JP6354787B2 - 燃料電池電源装置の制御方法および制御装置 - Google Patents
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Description
このため、従来から、燃料電池を商用交流電源系統に連系接続して、負荷の変動分を交流系統電源で補完して燃料電池の運転を安定にすることが行われている。
また、特許文献1に示されるように、燃料電池に蓄電池やキャパシタなどの蓄電装置を組み合わせて負荷の急激な過渡変動をこの蓄電装置で補完し、燃料電池電源からの出力を安定化することも既に知られている。
このような燃料電池電源装置によれば、負荷84の要求する電力が減少し、燃料電池81の出力電力が負荷84の要求する電力より大きくなったときは、燃料電池81は負荷84に供給すると同時に、余剰分を蓄電装置82に蓄電することにより、負荷84の減少した変動分を補償する。
したがってこのような従来の燃料電池電源装置によれば、燃料電池81に加わる負荷84の電力が変動しても、この負荷84の電力の変動分を蓄電装置82によって補償することができるので、燃料電池81の出力を安定に保って運転することができる。
蓄電装置82が、特に、リチウムイオン電池で構成されている場合は、このように過放電状態または過充電状態となると、特性劣化が著しく進行するとともに、寿命が大幅に低下する問題がある。
また、制御装置の発明においては、前記蓄電装置の電圧を監視する蓄電装置電圧監視手段を設け、この蓄電装置電圧監視手段が、前記蓄電装置の電圧が予め設定した上限電圧設定値を超えたことを検知したとき、前記電圧制御手段により、前記蓄電装置の電圧が第1の電圧を超えないように前記直流‐直流コンバータを制御し、蓄電装置電圧監視手段が、前記蓄電装置の電圧が予め設定した前記蓄電装置の下限電圧を超えたことを検知したとき、前記蓄電装置の電圧が前記下限電圧を超えないように前記負荷の電力を制御するようにすることもできる。
さらに、制御装置の発明においては、前記負荷の電力の実際値と蓄電装置の充放電電力の実際値とを合計して総電力を求める手段と、この総電力を求める手段で求めた総電力に基づいて前記燃料電池に対する出力電流指令値を求め、この出力電流指令値を前記燃料電池の制御装置に戻して、燃料電池の燃料供給量の制御を行うようにすることができる。
さらにまた、制御装置の発明においては、分流抵抗と電流調整装置との直列回路で構成され、前記直流母線に並列に接続された分流手段と、前記電圧監視手段において、前記蓄電装置の電圧が予め設定した上限電圧設定値を超えたことを検知したとき、前記分流手段を、前記両電力の差電力(PB=PFC−PL)に基づいて求めた前記分流手段に対する分流電流指令値にしたがって制御する分流制御手段とを備えることができる。
図1は、この発明の燃料電池電源装置の第1の実施例を示す構成図である。
図1において、1は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて直流電力を発生する燃料電池であり、1Aは、この燃料電池1の出力電力を調整するために燃料ガスの供給量QHや、酸化剤ガスの供給量QO等を制御する燃料電池制御装置である。この燃料電池1の出力を、直流−直流コンバータ5を介してリチウムイオン電池等で構成された蓄電装置11および負荷13が並列に接続された直流母線7に接続することにより、電源として燃料電池1と蓄電装置11とを備える燃料電池電源装置が構成される。この燃料電池電源装置を運転するときは、燃料電池1の出力回路のスイッチ2および直流母線7のスイッチ8をオンにする。
燃料電池1側の給電回路には、燃料電池1の出力電圧VFCを検出するための電圧検出器3および出力電流IFCを検出するための電流検出器4が設けられる。
また、直流母線7の回路には、同様に直流母線の電圧VOを検出するための電圧検出器9、蓄電装置11に流れる充放電電流を検出するための電流検出器12および負荷13に流れる電流ILを検出するための電流検出器14が設けられる。
次に、この電源制御装置50の構成を説明する。
燃料電池電力演算部18が設けられており、これは、電圧検出器3で検出された燃料電池1の出力電圧の実際値VFCiと電流検出器4で検出された燃料電池1の出力電流の実際値IFCiとを乗算して燃料電池1の実際の出力電力PFCi(=IFCi×VFCi)を算出する。一方、電圧比演算部17は、燃料電池1の電圧実際値VFCiを電圧検出器9で検出した直流母線7の電圧実際値VOiで除算することにより、直流−直流コンバータの入力側の燃料電池電圧VFCiと出力側の直流母線電圧VOiとの電圧比α(=VFCi÷VOi)を求める。
電力指令換算部19は、燃料電池出力電力演算部18で求めた燃料電池出力電力PFCに電圧比αを乗算して直流母線7に対する電力指令値POs(=PFCi×α)を算出する。
電力指令値POsは直流母線指令電圧演算部22に入力される。
直流母線指令電圧演算部22は、電力指令値POsを出力電力PFC電流指令値IOsで除算して、直流母線7への電圧指令値VOsを算出する。電圧指令値VOsは電圧調節器29の手前に設けられた減算器bに入力される。
電力判定部20は、電力指令値POsと、負荷電力演算部31から入力された負荷電力実際値PLiとを比較し、その大小関係を判定する。電力判定部20は、電力指令値POs(=PFCi×α)が負荷電力実際値PLiより小さい(POs<PLi)ときに、電力判定信号PDを出力し、電力指令値POs(=PFC×α)が負荷電力実際値PLiより大きい(POs≧PLi)ときは、電力判定信号PDの出力を停止する。
また、切換接点S3とS4は、蓄電装置充放電電流指令演算部27から出力される蓄電装置に対する電流指令値IBsと、電圧調節器29から出力される直流母線7に対する電流指令値IOsとを切換えて、減算器cに入力する。
蓄電装置の電圧監視部25は、さらに、直流母線7の電圧実際値VOi、したがって蓄電装置電圧VBが上限電圧設定値L1を超えると、保護信号BSt1を出力する。また、蓄電装置の電圧監視部25は、蓄電装置電圧VBが下限電圧設定値L2を下回ると、保護信号BSt2を出力する。
保護信号BSt1およびBSt2は、燃料電池制御装置1Aに入力される。
充放電電流指令値IBsは、切換接点S3を介して減算器cに入力される。また、減算器cには、切換接点S3と相補的な切換接点S4を介して電圧調節器29から出力される電流指令値IOsが入力される。
総電力演算部33で算出された総電力PΣと直流母線電圧検出器9で検出された直流母線電圧実際値VOiは、総電流演算部34に入力される。総電流演算部34は、総電力PΣを母線電圧VOiで除して、直流母線7の総電流IOΣを算出する。
総電流演算部34で算出された直流母線7の総電流IOΣは、電流換算部35に入力される。電流換算部35は、総電流IOΣに、電圧比演算部17から入力された燃料電池電圧VFCと直流母線電圧VOとの電圧比αを乗算して燃料電池電流帰還信号IFCabを算出する。燃料電池電流帰還信号IFCabは、総電力信号PΣおよび負荷電力信号PLとともに、燃料電池制御装置1Aに入力される。
燃料電池1と蓄電装置11とでハイブリッド電源を構成する電源燃料電池電源装置において、燃料電池1は、燃料電池1の出力電力PFCと負荷13の消費または要求する電力PLとの関係で、図2に(a)、(b)および(c)ので示すような3つの給電動作パターンで動作する。
この状態では、燃料電池11が、負荷電力PLの全てを供給するとともに、燃料電池出力電力PFCから負荷電力PLを差し引いた余剰の電力PB(=PFC−PL)が蓄電装置11に充電される。
この状態では、燃料電池1の出力電力PFCのすべてが負荷13に負荷電力PLとして供給され、蓄電装置11への充放電電力PBが零となる。蓄電装置は浮動動作状態となる。
この状態では、燃料電池11から負荷13へ供給する電力が不足するようになる。不足する電力−PB(=PFC−PL)は、蓄電装置11からの放電電力(‐PB)よって補完されるようになる。
このように、燃料電池出力電力PFCおよび負荷電力PLの変動に対応して蓄電装置11の充放電電力が変化することによって、特に負荷電力PLの変動に関係なく燃料電池出力電力を安定に保つことができる。
この図の縦軸は燃料電池の出力電圧VFCを定格電圧に対するパーセント電圧(%V)で示し、横軸は、燃料電池の出力電流IFCを定格電流に対するパーセント電流(%A)で示している。燃料電池の出力電流IFCは燃料供給量QHに対応する。
特性線Aは、燃料供給量QHが定格の100%、すなわち燃料電池の出力電流IFC100%のときの特性を示し、特性線Bは,燃料供給量QHが定格の75%、すなわち燃料電池の出力電流IFC75%のときの特性を示し、特性線Cは、燃料供給量QHが定格の50%、すなわち燃料電池の出力電流IFC50%のときの特性を示す。
この状態において、燃料供給線Q100(燃料供給量100%を示す線)上に示されたQaは電気量に変換される燃料ガス量、QaLは、電気量に変換されないで排気される排気ガス量として処理される。
このような燃料電池の燃料ガス不足に伴う出力電圧の変動をなくして安定にするためには、燃料ガス供給量が100%のときは、動作点が特性線A上の動作点aを超えないようにし、燃料ガス供給量が75%のときは、動作点が特性線B上の動作点bを超えないようにし、そして燃料ガス供給量が50%のときは、動作点が特性線C上の動作点cを超えないようにする必要がある。
蓄電装置の充電時の上限電圧をVBoとし、放電時の常用最低電圧をVBd1、非常下限電圧をVBd2としたとき、蓄電装置の電圧VBが充電時に上限電圧VBoを超えて過充電となるか、または放電時に非常下限電圧VBd2より低下して過放電となると、蓄電装置を構成するリチウムイオン電池は、電池特性の劣化が増進され、かつ電池の寿命が低下することが報告されている。
以下に、この図5に基づいてこの発明の燃料電池電源装置の動作を説明する。
図5の時刻t1の前で燃料電池1が起動され、微量の燃料ガスに供給されると、燃料電池1は、図5(b)に示すように燃料電池電圧VFC0を発生する。このときは、まだ負荷がとられていないので、負荷13の負荷電流ILは、図5(a)に示すようにIL0となっている。
時刻t1においては、負荷電力演算部31により、この時刻における負荷電流IL1と直流母線電圧VO1(=VB1)から負荷電力PL1(=VO1×IL1)が算出される。また、蓄電池充放電電力演算部32より、蓄電池充放電電流検出器12で検出される蓄電装置11の放電電流−IB1と直流母線電圧VO1=VB1とから、蓄電装置11の放電電力−PB1が算出される。
総電力演算部33は、負荷電力演算部31、充放電電力演算部32で算出された負荷電力PL1と放電電力−PB1とを加算して直流母線7における総電力PΣ1(=PL1−PB1)を算出する。
燃料電池制御装置1Aは、この電流帰還信号IFCabを受け取ると、ここには示されない信号処理よって燃料電池電流IFCがIFC0から時刻t2でIFC1に達するように燃料電池1への燃料ガス量QHおよび酸化剤ガス量QOを増加させる制御を行う。
この期間は、燃料電池1から直流‐直流コンバータ5を介して直流母線7に供給される電力POが負荷電力PLよりも小さく(POi<PLi)なるので、電力判定部20は、接点切換部15に対して、電力判定信号PDを出力する。
これにより、接点切換部15は、切換接点をS2、S4がオンとなり、S1、S3がオフとなるように切換える。
直流母線電流指令演算部21で、燃料電池1の出力電流実際値IFCiに電圧比αを乗算して、直流母線に対する電流指令値IOsが算出される。また、直流母線電圧指令演算部22で、直流母線電流指令値IOsと電流指令換算部19から入力された直流母線電力指令値POsとに基づいて、直流母線電圧指令値VOs(=POs÷IOs)が算出される。
次に、直流母線電圧指令値VOsと直流母線電圧検出器9で検出された直流母線電圧実際値VOiとが減算器bに入力されて、両者の電圧偏差ΔVO(=VOs−VOi)が算出される。電圧偏差ΔVOは、電圧調節器29に入力される。電圧調節器29は、電圧偏差ΔVOをゼロにするための電流指令値IOsを算出する。電流指令値IOsは、オンしている切換接点S4を介して、電流偏差を求める減算器cに入力される。
電流調節器30は、入力された電流偏差ΔIOをゼロするための制御出力DSを算出する。この制御出力DSにより直流−直流コンバータ5が制御される。すなわち、直流−直流コンバータ5は、直流母線7の電圧VOが直流母線電圧指令値VOsになるように制御される。
これにより、図5(c)に示すように燃料電池1の出力電流IFCが増加するにともなって蓄電装置11の放電電流が−IB1からIB0に向かって減少する。これにともなって蓄電装置11の電圧VBがVB1からVB2へ上昇する。この蓄電装置11の電圧VBは、直流−直流コンバータ5によって制御される直流母線電圧VOに制限されるので、過電圧となることはない。
これにより、電圧調節器29の出力が電流調節器30の入力から遮断されるため、直流−直流コンバータ5の制御は、電流調節器30だけで電流に基づく制御に切り換わる。
蓄電装置充放電電力演算部28で、電力指令値POsと負荷電力実際値PLiに基づいて、充放電電力指令値PBs(=PFCs−PLi)が算出される。
次に、蓄電装置充放電電流指令演算部27で、充放電電力指令値PBsと直流母線7の電圧実際値VOiに基づいて、蓄電装置11の充放電電流指令値IBsが算出される。充放電電流指令値IBsは、オンしている接点S3を介して電流調節器30の入力の減算器cの一端に入力される。
直流−直流コンバータ5は、制御出力Dsに基づいて、蓄電装置11に流れる充放電電流IBが充放電電流指令値IBsになるように制御される。
蓄電装置11は充電電流+IB1で充電されるため、蓄電装置11の電圧VB、したがって直流母線電圧VOは図5(d)示すように次第に上昇し、時刻t5においてVO3=VB3まで上昇する。
蓄電装置11の電圧VBは、放電動作のため、VO3=VB3から時刻t10のVO4=VB4へ向かって低下する。
このとき、直流母線電圧VOは、蓄電装置電圧VBと等しく低下し、燃料電池電圧VFCは変化しないので、電圧比演算部17で求める電圧比α(=VFC÷VO)は大きくなる。このため、直流母線電流指令演算部21で算出される電流指令値IOsが大きくなり、直流母線指令電圧演算部22で算出される電圧指令値VOsは小さくなる。
時刻t11〜t12の間において、燃料電池電流IFCがIFC2からIFC3に向かって増加するが、負荷電流ILは、IL4のまま維持されているとすれば、蓄電池充放電電流指令値IBsは、燃料電池電流IFCの増加に追従して増大するので、時刻t12で蓄電装置11の充電放電電流IBは+IB2の充電電流となる。
時刻t15において、負荷13が停止すると、負荷電流ILがIL0になる。したがって、負荷電力PL(=0)、総電力PΣ(=PL±PB)および保護信号BSt1が燃料電池制御装置1Aに入力される。
例えば、保護信号BSt1は、直流母線7の電圧VOが、上限電圧設定値L1を超えたときに出力される。このため、燃料電池制御装置1Aは、保護信号BSt1を受け取ったときは、蓄電装置11の充電を停止するため、直ちに燃料電池1の出力を制限する制御を行う。
この場合は、負荷電力PLがゼロであるので、充電電力指令値PBsは直流−直流コンバータ5に対する出力電力指令値POsと等しくなる。このため、蓄電装置充放電電流指令演算部27からは、IBs=POs÷VOiとなる充電電流指令値IBsが出力され、蓄電装置11の充電電流が、この充電電流指令値IBsとなるように、直流−直流コンバータ5によって制御される。
また、上限電圧判定信号VL1を受け取った電圧制限部26は、電圧調節器29の電圧指令入力VOsを上限電圧設定値L1(=VBo)に制限する動作を行う。これにより、蓄電装置11の電圧VBiが上限電圧VBo(=L1)を超えないように蓄電装置11の電圧を制御することができる。
また、電圧監視部25は、蓄電装置11の電圧VBiがさらに低下し、非常下限設定電圧VBDd2以下になると保護信号BSt2を出力する。保護信号BSt2は、燃料電池制御装置1Aに入力される。燃料電池制御装置1Aは、この保護信号BSt2を受け取ると、燃料電池1に供給する燃料ガスの供給量QHを増加させて燃料電池1の出力電力PFCを増大させる処置を行う。
この発明おいては、この電力判定部20に代えて、図6に示すように蓄電池装置充放電電流検出器12で検出した蓄電装置11の充放電電流IBiの極性、すなわち流れる方向を判定する電流方向判定部20Aを用いることもできる。
電流方向判定部20Aは、蓄電池装置充放電電流検出器12で検出された蓄電装置11の充放電電流IBの極性が正であれば、蓄電装置11を充電する方向に流れていると判定して電流方向判定信号IDを出力する。電流方向判定信号IDは、接点切換部15に入力される。そして、充放電電流IBの極性が負であれば、電流方向判定部20Aは、蓄電装置11から放電する方向に流れていると判定し、電流方向判定信号IDの出力を停止する。
そのほかの動作は、前記の図1に示す第1の実施例と同じであるので、その詳細な説明は省略する。
次に、図7に示すこの発明の第2の実施例について説明する。
この第2の実施例は、蓄電装置11の充電動作モードにおいて、蓄電装置11の電圧が予め設定した上限電圧設定値VBoを超えて過充電状態となったとき、この蓄電装置11のそれ以上の充電を防止して、蓄電装置11の特性劣化および寿命短縮を抑制するものである。
電流調整チョッパ41の断続動作により、直流母線7から電流制限抵抗43に分流する電流を調整する。
電流調整チョッパ41の断続動作により、図7に示すように、蓄電装置11が満充電状態となって不要となった充電電力(余剰電力)が電流調整チョッパ41を通して電流制限抵抗43に分流して消費される。
一方、負荷電力PLの急低下または蓄電装置11が満充電状態となって余剰電力が発生すると、蓄電装置11の電圧VBiが上限電圧VBo以上に上昇し、電圧監視部25が保護信号BSt1を出力する。そうすると、燃料電池制御装置1Aは、燃料電池1への燃料ガスの供給量の低減制御により、燃料電池1の出力電力を低減する。燃料電池1の出力電力低減により余剰電力がなくなると、電流調整チョッパ41は動作を停止して余剰電力処理動作を終了する。
1A:燃料電池制御装置
2、8:スイッチ
3:燃料電池電圧検出器
4:燃料電池電流検出器
5:直流‐直流コンバータ
7:直流母線
9:直流母線電圧検出器
10:直流母線電流検出器
11:蓄電装置
12:蓄電装置充放電電流検出器
13:負荷
14:負荷電流検出器
15:接点切換部
16:切換回路部
S1、S2、S3、S4:切換接点
17:電圧比演算部
18:燃料電池出力電力演算部
19:電力指令換算部
20:電力判定部
21:直流母線指令電流演算部
22:直流母線指令電圧演算部
23:蓄電装置上限電圧設定器
24:蓄電装置下限電圧設定器
25:電圧監視部
26:電圧制限部
27:蓄電装置充放電電流指令演算部
28:蓄電装置充放電電力演算部
29:電圧調節器
30:電流調節器
31:負荷電力演算部
32:蓄電池充放電電力演算部
33:総電力演算部
34:総電流演算部
35:電流換算部
41:電流調整チョッパ
42:チョッパ制御部
43:電流制限抵抗
44:電流検出器
45:余剰電力演算部
46:余剰電流指令演算部
50:電源装置制御部
81:燃料電池
82:蓄電装置
83:インバータ
84:負荷
85:直流母線
Claims (6)
- 燃料電池から直流母線を介して蓄電装置および負荷に給電するようにした燃料電池電源装置において、前記燃料電池から前記直流母線に供給する直流電力を制御する直流‐直流コンバータを設け、前記直流母線に対する電力指令値(POs)と前記負荷の電力(PL)とを比較し、前記電力指令値(POs)が前記負荷の電力(PL)より大きい(POs>PL)ときは、前記電力指令値(POs)と前記負荷の電力(PL)との差(PB=POs−PL)に基づいて前記蓄電装置に対する充電電流指令値(IBs)を求め、前記蓄電装置の充電電流が前記充電電流指令値(IBs)になるように前記直流‐直流コンバータの出力を制御し、前記電力指令値(POs)が前記負荷の電力(PL)より小さい(POs<PL)ときは、前記燃料電池の出力電力に基づいて前記直流母線に対する電圧指令値(VOs)を求め、前記直流母線の電圧が前記電圧指令値(VOs)なるように前記直流‐直流コンバータの出力を制御することを特徴とする燃料電池電源装置の制御方法。
- 前記直流母線に分流抵抗と電流調整装置との直列回路で構成した分流手段を設け、前記電力指令値(POs)が前記負荷の電力(PL)より大きい(POs>PL)状態で、前記蓄電装置の電圧が上限電圧設定値を超えたときは、前記電力指令値(POs)と前記負荷の電力(PL)との差(PB=POs−PL)に基づいて前記分流手段に対する分流電流指令値(IDs)を求め、前記分流手段に流れる電流が前記分流電流指令値(IDs)なるように前記電流調整装置の出力を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池電源装置の制御方法。
- 燃料電池から直流母線を介して蓄電装置および負荷に給電するようにした燃料電池電源装置において、前記燃料電池から前記直流母線に供給する直流電力を制御する直流‐直流コンバータと、前記直流母線に対する電力指令値(POs)と前記負荷の電力(PL)との大小関係を判定する電力判定手段と、前記電力指令値(POs)と前記負荷の電力(PL)との差(PB=POs−PL)から前記蓄電装置に対する充電電流指令値(IBs)を求める手段と、前記電力指令値(POs)から前記直流母線に対する電圧指令値(VOs)を求める手段と、前記電力指令値(POs)が前記負荷の電力(PL)より大きい(POs>PL)と判定されたとき、前記蓄電装置の充電電流(IB)が前記充電電流指令値(IBs)になるように前記直流‐直流コンバータを制御する電流制御手段と、前記電力指令値(POs)が前記負荷の電力(PL)より小さい(POs<PL)と判定されたとき、前記直流母線の電圧(VO)が前記電圧指令値VOsになるように前記直流‐直流コンバータを制御する電圧制御手段とを設けたことを特徴とする燃料電池電源装置の制御装置。
- 前記電力判定手段を、前記蓄電装置に流れる電流の極性を判別する手段としたことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池電源装置の制御装置。
- 前記蓄電装置の電圧を監視する蓄電装置電圧監視手段を設け、この蓄電装置電圧監視手段が予め設定した前記蓄電装置の上限電圧を超えたとき、前記電圧制御手段により、前記蓄電装置の電圧が前記上限電圧を超えないように前記直流‐直流コンバータを制御し、蓄電装置電圧監視手段が予め設定した前記蓄電装置の下限電圧を超えたとき、前記蓄電装置の電圧が前記下限電圧を超えないように前記負荷の電力を制御することを特徴とする請求項3または4に記載の燃料電池電源装置の制御装置。
- 前記負荷の電力の実際値と蓄電装置の充放電電力の実際値とを合計して総電力を求める手段を設け、この総電力を求める手段で求めた総電力に基づいて前記燃料電池に対する出力電流指令値を求め、この出力電流指令値を前記燃料電池の制御装置に戻して、燃料電池の燃料供給量の制御を行うようにすることを特徴とする請求項3から5の何れか1項に記載の燃料電池電源装置の制御装置。
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