negative output terminal of the power generation power source. Outputs DC power. Thereby, the sum of the output voltage of the power generation source and the output voltage of the DC / DC converter can be used as the output voltage of the power generator. That is, the output voltage of the DC / DC converter can be made smaller than the conventional one by the output voltage of the power generation source. Therefore, according to the power generator of the present invention, the rated output power of the DC / DC converter can be reduced while maintaining the rated output power for the load.
[0047]
As a result, since the volume and weight of the DC / DC converter can be reduced, the occupied space can be reduced, the manufacturing cost of the power generation device can be reduced, and the fuel efficiency when used in a vehicle can be improved. And since the electric power output via a DC / DC converter can be reduced, the electric power loss by that amount can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a power generator according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing an example of the operation of a control unit in the power generation device of FIG.
FIG. 3 is a flowchart showing an example of the operation of a control unit in the power generation device of FIG. 1;
4 is a graph showing an example of an operation curve of a fuel cell in the power generation device of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing a conventional example of a power generator.
[Explanation of symbols]
10 Power generator
11 Fuel cell (power generation)
11op Fuel cell + output terminal
11 om Fuel cell negative output terminal
12 DC / DC converter
+ Ip input terminal of 12ip DC / DC converter
Negative side input terminal of 12im DC / DC converter
+ Op output terminal of 12op DC / DC converter
-Om output terminal of 12om DC / DC converter
13 Secondary battery
14 Inverter
15 motor
16 Remaining capacity sensor
17 Control unit (control means)

Claims

A power source that has a + side output terminal and a − side output terminal, and outputs DC power from these + side output terminal and − side output terminal;
A DC / DC converter having a + side input terminal, a − side input terminal, a + side output terminal, and a − side output terminal, and converting DC power output from the power generation power source into a predetermined DC voltage and DC current and outputting the same. equipped with a door,
In the DC / DC converter, the input side and the output side are electrically insulated,
A positive output terminal and a negative output terminal of the power source are connected to a positive input terminal and a negative input terminal of the DC / DC converter, respectively.
A positive output terminal of the power source is connected to a negative output terminal of the DC / DC converter;
A power generator that outputs DC power from a + side output terminal of the DC / DC converter and a-side output terminal of the power generation source ,
An operation curve indicating the relationship between the output voltage and output current of the power source is stored in advance, and a load connected between the + side output terminal of the DC / DC converter and the − side output terminal of the power source is required. And a control means for controlling the output voltage and output current of the DC / DC converter based on the load request voltage and load request current and the operation curve.
The control means refers to the operation curve, sets a current value such that the DC power output from the power generation source matches the load request power based on the load request voltage and the load request current, and the set current An output current of the power generation source is determined based on the value and the load request current, and an output voltage and an output current of the DC / DC converter are determined based on the determined output current of the power generation source. Power generator.

A secondary battery connected between a positive side output terminal of the DC / DC converter and a negative side output terminal of the power generation source;
The load includes a secondary battery and a direct current load connected to a subsequent stage of the secondary battery between a positive output terminal of the DC / DC converter and a negative output terminal of the power generation source. The power generator according to claim 1.

A remaining capacity sensor for detecting a remaining capacity of the secondary battery;
The control means stores in advance the charge / discharge characteristics of the secondary battery, inputs a remaining capacity from the remaining capacity sensor, inputs a required voltage and a required current required by the DC load, and inputs the remaining capacity and the required capacity. While determining the charge and discharge current of the secondary battery based on the voltage and the required current and the operation curve and the charge and discharge characteristics,
The power generation device according to claim 2, wherein the load demand current is a sum of a charge / discharge current of the secondary battery and the demand current.

The control means controls the DC / DC converter so as to satisfy the load request current when only one of the load request voltage and the load request current can be satisfied.
The power generator according to any one of claims 1 to 3 .

The control means controls the DC / DC converter so as to satisfy the load request voltage when only one of the load request voltage and the load request current can be satisfied.
The power generator according to any one of claims 1 to 3 .

The power generation source is a fuel cell;
The power generation device according to claim 1, 2, 3, 4 or 5.

Installed in fuel cell electric vehicles,
The power generator according to claim 6.