JP4622578B2 - 電力システム - Google Patents

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Description

本発明は、電力システムに関する。
燃料電池は、一般に電流の少ない軽負荷域で効率が低下する。このため、燃料電池によって電力を供給するシステムとしては、燃料電池と二次電池、コンデンサ等の蓄電装置とを組み合わせて構成されるものが提案されてきた。例えば、特許文献1に記載の燃料電池を含む車両は、要求電力が燃料電池の発電効率の低い範囲の値のときに、燃料電池の発電を停止して二次電池から電力供給を行っている。
すなわち、この車両は、このような要求電力の領域では、燃料電池とその周辺で稼働する補機とを停止し、その間、二次電池よりECU、照明等、車両に必要なエネルギを供給し、走行する場合も、二次電池でモータを駆動する。
このように燃料電池の運転を一時的に停止する間欠運転を行う場合、特許文献1に記載の技術では、燃料電池の停止は、燃料電池の出力端子に対向して接続されるDCDCコンバータの出力電圧を上昇させ、燃料電池の出力端子からの電流の流出を停止させることで実施している。
図5および図6に、そのようなシステムに使用されるDCDCコンバータの例を示す。いずれの例でも、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、単にトランジスタという)T1〜T4あるいは、T6〜T7により、インダクタLへの励磁をオン・オフしている。このようにして、入力側のエネルギをインダクタLに蓄積し、さらにインダクタLに蓄積されたエネルギを出力側に伝達することで、DCDCコンバータの両側の電圧V1と電圧V2とを互いに変換していた。そして、従来は、V1として、二次電池の出力電圧を入力し、その変換後の電圧を燃料電池の出力端子に加えることで、燃料電池からの電流の流出を停止させていた。
また、例えば、特許文献2に記載の技術では、燃料電池とコンバータを有する二次電池とを負荷に並列に接続し、間欠運転時には、負荷から燃料電池を切り離すことで間欠運転を実施する。
特開2001−307758号公報 特開2004−14159号公報
上述した特許文献1記載の技術では、発電効率の低い軽負荷域での燃料電池からの出力は停止するものの、DCDCコンバータ中では、トランジスタのオン・オフによりインダクタLが断続的に励磁されていた。このため、DCDCコンバータ中で、トランジスタのオン・オフによるスイッチ損およびインダクタの励磁の切り替えによるインダクタンス損が発生し、燃料電池システムの効率低下の原因となっていた。
一方、特許文献2に記載の技術では、不用意に燃料電池を負荷から切り離したとき、燃料電池と二次電池のコンバータ出力端子との間で電位差があった場合に、いわゆるアーク電流が発生し、遮断できない虞がある。また、不用意に燃料電池を負荷に接続するときに
、燃料電池と二次電池のコンバータ出力端子との間で電位差があった場合に、過大な電流が燃料電池と二次電池との間を流れ、装置を破損する可能性がある。
本発明の目的は、燃料電池と二次電池のような蓄電装置を含む電力システムにおいて、燃料電池の効率低下を防止するとともに、安定・確実に燃料電池と蓄電装置との組み合わせによる間欠運転を実現することにある。
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、第1電力源、および第2電力源と、前記第1電力源に接続される第1端子と前記第2電力源に接続される第2端子との間で電圧を変換する電圧変換器と、前記第1電力源と前記電圧変換器の第1端子との間を切断可能に接続するスイッチ手段と、前記スイッチ手段を切断するときおよび前記スイッチ手段を接続するときに、前記電圧変換器の第1端子の電圧と前記第1電力源の出力電圧との差を所定電圧差の範囲に制御する電圧変換器制御手段とを備える電力システムである。
本電力システムによれば、前記第1電力源と前記電圧変換器の第1端子との間を切断可能に接続するスイッチ手段を切断するときおよび接続するときに、前記電圧変換器の第1端子の電圧と前記第1電力源の出力電圧との差を所定電圧差の範囲に制御するので、スイッチ手段を切断するときの電位差によりアーク電流等が発生可能性を低減できる。さらに、スイッチ手段を接続するときに、前記第1電力源と前記電圧変換器との間で過大な電流が流れ、第1電力源、前記電圧変換器、または第2電力源等を損傷する可能性を低減できる。
また、本電力システムは、前記電圧変換器の第1端子に接続される負荷への電力供給停止の可否を判定する手段と、前記負荷への電力供給停止が可能な場合に、前記電圧変換器の動作を停止する電圧変換器停止手段をさらに備えるようにしてもよい。このような構成により、第1端子に接続される負荷に電力を供給する必要がない場合に、電圧変換器の動作を停止し、電力システムのエネルギ効率を向上できる。
燃料電池と二次電池のような蓄電装置を含む電力システムにおいて、燃料電池の効率低下を防止するとともに、安定・確実に燃料電池と蓄電装置との組み合わせによる間欠運転を実現することができる。
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態(以下、実施形態という)に係る燃料電池システムを説明する。
《第1実施形態》
以下、図1および図2の図面に基づいて本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図1は、本燃料電池システムのシステム構成図であり、図2は、図1のECU10が実行する間欠運転制御処理のフローチャートである。
図1に示すように、この燃料電池システムは、燃料電池1(本発明の第1電力源に相当)と、燃料電池1によって発電された電力を蓄積する蓄電装置2(本発明の第2電力源に相当)と、燃料電池1と蓄電装置2との間で電圧を変換するDCDCコンバータ3(DC/DCコンバータともいう。本発明の電圧変換器に相当)とを備える。また、図1に示すように、燃料電池1の出力端子13と、燃料電池1の出力端子13に対向するDCDCコンバータ3の入出力端子12とは、リレー5(本発明のスイッチ手段に相当)およびダイ
オード4を介して接続されている。さらに、燃料電池13の出力端子13と、燃料電池13の出力端子13に対向するDCDCコンバータ3側の入出力端子12とは、各々電圧センサ6と、電圧センサ7とが接続され、各々個別に端子電圧を測定している。
燃料電池1は、いわゆるセルスタックから構成される燃料本体と、反応ガスの供給系、排出系、冷却水の供給系等を含む発電機能を提供する。
蓄電装置2は、例えば、二次電池、コンデンサ等であり、燃料電池1で発電された電力によりDCDCコンバータ3を通じて充電される。また、蓄電装置2は、不図示の回生制動装置等で発生する電力によっても充電される。そして、燃料電池1が間欠運転する場合、あるいは、燃料電池1の発電量が不足する場合に、蓄電装置2に蓄積された電力が負荷21に供給される。
本実施形態では、図1に示すように、負荷21は、蓄電装置2の出力端子14よびDCDCコンバータ3の入出力端子11に対して並列に接続される。ここで、負荷21は、例えば、車両を駆動するモータ、車両の照明、車載器、無線通信機、カーオーディオ等である。なお、図1には、明示されていないが、負荷21には、不図示の電圧変換手段(DCDCコンバータ3以外のもの)が含まれてもよい。
DCDCコンバータ3は、リレー5が閉じた状態では、燃料電池1の出力電圧と、蓄電装置2の出力電圧を相互に変換し、双方向に電力を供給する。すなわち、燃料電池1の出力端子13の出力電圧が、燃料電池1の出力端子13に対向するDCDCコンバータ3の入出力端子12の電圧より高い場合、燃料電池1は、DCDCコンバータ3を通じて蓄電装置2および負荷21に電力を送り込む。
一方、燃料電池1の出力端子13の出力電圧が、燃料電池1の出力端子に対向するDCDCコンバータ3の入出力端子12の電圧より低い場合、ダイオード4が遮断状態となり、燃料電池1からの電力の供給は停止する。この状態では、例えば、負荷21には、蓄電装置2から電力が供給される。
ECU10は、電子制御ユニットとよばれ、CPU、メモリ、入出力インターフェース等を有している。ECU10は、不図示の入出力インターフェースを通じて、燃料電池1、DCDCコンバータ3およびリレー5に制御信号を送り、この燃料電池システムの運転を制御する。例えば、ECU10は、燃料電池1への反応ガスの供給、オフガスの排出、その他各種バブルの開閉、燃料電池1に付属する不図示の補機の運転、燃料電池1の温度等を制御する。また、ECU10は、DCDCコンバータ3のスイッチングのデューティ比を制御し、変換される電圧値を制御する。また、ECU10は、リレー5の開閉状態を制御する。
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池1の出力電力が少ない軽負荷域では、ECU10は、燃料電池1および不図示の補機の運転を停止、蓄電装置2から負荷21に電力を供給する間欠運転を実行する。その際、ECU10は、DCDCコンバータ3の入出端子12の電圧を燃料電池1の出力端子13の電圧以上で、かつダイオード4の絶縁耐圧の範囲内の電圧に制御し、燃料電池1の出力端子13からの電流の流出を停止した上で、リレー5を開放する。
また、間欠運転を停止し、燃料電池1の連続運転に戻す場合には、ECU10は、DCDCコンバータ3の入出端子12の電圧を燃料電池1の出力端子13の電圧以上で、かつダイオード4の絶縁耐圧の範囲内の電圧に制御した上で、リレー5を閉じる。
図2は、ECU10が実行する間欠運転制御処理のフローチャートである。この処理では、ECU10は、まず、所定のレジスタを参照し、現在間欠運転が実施中であるか否かを判定する(S1)。
間欠運転実施中でない場合、ECU10は、間欠運転の要求があるか否かを判定する(S2)。間欠運転の要求は、ユーザがマニュアル操作して行うこともある。また、燃料電池1に対して負荷21が要求する電力に応じて、ECU10自身が間欠運転を要求する場合もある。
間欠運転の要求がない場合、ECU10は、間欠運転制御処理を終了する。一方、間欠運転の要求がある場合、ECU10は、DCDCコンバータ3に対して燃料電池1の出力端子13に対向する入出力端子12の電圧が燃料電池1の出力電圧に一致するように、DCDCコンバータ3を設定する(S3)。この処理を実行するECU10が本発明の電圧変換器制御手段に相当する。
具体的には、ECU10は、燃料電池1の出力端子13の電圧(出口電圧ともいう)を電圧センサ6により、読み取る。そして、ECU10は、その読み取った電圧値と一致するか、または、その電圧値を上回りダイオード4の絶縁耐圧の範囲の設定電圧を決定する。そして、ECU10は、入出力端子12の電圧が設定電圧になるように、DCDCコンバータ3を制御する。
次に、ECU10は、DCDCコンバータ3の入出端子12の出口電圧を電圧センサ7により測定する。そして、測定された出口電圧が、上記設定電圧になったか否かを判定する(S4)。そして、測定された出口電圧が、上記設定電圧になった場合、すなわち、DCDCコンバータ3の入出端子12の電圧が燃料電池1の出力電圧(FC総電圧ともいう)に、一致したか、これを上回った場合に、ECU10は、リレー5を開放する(S5)。
次に、ECU10は、DCDCコンバータ3を停止する(S6)。具体的には、例えば、ECU10は、DCDCコンバータ3内でのインダクタを励磁するスイッチング信号の発生を停止させる。これにより、DCDCコンバータ3内のスイッチング損、およびインダクタンス損の発生を低減できる。
また、S1の判定で、間欠運転実施中の場合、ECU10は、間欠運転終了要求があったか、否かを判定する(S11)。間欠運転の終了要求は、ユーザがマニュアル操作して行うこともある。また、燃料電池1に対して負荷21が要求する電力に応じて、例えば、負荷21が重くなって燃料電池1の発電効率が上昇した場合に、ECU10自身が間欠運転終了を要求するようにしてもよい。
間欠運転終了の要求がない場合、ECU10は、本間欠運転制御処理を終了する。一方、間欠運転終了の要求がある場合、ECU10は、DCDCコンバータ3に対して燃料電池1の出力端子13に対向する入出力端子12の出口電圧が燃料電池1の出力電圧に一致するように、DCDCコンバータ3を設定する(S13)。
次に、ECU10は、DCDCコンバータ3の入出端子12の出口電圧が、燃料電池1の出力電圧に一致したか(またはダイオード4の絶縁耐圧の範囲で燃料電池1の出力電圧を上回ったか)否かを判定する(S14)。S13およびS14の処理は、S3およびS4の処理と同様である。
そして、入出端子12の電圧が、燃料電池1の出力電圧に一致したかまたはダイオード
4の絶縁耐圧の範囲で燃料電池1の出力電圧を上回った場合、ECU10は、リレー5を接続状態にする(S15)。このように、入出端子12の出口電圧が、燃料電池1の出力電圧に一致したかまたはダイオード4の絶縁耐圧の範囲で燃料電池1の出力電圧を上回った状態で、リレー5を接続するので、接続時に、リレー5を介して燃料電池1とコンバータ3との間で、過大な電流が流れることを低減できる。
《第2実施形態》
以下、図3に基づいて本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図3は、本燃料電池システムのシステム構成図である。上記第1実施形態に係る燃料電池システムでは、負荷21は、蓄電装置2の出力端子14よびDCDCコンバータ3の入出力端子11に対して並列に接続された。すなわち、負荷21は、燃料電池1から見た場合に、DCDCコンバータ3を介して接続されていた。一方、本実施形態では、そのような負荷21の他、さらに、ダイオード4およびリレー5を通じて燃料電池1に接続される負荷22が設けられる。負荷22にも、負荷21と同様に、不図示の電圧変換手段(DCDCコンバータ3以外のもの)が含まれてもよい。
このような負荷21および負荷22が接続された燃料電池システムでは、リレー5を開放し、さらに、DCDCコンバータ3を停止した場合には、負荷22に電力が供給されないことになる。そこで、このような構成では、DCDCコンバータ3を停止する前に、負荷22への電力供給が停止可能な状態にあるか否かを判定する必要がある。
他の構成および作用は、第1実施形態の場合と同様である。そこで、第1実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図3において、ECU10は、燃料電池システムを含むシステム(例えば、車両)の利用者からの操作信号を監視している。操作信号は、例えば、イグニッションキーの操作、アクセルペダルの踏み込み量を検出するエンコーダ、エアコンディショナのオンオフスイッチ、照明のオンオフスイッチ、車載器の電源スイッチ、オーディオの電源スイッチ等により発せられる。
また、ECU10は、上記車両の各種状態検出信号を監視している。例えば、エアコンディショナの自動温度設定回路の出力信号、燃料電池1の温度センサ出力、燃料電池1の電流値、電圧値等である。
そして、ECU10は、これらの操作信号および状態検出信号に対応して電力を供給すべき電力供給先を判定する。さらに、ECU10は、それらの電力供給先が負荷21と負荷22のいずれに含まれるか否かを判定する。そして、ECU10は、現時点において、負荷22に対して、電力供給が要求されているか否かを判定する。この処理を実行するECU10が本発明の電力供給停止の可否を判定する手段に相当する。
そして、現在時点で、負荷22への電力供給が要求されていない場合、ECU10は間欠運転を実行する。この処理を実行するECU10が本発明の電圧変換器停止手段に相当する。間欠運転に伴う制御処理は、図2のS2からS6と同様であるので、その説明を省略する。このように、燃料電池1に接続される負荷22への電力供給の遮断が可能な場合に、DCDCコンバータ3が停止されることになる。
また、間欠運転実行中に、操作信号および状態検出信号のいずれかに基づき、負荷22に電力供給の必要が発生した場合には、所定の割り込み処理が起動される。この割り込み処理により、ECU10は、間欠運転の状態から通常の制御状態に移行する。このとき、ECU10は、図2のS11からS15と同様のステップを実行する。これにより、燃料
電池1からリレー5およびダイオード4を介して負荷22に電力が供給されることになる。
以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムによれば、ユーザの操作信号およびシステムの状態検出信号に応じて、燃料電池1に接続される負荷22への電力供給の必要性を判定し、電力供給の遮断が可能な場合に、間欠運転が実施される。したがって、本実施形態においては、燃料電池1に接続される負荷22への電力供給の遮断が可能な場合に、DCDCコンバータ3が停止され、スイッチング損およびインダクタンス損を低減できる。
《第3実施形態》
以下、図4に基づいて本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図4は、本燃料電池システムのシステム構成図である。上記第2実施形態では、燃料電池1に接続される負荷22への電力供給の遮断が可能な場合に、間欠運転を実施する燃料電池システムについて説明した。
本実施形態では、燃料電池1の間欠運転実行時に、燃料電池1に接続される負荷22を他のDCDCコンバータ3Aを介して蓄電装置2に接続する例を説明する。他の構成および作用は、第2実施形態の場合と同様である。そこで、同一の要素については、第2と同一の符号を付してその説明を省略する。
すなわち、図4においては、図3と同様、負荷22がダイオード4およびリレー5を介して燃料電池1の出力端子13に接続されるとともに、DCDCコンバータ3の入出力端子12に接続されている。また、本実施形態では、負荷21は、省略されている。
また、本燃料電池システムには、DCDCコンバータ3と並列にDCDCコンバータ3Aが設けられている。さらに、本燃料電池システムには、負荷22をDCDCコンバータ3と3Aとに切り替えて接続するスイッチSW1が設けられている。スイッチSW1は、ECU10の制御により切り替えられる。
さらに、本燃料電池システムには、蓄電装置2の出力端子14をDCDCコンバータ3と3Aとに切り替えて接続するスイッチSW2が設けられている。スイッチSW2も、ECU10の制御により切り替えられる。
このような構成において、ECU10は、図2のフローチャートと同様の手順にて間欠運転を実行する。ただし、本実施形態の処理では、ECU10は、リレー5を開放した後、DCDCコンバータ3を停止する前に、SW1をDCDCコンバータ3Aに接続する。そして、ECU10は、DCDCコンバータ3を停止するとともに、SW2により、蓄電装置2の電力をDCDコンバータ3Aに供給する。
このような制御により、DCDCコンバータ3が停止した場合も、蓄電装置2に蓄積された電力がDCDCコンバータ3Aを介して負荷22に供給される。このように、本燃料電池システムによれば、燃料電池1に接続され、間欠運転時にDCDCコンバータ3を通じて電力を供給される負荷22が存在する場合も、間欠運転を実行し、さらにDCDCコンバータ3を停止できる。
本燃料電池システムのような制御によれば、多数のDCDCコンバータ3、3A等を有しているシステムにおいて、特定のDCDCコンバータ3A等だけを稼働させて損失を低減することができる。
本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。 間欠運転制御処理のフローチャートである。 本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。 本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。 従来のDCDCコンバータの構成図である。 他のDCDCコンバータの構成図である。
符号の説明
1 燃料電池
2 蓄電装置
3 DCDCコンバータ
4 ダイオード
5 リレー
6、7 電圧センサ
10 ECU

Claims (2)

  1. 第1電力源、および第2電力源と、
    前記第1電力源に接続される第1端子と前記第2電力源に接続される第2端子との間で電圧を変換する電圧変換器と、
    前記第1電力源と前記電圧変換器の第1端子との間を切断可能に接続するスイッチ手段と、
    前記スイッチ手段を切断するときおよび前記スイッチ手段を接続するときに、前記電圧変換器の第1端子の電圧と前記第1電力源の出力電圧との差を所定電圧差の範囲に制御する電圧変換器制御手段とを備える電力システム。
  2. 前記電圧変換器の第1端子に接続される負荷への電力供給停止の可否を判定する手段と、
    前記負荷への電力供給停止が可能な場合に、前記電圧変換器の動作を停止する電圧変換器停止手段をさらに備える請求項1に記載の電力システム。
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