JP6086867B2 - 燃料電池制御装置および方法 - Google Patents

Description

本出願は、２０１０年１０月２５日出願の米国仮出願６１／４０６，２６５号の利益を主張する。そして、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

燃料電池は、しばしば「スタック」と称呼される単位にまとめられている。ここでは、燃料電池は、電気的に直列に接続されており、例えば、インタコネクトとして機能するガスセパレータプレートなどの導電性インタコネクトによって仕切られている。燃料電池スタックは、その終端に導電性のエンドプレートを備える。一般的な燃料電池スタックは、いわゆる燃料電池セグメントまたはコラムである。それは、直列に接続される１つ以上の燃料電池スタック（例えば、あるスタックのエンドプレートが電気的に次のスタックのエンドプレートに接続されている）を備える。燃料電池セグメントまたはコラムは、セグメントまたはコラムから電力調整システムへ直流を出力する電気的リード線を備える。燃料電池システムは、１つ以上の燃料電池コラムを備える。各コラムは、例えば、固体酸化物形燃料電池スタックなどの１つ以上の燃料電池スタックを備える。燃料電池システムを形成する個々の燃料電池の数は、燃料電池システムが発生しようとする電力量に基づいた数である。例示的な燃料システムは、リップルキャンセルと題される特許文献１に記載され、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

燃料電池は、電力調整システムとしても知られる燃料電池電力変換システムにおいて変換される電力を発生する。電力変換システムは、何らかの電源によって生成される電力の特性を変更するシステムである。これは、ＤＣ（直流）電力を発生する燃料電池の場合、ＤＣ電力を異なった（例えば、より高い）電圧および／または電流レベルに変換すること、特定のＲＭＳ（二乗平均）電圧を有するＡＣ（交流）電力に変換すること、三相ＡＣ電力を発生すること、または上記のすべてを意味している。典型的には、ＤＣ電源の電圧レベルの変換は、ＤＣ／ＤＣ（直流／直流）コンバータを用いて達成される。これに対して、ＤＣからＡＣへの変換がＤＣ／ＡＣ（直流／交流）コンバータまたはインバータを用いて達成される。

米国特許第７，７０５，４９０号 米国出願第１１／４９１，４８７号（２００６年７月２４日出願）

実施形態は、燃料電池システムにおけるアーキテクチャおよびインバータの動作方法を対象とする。

第１実施形態では、インバータの構造および制御方法が提供される。そこでは、複合ネットワーク並列入出力インバータは、マスタコントローラによって単一のインバータアセンブリとして制御される。

第２実施形態では、制御方法は、異なる電力レベルで複合的な負荷を供給する異なる電力容量を有する複合的なセグメントを備えた燃料電池システムに耐故障制御を用いる分割バスインバータアーキテクチャに対して、燃料電池出力を最大化する。

第３実施形態では、制御方法は、複合的な負荷を供給する複合的なセグメントからの燃料電池電流を制御する。
[本発明1001]
燃料電池システムの複合ネットワーク並列入出力インバータを単一インバータアセンブリとしてマスタコントローラによって制御することを含む方法。
[本発明1002]
前記マスタコントローラが前記単一インバータアセンブリ内の個々のインバータの電力設定値およびオン／オフ状態を制御する本発明1001の方法。
[本発明1003]
前記単一インバータアセンブリ内の全ての前記インバータが複数の燃料電池スタックから同一の分割バスの直流（ＤＣ）入力を並列入力として受け取り、且つ共通の三相交流（ＡＣ）並列出力を負荷に対して出力する本発明1001の方法。
[本発明1004]
分割バスと、複数のインバータと、マスタコントローラとを具備し、
複数の前記インバータからなる第1セットが前記分割バスの第1セグメントに割り当てられ、且つ複数の前記インバータからなる第2セットが前記分割バスの第2セグメントに割り当てられ、
前記マスタコントローラが受信および送信を含む動作を前記マスタコントローラに実行させるソフトウェア実行可能命令で設定されたプロセッサを有し、
前記受信は、複数の前記インバータの各々からの入力であって、各々が1つのインバータの劣化状態を示している入力の受信であり、
前記送信は、複数の前記インバータからの前記入力に応答して、複数の前記インバータに各インバータを出力するように命令するコマンドおよび複数の前記インバータの特定の1つが「オン」または「オフ」状態にあるか否かを命令するコマンドの送信である燃料電池システムの管理システム。
[本発明1005]
複数の燃料電池セグメントと、複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、少なくとも1つのＤＣ／ＡＣインバータとを具備し、各燃料電池セグメントの出力が一対のＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、該一対のＤＣ／ＤＣコンバータの各々が前記インバータに設けられた互い
に反対の極性のバスにそれぞれ接続される燃料電池システム。
[本発明1006]
ある1つの伝導性バスに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータの故障に応答して、反対極性の伝導性バスに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータの電源を切断することを含む本発明1005のシステムの使用方法。
[本発明1007]
ある1つの伝導性バスに接続された一対のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの1つの故障に応答して、総システム負荷が総故障前負荷と同じまま変わらないように、前記一対のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの他方の出力電流を最大値まで増大し、前記伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を、故障前電流よりも高く且つ前記最大電流よりも低い値まで増大し、前記反対極性の伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を前記故障前電流よりも低い値まで減少させることを含む本発明1005のシステムの使用方法。
[本発明1008]
ある1つの伝導性バスに接続された一対のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの1つの故障に応答して、総システム負荷が前記総故障前負荷よりも低いように、前記一対のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの他方の出力電流を最大値まで増大し、ある1つの前記伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を前記故障前電流と同一に維持し、前記反対極性の伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を故障前電流よりも低い値まで減少する本発明1005のシステムの使用方法。
[本発明1009]
複数の燃料電池セグメントと、複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、これらＤＣ／ＤＣコンバータの分割バス出力に接続された少なくとも1つのＤＣ／ＡＣインバータと、複数のＤＣ負荷と、を具備する燃料電池システムであって、複数の前記ＤＣ負荷の第1セットが前記分割バスの1つの伝導性バスにのみ接続され、複数の前記ＤＣ負荷の第2セットが前記分割バスの他方の伝導性バスにのみ接続されている燃料電池システム。

図１は、一実施形態に係る並列の入出力を備えたインバータのネットワークを示すブロック図である。

図２は、一実施形態に係る９個のインバータのうち３個がオフ状態になるように命令されている並列の入出力を備えたインバータのネットワークを示すブロック図である。

図３は、典型的な分割バスインバータの構成を示すブロック図である。

図４は、一実施形態に係る分割バスインバータの構成を示すブロック図である。

図５は、燃料電池システムの負荷バランスを制御するアーキテクチャを示すブロック図である。

図６は、一実施形態に係る負荷バランスアーキテクチャを示すブロック図である。

図７は、さらに一実施形態に係る方法の要素を示すブロック図である。 図８は、さらに一実施形態に係る方法の要素を示すブロック図である。

複数のインバータが用いられる大規模なシステムでは、インバータを電源アプリケーションの特定の目的を達成するように、並列の入出力を備えたインバータ間の負荷のバランスをとるように、および、電力モジュールのアーキテクチャを機器の状態変化、負荷要求および他の要素に応じて変更するように制御することによって、システム全体の効率が改善される。

第１実施形態

本実施形態では、複合ネットワーク並列入出力インバータは、マスタコントローラによって単一のインバータアセンブリとして制御される。

前記インバータが並列入出力インバータのネットワークから構成されている燃料電池システムでは、制御装置は、各インバータに負荷を確立するために設けられる。このような並列入力インバータを制御する装置がない場合、入力は並列化されない。入力が並列ではない場合、１つのインバータの故障によって、燃料電池システムの電力出力が（Ｎ−１）に制限されてしまう。

典型的な燃料電池システムでは、インバータは、単一セットの負荷コマンドが与えられるモノリシック構造として扱われる。あるいは、燃料電池システムは、インバータ入力が共有されていない並列インバータの出力のみを利用する。この代替的アプローチでは、ネットワーク上の各インバータへの相対的電力コマンドが考慮される必要がない。

図１は、実施形態に係る並列入力および並列出力を備えたインバータのネットワークを示すブロック図である。

動作中のインバータマスタコントローラ１０２は、ネットワーク化されたインバータ＃１〜９（ブロック１１６〜１３２）に電力コマンドを送信する。９個のインバータが示されているが、制御され得るインバータの数は、これに制限されるものではない。したがって、例えば、２〜２０個の別個のインバータがあってもよい。インバータマスタコントローラ１０２は、一般もしくは特殊用途のコンピュータ、または、専用制御装置もしくは回路である。インバータマスタコントローラ１０２は、効率最適化ユニット１０４および電力出力計算ユニット１０６を備える。効率最適化ユニット１０４および電力出力計算ユニット１０６は、インバータマスタコントローラ１０２とは別個の装置または回路である。あるいは、それらは、コンピュータまたはインバータマスタコントローラ１０２に格納されるアルゴリズムに基づいたソフトウェアまたはハードウェアである。インバータマスタコントローラ１０２は、全体の燃料電池システムを管理する燃料電池システム全体のコントローラ（理解しやすいように図示せず）から電力コマンド１０８（例えば、電力設定値および電力要素設定値）および分割バス電圧値１１０を受信する。前記システムコントローラは、インバータマスタコントローラ１０２または異なるコンピュータもしくは装置と同じコンピュータもしくは装置を備える。システムコントローラがインバータマスタコントローラと同じコンピュータまたは装置を含む場合、電力コマンド１０８および電圧値１１０は、コンピュータまたは装置の内部を通じて伝達される。システムコントローラがインバータマスタコントローラ１０２と異なるコンピュータまたは装置を含む場合、コマンド１０８および電圧値１１０は、有線または無線または任意の好適な通信手段を用いて伝達される。

インバータマスタコントローラ１０２は、各インバータ（ブロック１１６〜１３２）と有線または無線通信を行っている。インバータマスタコントローラは、インバータオン／オフコマンド１１２および電力設定値コマンド１１４を用いて個々のインバータの電力設定値およびオン／オフ状態を制御することができる。したがって、各インバータ１１６〜１３２のオン／オフ状態および／または各インバータの電力設定値は、インバータ毎に異なっている場合がある。すべてのインバータ１１６〜１３２は、（図１に図示しない）１つ以上の燃料電池スタックまたはコラム（列）から同一の直流（ＤＣ）入力を受け取る。例えば、図１に示されるように、すべてのインバータ１１６〜１３２は、特許文献１に記載されるように、並列入力としての正、負、および任意の中性線から同一の４００Ｖ分割バス入力１３４を受け取る。全てのインバータ１１６〜１３２は、４００Ｖ三相ＡＣ並列出力のような交流（ＡＣ）並列出力１３６を負荷へ出力する。

インバータマスタコントローラ１０２は、効率最適化ユニット１０４を用いて特定のインバータをオンまたはオフすべきか否かを指示するためのインバータオン／オフコマンド１１２を送信する。

インバータマスタコントローラ１０２は、バス電圧入力１１０に基づいてインバータへの分割バス入力１３４の状況を識別することができる。また、インバータマスタコントローラ１０２は、分割バス入力１３４が破綻しないように、インバータ１１６〜１３２へのインバータオン／オフコマンド１１２および電力設定値コマンド１１４が制限されることを保証する。

インバータマスタコントローラ１０２は、各インバータユニット１１６〜１３２の劣化状態を示すインバータ１１６〜１３２からの入力を受信する（インバータとインバータマスタコントローラ１０２との双方向接続は明示されていない）。

効率最適化ユニット１０４は、演算される電力出力を評価し、効率を最適化するためにインバータのネットワークに対してオン−オフコマンドを提供する。例えば、負荷がフル負荷である場合、すべてのインバータの電源がオン状態である。負荷が最大設計負荷の５０％しかない場合、図２に示すように、いくつかのインバータ（例えば、ブロック１２８〜１３２で示される９個のうち３個のインバータ）は、非動作の寄生インバータの割合を減らすため、インバータオン／オフコマンド１１２を用いて効率最適化ユニット１０４によって電源が切断される。

電力出力演算部１０６は、下記の２つの計算パラメータのうち小さい方を用いてインバータへの電力出力設定コマンドを決定し提供する。
ａ）燃料電池システムを管理する統括的燃料電池システムコントローラからの出力コマンド１０８
ｂ）分割バス１３４が破綻することなく維持される電力
電力出力演算部１０６は、各インバータの出力電力を設定するために各インバータに電力設定値コマンド１１４を提供する。

インバータマスタコントローラ１０２が、ある１つのインバータの故障を検出した場合、それは、残りのインバータに新しい出力電力コマンド１１２および／または１１４を自動的に提供する。インバータの総数で割った負荷設定値がインバータモジュールの能力より低い場合、新たな最終状態において、各インバータが（１つの故障したインバータを備えた）新規の設定値を実現するために、より多くの電力を獲得するように命令される。インバータの数で割った負荷設定値がインバータモジュールの定格に等しい場合、インバータマスタコントローラは、使用可能なシステム出力を低減し、セグメントの燃料電池への燃料入力が減少するように、システムコントローラにこの情報を送信する。

一実施形態において、インバータのモジュール構造は、ブラインドメイトアセンブリで構成されてもよい。言い換えると、各インバータ１１６〜１３２は、電力調整モジュールハウジング内のラックの別個の段に配設される。フィールドサービスマンは、故障したインバータを「ラックアウト」し、新しいインバータを「ラックイン」する。新しいインバータがマスタコントローラと通信すると、インバータマスタコントローラ１０２は、命令を実行し、インバータ間で従前の負荷共有状態を復元する。

効率最適化ユニット１０４がいくつかのインバータ（例えば、インバータ７、８および９）の電源を切断している状態にあるときにシステムがインバータ（例えば、インバータ１など）の損失を被るような事象では、効率最適化ユニット１０４は、インバータ７をオフ状態に保持するコマンドを破棄し、そのインバータを再起動し、そして同じ負荷供給状況を確立する。本実施形態は、図２に示される。

別の実施形態では、システムコントローラは、出力コマンド１０８および分割バス電圧値１１０に加えて、インバータマスタコントローラ１０２へのパワー要素コマンドを提供する。インバータマスタコントローラ１０２は、電力設定値コマンド１１４、およびインバータオン／オフコマンド１１２に加えて、各インバータモジュール（ブロック１１６〜１３２）への力率コマンドを受け渡す。

別の実施形態において、図１および図２に示される要素は、グリッド照合なしに負荷をサポートするために接続される中断できない電力モジュール（ＵＰＭ：無停電電力モジュール）内のインバータのネットワークに対して用いられる。この場合、インバータへのコマンドはわずかに異なる。

マスタコントローラによって、サイン波が参照信号として生成される。インバータのネットワーク出力は、監視され、サイン波参照信号と比較される。ＰＩコントローラ（図示せず）は、出力電圧と参照電圧との間の誤差を最小にするようにインバータへ送出される最新のコマンド値を演算する。入力バスが破綻を始め、入力バス電圧と出力バス電圧の両方が維持できなくなった場合、インバータマスタコントローラ１０２は、顧客負荷が電源を喪失した旨の警告および表示を提供するために全体のシステムコントローラに信号を送出する。その後、場合によっては、建物管理システム（ＢＭＳ）は、上記方法によって建築物負荷の一部分の電源を切断できるようになる。

第２実施形態

本実施形態の制御方法は、耐故障制御を用いている分割バスインバータアーキテクチャに対する燃料電池出力を最大にする。

図３は、典型的な分割バスインバータ構成を示すブロック図である。本構成において、任意のＤＣ／ＤＣコンバータを通って燃料電池セグメントからインバータへ供給される、（「＋ｖｅ Ｖｄｃ ｂｕｓ」または「＋ｖｅ ｂｕｓ」と表記される）正のバス上および（「−ｖｅ Ｖｄｃ ｂｕｓ」または「−ｖｅ ｂｕｓ」と表記される）負のバス上の電力は、バランスのとれたインバータ負荷に対してバランスを保つべきである。図３に示されるように、燃料電池セグメント＃１ ３０２および燃料電池セグメント＃２ ３０４は、それぞれＤＣ／ＤＣコンバータ３１０および３１２を通じて＋ｖｅ ｂｕｓに電力を供給する。一方、燃料電池セグメント＃３ ３０６および燃料電池セグメント＃４ ３０８は、それぞれＤＣ／ＤＣコンバータ３１４および３１６を通じて−ｖｅ ｂｕｓに電力を供給する。燃料電池セグメント＃１が脆弱な場合、燃料電池セグメント＃３および燃料電池セグメント＃４から発生される電力は、同じ量だけ減少する。電力発生を最大にするためには、燃料電池セグメントが交換される必要がある。

図４に示される実施形態では、各燃料電池セグメント（ブロック３０２〜３０８）は、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ、＋ｖｅバス上での１つの発生電流および−ｖｅバス上での１つの発生電流を有する。言い換えると、各燃料電池セグメント３０２〜３０８の出力は、２つのＤＣ／ＤＣコンバータに接続されている。特定のセグメントを専任する一対のＤＣ／ＤＣコンバータの各々は、インバータ３３０に供給される反対極性のバスに接続される。例えば、セグメント＃１ ３０２の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ３１０とＤＣ／ＤＣコンバータ＃２ ３１２とに分割される。コンバータ３１０の出力は、＋ｖｅバスに供給され、コンバータ３１２の出力は、−ｖｅバスに供給される。他のセグメント３０４〜３０８およびそれら専任の一対のＤＣ／ＤＣコンバータ３１４〜３２４に対しても同じことが言える。＋ｖｅバスおよび−ｖｅバスは、インバータ３３０に入力として供給される。インバータ３３０は、ＡＣを出力する。インバータ３３０は、第１実施形態または公知の最適な複数または単一のインバータアセンブリを含んでもよい。図４には４個のセグメントが示されているが、任意の数のセグメント（例えば、２〜２０個、好適には６〜１２個のセグメント）であってもよい。さらに、特許文献１では、セグメントから個々のＤＣ／ＤＣコンバータへの正および負のリード線が供給されているが、本実施形態においては、一対のＤＣ／ＤＣコンバータ中の各ＤＣ／ＤＣコンバータは、各セグメントから正負リード線双方の出力を受け取る。したがって、セグメント３０２からの正負リード線出力は、コンバータ３１０およびコンバータ３１２に供給される。

したがって、各燃料電池セグメント３０２〜３０８の直流電流は、電力発生が他の燃料電池セグメントとは独立しているように個々に制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池セグメントがその状況および劣化状態に基づいて取り出し得る最大電流を取り出すように命令される。ある１つのＤＣ／ＤＣコンバータが故障した場合、最大電力動作が得られるように他のＤＣ／ＤＣコンバータへの電流命令を再分配することによって、電力を最大にすることができる。

以下、特定の例示としての方法および具体例を参照して、図４に示された構成の動作を説明する。しかしながら、その説明は、限定を意図したものではない。

方法１

ある１つの伝導性バス（例えば、＋ｖｅまたは−ｖｅ）に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータが故障した場合、反対極性の伝導性バス（例えば、−ｖｅまたは＋ｖｅ）に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータは、その故障を補償するために電源が切断される。例えば、正のバスに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ３１０が故障した場合、負のバスに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ＃２ ３１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃４ ３１６、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃６ ３２０またはＤＣ／ＤＣコンバータ＃８ ３２４のいずれかの電源が切断され、その電力を最大とし、全燃料電池セグメントを通じて同じ電流が流れるようにする。ＤＣ／ＤＣコンバータ＃２は、その最大電流または負荷能力を増大せしめられる。

方法１の例

各ＤＣ／ＤＣコンバータの例示的負荷は１０Ａであり、各ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷能力は１５Ａである。

表１は、故障前（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ３１０の故障前）のシステムの動作を示している。

表２は、ＤＣ／ＤＣ１の故障後（すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ３１０の故障後）の状況を示している。

方法２

方法２は、ある１つの伝導性バスに接続された一対のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの１つの故障に応答して、この対の他方のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を最大値まで増大させること、ある１つの伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を故障前電流よりも高く且つ最大電流よりも低い電流まで減少させること、反対極性の伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を故障前電流よりも低く減少させること、を含む。この場合、総システム負荷は、総故障前負荷と同じまま変わらない。

ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ３１０が故障した場合、以下のステップが、ＤＣ／ＤＣコンバータマスタコントローラ（図示せず）によって実行される。前記ＤＣ／ＤＣコンバータマスタコントローラは、汎用または特殊用途のコンピュータ、専用装置または回路である。

ａ） ＤＣ／ＤＣコンバータ＃２は、燃料電池セグメント＃１ ３０２に対して最大負荷をかけるために最大電流とされる。

ｂ） 要求される「正の」バス電力は、残りの「正の」バスのＤＣ／ＤＣコンバータ、つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃３、＃５および＃７（すなわち、３１４、３１８および３２２）に分割される。このことは、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃３、＃５および＃７を流れる公称電流よりも多い電流を要求し、且つ各ＤＣ／ＤＣコンバータの最大出力によって制限される。

ｃ） ＤＣ／ＤＣコンバータ＃２ ３１２は燃料電池セグメント＃１ ３０２からの負荷がかかっているので、負のバス上の残りのセグメント３０４〜３０８のＤＣ／ＤＣコンバータ＃４、＃６および＃８（すなわち、３１６、３２０および３２４）は、少し低めの設定でもって、許容量のまたは最大の電力に達する負荷を与えられる。各ＤＣ／ＤＣコンバータ＃４、＃６および＃８の負荷に対する特定値は、（総電流目標−ＤＣ／ＤＣコンバータ＃２からの電流）／３に等しくなる。

燃料電池システムは、燃料電池セグメント＃１ ３０２に供給されるが反応しない燃料を、他の３つのセグメントに分配するために燃料を再循環させる能力を有することが期待される。ＤＣ／ＤＣコンバータ＃２の最大定格電流が公称電流の２倍でないと、方法２によれば、あるセグメントの負荷がわずかに減少し、他のセグメントの負荷がわずかに増大する。例えば、その全体が参照により本明細書に組み込まれる特許文献２に記述されているように、アノード排気流を燃料電池スタック燃料入力流に戻す再循環（浄化有り、または無し）などの手段によって燃料が再分配される場合には、上記事例を成立させるための燃料流の増大が行われない。しかしながら、この分配が不十分である場合、この最大出力電力の事例を成立させるための燃料流の増大が行われる必要がある。このことは、電力設定値を維持しながら本モードで動作している間は、ユニットの動作効率が減少することを意味している。

方法２の例

各ＤＣ／ＤＣコンバータの例示的な負荷は１０アンペアであり、各ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷能力は１５アンペアである。

表３は、故障前（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ３１０の故障前）のシステムの動作を示す。

表４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ３１０の故障後の動作を示す。

方法３

燃料電池システムが全セル内で高精度の化学量論的状態を形成するアノード再循環手段またはその他の手段を有していない場合のように、すべての燃料電池セグメント電流が常に等しくなければならない場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１が故障すると、以下のシナリオが実行される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、最大電流とされる。

（上述したようにすべての燃料電池セグメント電流を等しくする場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃３＋＃４、＃５＋＃６および＃７＋＃８の電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃２の電流と等しくなければならない。）

総燃料電池電流＝４×ＤＣ／ＤＣコンバータ最大電流

正のバス電流＝４×ＤＣ／ＤＣコンバータ最大電流／２

負のバス電流＝４×ＤＣ／ＤＣコンバータ最大電流／２

ＤＣ／ＤＣコンバータ＃３、＃５および＃７＝正のバス電流／３＝４×ＤＣ／ＤＣコンバータ最大電流／２／３

ＤＣ／ＤＣコンバータ＃４、＃６および＃８＝負のバス電流−ＤＣ／ＤＣコンバータ２設定／３＝（４×ＤＣ／ＤＣコンバータ最大電流／２−ＤＣ／ＤＣコンバータ２）／３

上記を一般化すると、１つの伝導性バスに接続された一対のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの１つの故障に応答して、その対の他方のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を最大値まで増大し、１つの伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を故障前電流値と同じ値に維持し、そして、反対極性の伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を故障前電流よりも低い値に設定する。本方法では、故障後総システム負荷は、総故障前負荷よりも小さくなる。

方法３の例

各ＤＣ／ＤＣコンバータの例示的な負荷は１０アンペアであり、各ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷能力は１５アンペアである。

表５は、故障前（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ３１０の故障前）のシステムの動作を表す。

表６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ３１０の故障後の動作を表す。

一実施形態において、負荷の調整は、「オンザフライ」方式で（すなわち、燃料電池システム動作中に）実行される。

一実施形態において、図４に示されたＤＣ／ＤＣコンバータは、「ブラインドメイト」アセンブリを経由してバックプレーンに接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータは、ラックまたは他の適切な筐体に配置される。好ましくは、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの前面部分には、配線を取り付けない。このように、故障したＤＣ／ＤＣコンバータモジュールを、他のＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの動作を混乱させることなく取り除くことができる。ある１つのＤＣ／ＤＣコンバータが故障したとき、ＤＣ／ＤＣコンバータマスタコントローラは、前述のように方法１、２または３のいずれかによって電流値を変更する。ＤＣ／ＤＣコンバータが交換され、再び電源が入ると、ＤＣ／ＤＣコンバータは、これを検出し、適切な動作を復元する。前記交換は、燃料電池システムが動作中かつ負荷に電流を供給している間、サービスマンによって実行される。

一実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータの故障に適用されるような前述のロジックと例もまた、一般化され、脆弱なまたは故障したスタックセグメント（スタックコラム）に適用される。残りのセグメントの電流運搬能力は、本明細書で述べられた方法ごとに要求されるように変更される。

一実施形態において、前述したロジックは、燃料電池セグメントに適用され、且つ複数のホットボックスの構成に適用される。本実施形態において、複数のホットボックスは、燃料電池システムの電力を最適化可能なＤＣ並列アーキテクチャで構成される。言い換えると、各セグメント３０２〜３０８は、１つ以上のセグメントを含む独立したホットボックスを表している。そして、ホットボックスの電気出力は、同一のインバータに接続される。

第３実施形態

図５は、燃料電池システム中の負荷バランスを制御している１つのアーキテクチャを示すブロック図である。分割バス上の負荷は、ＤＣ ＢＯＰ（ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｐｌａｎｔ）負荷１（５０６）および負荷２（５０８）（例えば、燃料電池システム燃料または空気ブロワ）によってバランスがとられている。言い換えると、ＤＣ負荷５０６と５０８との双方は、図４に示される分割バス上の＋ｖｅおよび−ｖｅバスに接続される。あるいは、任意の付加的なＤＣ／ＤＣコンバータＡ（５０２）およびＢ（５０４）が分割バスとＤＣ負荷１および２（５０６および５０８）との間に付加される。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータＡ ５０２は、＋ｖｅバスに接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータＢ ５０４は−ｖｅバスに接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータＡおよびＢ（５０２および５０４）のＤＣ出力は、統合され、統合されたＤＣ出力は、ＤＣ負荷１および２（５０６および５０８）に供給される。

負荷１および２が適切な制御がなされずバランスしていない（等しくない）場合、燃料電池セグメントには完全には負荷がかからない。したがって、燃料の利用が減少し、その結果効率が低下してしまう。

図６は、実施形態に基づく負荷バランスアーキテクチャを示すブロック図である。

本実施形態の制御方法は、燃料電池セグメント電流を分割バス上のＢＯＰ負荷６０６と６０８とに比例的に分割し、それによって、分割バス上で動作するインバータ３３０が燃料電池セグメントから利用可能な最大の電力を転送できるようにする。そのために、図６に示されるように、ある１つのＤＣ負荷６０６は、＋ｖｅバスに接続され、他のＤＣ負荷６０８は、−ｖｅバスに接続される。これを一般化すると、例えば、ＢＯＰ負荷６０６および６０８などの複数のＤＣ負荷を含む燃料電池システムにおいて、第１のセットのＤＣ負荷は、分割バスの１つの伝導性バスのみと接続される。さらに、第２のセットのＤＣ負荷（例えば、残りのＤＣ負荷の一部または全部）は、分割バスの他の伝導性バスのみと接続される。必要に応じて、第３のセットのＤＣ負荷は、図５に示されるように両方のバスに接続される。

本実施形態の１つの要素によれば、負荷要求は、総燃料電池セグメント電流コントローラおよび電圧ループＰＩコントローラを用いて検出される。

図７および図８は、本実施形態にしたがった方法の要素を示すブロック図である。

図７および図８によれば、分割バスに接続される負荷に対し、分割バス電圧を制御する２つの電圧ループが存在する。比例／積分（ＰＩ）コントローラは、外側の電圧ループおよび内側の電流ループを制御するために利用される。総燃料電池セグメント電流ループは、総燃料電池セグメント電流を制御する。図７によれば、ＤＣ参照電圧は、コンパレータ７０４によって、（その時点でＤＣ／ＤＣコンバータ１ ７２０の出力に等しい）ＤＣ正帰還電圧と比較される。そして、コンパレータは、２つの入力間の差分量を測定する。コンパレータ７０４の出力に伝達関数が適用される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ７２０およびＤＣ／ＤＣコンバータ＃２ ７５０双方への入力電流は、加算器７０８によって加算される。総電流は、コンパレータ７０６によって、セグメントから命令された電流と比較される。さらに、前記コンパレータは、２つの入力間の差分量を測定する。コンパレータ７０６の出力に伝達関数が適用される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ７２０（ＤＣ／ＤＣコンバータ＃２ ７５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ７２０と同じ手順で動作するので、個別には説明しない）のブロック図によれば、コンパレータ７１２は、（適切な伝達関数の適用後の）コンパレータ７０４および７０６の出力を受け取って、２つの出力のうち小さい方を特定する。コンパレータ７１２の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ７２０への電流コマンド入力として、コンパレータ７２２に適用される。コンパレータ７２２は、２つの入力間の差分量を算出する。コンパレータ７２２は、（その時点でＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ７２０の電流入力に等しい）帰還電流と電流コマンド入力とを比較する。コンパレータ７２２の出力に伝達関数が適用される。

ＤＣ参照電圧は、コンパレータ７２４によって、（その時点でＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ７２０の出力に等しい）ＤＣ正帰還電圧と比較される。さらに、そのコンパレータは、２つの入力間の差分量を算出する。コンパレータ７２４の出力に伝達関数が適用される。コンパレータ７２６は、（適切な伝達関数の適用後の）コンパレータ７２２および７２４の出力を受け取り、２つの入力の低い方を特定する。コンパレータ７２６の出力は、コンパレータ７２８および７３０に適用される。コンパレータ７２８もまた、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ７２０のチャンネルＡから帰還電流を受け取る。コンパレータ７２８は、２つの入力間の差分量を算出する２つの入力を比較する。同様に、コンパレータ７３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ７２０のチャンネルＢから帰還電流を受け取る。コンパレータ７３０は、２つの入力間の差分量を算出する。コンパレータ７３０の出力に伝達関数が適用される。

コンパレータ７２８および７３０の出力は、ピーク電流コントローラ７３２および７３６にそれぞれ供給される。ピーク電流コントローラは、コンパレータ７３４および７３８をそれぞれ操作する。コンパレータ７３４は、（伝達関数の適用後の）コンパレータ７２８の出力、ランプ比較信号およびチャンネルＡの帰還電流を受け取り、コンパレータ７２８の出力と前記２つの入力との間の差分量を算出する。コンパレータ７３８は、（伝達関数の適用後の）コンパレータ７３０の出力、ランプ比較信号およびチャンネルＢの帰還電流を受け取り、コンパレータ７３０の出力と２つの入力との間の差分量を算出する。ピーク電流コントローラ７３２およびピーク電流コントローラ７３６の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１プラントモデル７４０によって受信される。ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１プラントモデル７４０の出力は、前記種々のコンパレータに使用されるＤＣ（直流）正帰還電圧である。

各ＤＣ／ＤＣコンバータに対する入力電流コマンドとして、電圧ループＰＩおよび燃料電池セグメント電流ループＰＩの最小値が設けられている。総負荷要求が総燃料電池セグメント電流コマンドよりも低い場合には、個々の電圧ループＰＩは、負荷要求が確実に満たされるように燃料電池セグメント電流を分配する。一方、総負荷要求が総燃料電池セグメント電流コマンドよりも高く、−ｖｅバス負荷が＋ｖｅバス負荷よりも低い場合には、−ｖｅ電圧ループＰＩは、−ｖｅバスに接続される負荷への供給が必要とされる燃料電池セグメント電流を流すよう命令し、総燃料電池セグメント電流のＰＩループは、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１によって＋ｖｅバスに接続される負荷へ供給される電流を決定する。ｎ個の燃料電池セグメントがある場合、１つの燃料電池セグメントが負荷電圧を維持する電圧ループに割り当てられている間、本制御方法は、（ｎ−１）個の燃料電池セグメントのすべてに適用される。

図８は、４個の燃料電池セグメントに対する制御方法を表している。ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ７２０およびＤＣ／ＤＣコンバータ＃２ ７５０は、図７に詳細に示されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ＃３、＃５および＃７は、正のバスに接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃１ ７２０と等価である。ＤＣ／ＤＣコンバータ＃４、＃６および＃８は、負のバスに接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ＃２ ７５０と等価である。図８は、４つの燃料電池セグメントに対する制御方法を表しているが、本方法は、これが限界ではなく、任意の数の燃料電池セグメントおよび任意の数の燃料電池システムにまで拡張し得る。

本方法は、注意深く負荷のバランスを取ることなく、分割バスアーキテクチャの１つまたは他のバスに配置される計画負荷のバランスを提供する。そして、最大電流が燃料電池スタックから取り出し可能であることを保証する。本能力がない場合、各ＤＣ／ＤＣコンバータおよびスタック燃料電池セグメントに対する最大出力電流設定は、達成されない。

多くの実施形態が上で述べられたが、任意の実施形態の各々の特徴またはステップも、任意の適切な組合せにおける１つ以上の実施形態の１つ以上の特徴またはステップを有する組合せで用いられる。

前述の方法の説明およびプロセスフロー図は、実例としてのみ提供され、種々の実施形態のステップは、述べられた順序に実行されなければならないということを意図されるものでも要求するものでもない。当業者によって理解されるように、前述の実施形態におけるステップの順序は、任意の順序で実行されてもよい。さらに、「その後」、「それから」、「次に」等のような単語は、ステップの順番を限定することを意図していない。これらの単語は、単に本方法の説明を通して読者をガイドするために用いられる。

１つ以上のブロック／フロー図を、例示的な実施形態の説明に使用した。こうしたブロック／フロー図の使用は、実行する動作の順序を制限することを意図するものではない。例示的な実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提示したものである。それは、網羅的または開示された厳密な形態に対して限定することを意図しておらず、変更および変形は、上記示唆に照らして可能であり、または開示された実施形態の実施から得ることができる。本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲およびそれらと均等のものによって定義されることが意図されている。

制御要素は、特定の機能を実行する命令でプログラムされたプロセッサ、メモリおよび他のコンポーネントを含む計算装置（コンピュータなど）を用いて実装される。あるいは、特定の機能を実行するように設計されたプロセッサに実装される。プロセッサは、様々な機能を実行するソフトウェア命令（アプリケーション）によって構成される任意のプログラマブルマイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、または、並列的なプロセッサチップまたは複数のチップである。上記機能は、本明細書に詳述される様々な実施形態の機能を含んでいる。いくつかの計算装置において、並列的なプロセッサが提供される。典型的には、ソフトウェアアプリケーションは、それらがプロセッサにアクセスされロードされる前に内部メモリに格納される。いくつかの計算装置では、プロセッサは、アプリケーションソフトウェア命令を格納するのに十分な内部メモリを含んでいる。

本明細書に開示された実施形態に関連して説明される様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路およびアルゴリズムステップは、電子機器、コンピュータソフトウェア、または双方の組合せとして実装される。このハードウェアおよびソフトウェアの互換性を明確に図示するために、様々な図示されたコンポーネント、ブロック、モジュール、回路およびステップは、それらの機能性に関して上述されている。このような機能がハードウェアまたはソフトウェアとして実装されているかどうかは、特定のアプリケーションおよびシステム全体に課せられた設計制約に依存する。当業者は、各特定のアプリケーションのために様々な方法で前述の機能を実装するが、このような実装決定は、本発明の範囲からの逸脱を引き起こすと解釈されるべきではない。

本明細書に開示された態様に関連して説明された様々な例示的な論理、論理ブロック、モジュール、および回路を実装するために使用されるハードウェアは、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラマブルロジックデバイス、ディスクリートゲートまたはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェア部品、あるいは本明細書に記載の機能を実行するように設計された任意の組合せを用いて実装または実行されてもよい。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってもよいが、代わりに、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、あるいはステートマシンであってもよい。また、プロセッサは、計算装置の組合せ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連動した１つ以上のマイクロプロセッサ、または任意の他の構成であってもよい。あるいは、いくつかのブロックまたは方法は、与えられた機能に特定された回路によって実行される。

開示された実施形態の前述の説明は、本説明の実施形態を任意の当業者も製作または使用できるように提供される。これらの実施形態に対する様々な変更は、当業者に容易に明らかになり、本明細書で定義した一般原理は、本開示の範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示された実施形態に限定することを意図したものではなく、以下の特許請求の範囲および本明細書に開示された原理および新規な特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。

Claims (7)

1. 燃料電池システムの複合ネットワーク並列入出力インバータを単一インバータアセンブリとしてマスタコントローラによって制御することを含む方法であって、
   該単一インバータアセンブリ内の全ての該インバータが複数の燃料電池スタックセグメントから同一の分割バスの直流（ＤＣ）入力を並列入力として受け取り、且つ共通の三相交流（ＡＣ）並列出力を負荷に対して出力し、
   該マスタコントローラが、
   該分割バスの直流（ＤＣ）入力の状況を識別し、かつ該分割バスの直流（ＤＣ）入力の電力破綻を避けるために、該単一インバータアセンブリ内の個々のインバータの電力設定値およびオン／オフ状態を制御し、
   該単一インバータアセンブリ内の第１のインバータの電力設定値が該単一インバータアセンブリ内の第２のインバータの電力設定値と異なるように、該単一インバータアセンブリ内の個々のインバータの該電力設定値を制御する、
   方法。
2. 複数の燃料電池セグメントと、複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、複数のＤＣ／ＤＣコンバータの分割バス出力に接続された少なくとも１つのＤＣ／ＡＣインバータと、複数のＤＣ負荷と、を具備する燃料電池システムであって、該複数のＤＣ負荷の第１セットが該分割バスの１つの伝導性バスにのみ接続され、該複数のＤＣ負荷の第２セットが該分割バスの他方の伝導性バスにのみ接続されている燃料電池システム。
3. 前記少なくとも１つのＤＣ／ＡＣインバータを含む複数のインバータであって、該複数のインバータからなる第１セットが前記分割バスの第１セグメントに割り当てられ、且つ該複数のインバータからなる第２セットが該分割バスの第２セグメントに割り当てられる、複数のインバータと、
   マスタコントローラに、
   １つの入力が１つのインバータの劣化状態を示している、該複数のインバータの各々からの入力を受信すること、および
   該複数のインバータからの該入力に応答して、該複数のインバータに、各インバータの出力を命令するコマンドおよび該複数のインバータの特定の１つが「オン」または「オフ」状態にあるか否かを命令するコマンドを送信すること
   を含む動作を実行させるソフトウェア実行可能命令で設定されたプロセッサを含む、マスタコントローラと
   をさらに含む、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 複数の燃料電池セグメントの各々の出力が一対のＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、該一対のＤＣ／ＤＣコンバータの各々が前記インバータに設けられた互いに反対の極性のバスにそれぞれ接続される、請求項２に記載の燃料電池システム。
5. ある１つの伝導性バスに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータの故障に応答して、反対極性の伝導性バスに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータの電源を切断することを含む、請求項４に記載の前記システムの使用方法。
6. ある１つの伝導性バスに接続された一対のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの１つの故障に応答して、総システム負荷が総故障前負荷と同じまま変わらないように、前記一対のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの他方の出力電流を最大値まで増大し、該伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を、故障前電流よりも高く且つ該最大電流よりも低い値まで増大し、前記反対極性の伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を該故障前電流よりも低い値まで減少させることを含む、請求項４に記載の前記システムの使用方法。
7. ある１つの伝導性バスに接続された一対のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの１つの故障に応答して、総システム負荷が総故障前負荷よりも低いように、該一対のＤＣ／ＤＣコンバータのうちの他方の出力電流を最大値まで増大し、該１つの伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を故障前電流と同一に維持し、前記反対極性の伝導性バスに接続された残りのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を該故障前電流よりも低い値まで減少させることを含む、請求項４に記載の前記システムの使用方法。