JP6388793B2 - 燃料電池スタック連結制御装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
上述したような燃料電池スタックを使用する際に、最近では、次の問題点が発生した。
燃料電池スタックが直列に連結された場合には只一つの燃料電池スタックでも瑕疵があるとシャットダウン(shut down)が起こり、燃料電池スタックが並列に連結された場合には一部のスタックに劣化が発生するとその影響が他の正常スタックに波及されるという点で、一般に、燃料電池スタックを適切に直並列に連結させた燃料電池装置を使用してきた。
ところが、このような場合でも、時間が経つにつれてシャットダウン現象が度々発生するため、問題点として台頭している。
別の問題点としては、電力調整システムの単一DC−DCコンバータで多数の印加入力電圧を処理する能力が挙げられる。
いずれも60V電圧を有する、複数個からなる燃料電池スタック210、220、230、240の電圧それぞれが、外部または内部的な衝撃により、60V、59V、56V、55Vになったとする。この場合、燃料電池スタックが並列に連結されているため、劣化現象は、上述したように、たとえば、多く減少した56Vおよび55Vの電圧を有する燃料電池スタック230、240により残りの燃料電池スタック210、220まで急激に進行する。結局は、燃料電池スタックの性能だけでなく、処理すべき入力電圧の数が多くなってDC−DCコンバータ510の効率も減少することにより、電力調整システムの効率および燃料電池装置10の性能も著しく低下する。ここで、電力調整システムの効率はDC−DCコンバータ510の効率×DC−ACインバータ600の効率で表わすことができる。
第一に、燃料電池スタックを直並列に連結することより、優先的に同一または類似した電圧を有する燃料電池スタック同士をグループ化して並列に連結させ、燃料電池スタックの劣化を減らして燃料電池スタックのシャットダウン現象を減らす技術が求められる。第二に、DC−DCコンバータに入力される多数の直流電圧を少なくとも2つのDC−DCコンバータに分割させて前記入力直流電圧を効果的に処理することにより、電力調整システムの効率を高める技術も切実に求められる。
前記スイッチング部は前記電力調整部の内部に位置する。
前記メモリは前記制御部の内部に位置する。
前記制御部は前記感知された電圧が前記第1臨界値以上に落ちるか否かを判別し、この際、前記第1臨界値は、前記燃料電池スタックの電圧のうち、最高電圧を有する第1燃料電池スタックと最低電圧を有する第n燃料電池スタックとの電圧差以下であり、そして、前記制御部が、前記電圧差が前記第1臨界値以上に落ちると判別する場合、前記制御部は、前記燃料電池スタックの最高値電圧を決定し、前記決定された最高値たる被減数値から前記第1燃料電池スタック乃至前記第n燃料電池スタックの電圧値たる減数値をそれぞれ減算して減算値を算出する。
前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御することにより、前記少なくとも2つの小範囲それぞれに属する減算値を決定する減数値を有する1つ以上の燃料電池スタックを1グループずつグループ化する。
前記電力調整部はPCS(Power Conditioning System)である。
前記制御部は前記電力調整部の内部に位置する。
前記DC−DCコンバータは前記電力調整部に少なくとも2つ配置される。
前記第1臨界値、第2臨界値および境界値はメモリに記憶され、前記メモリは前記制御部の内部に位置する。
前記燃料電池スタック連結制御方法は、前記a)段階と前記b)段階との間で、前記制御部が前記境界値を用いて前記第2臨界値を少なくとも2つの小範囲に実現する段階をさらに含む。
前記少なくとも2つのDC−DCコンバータの数は前記グループ化のグループ数に依存する。
前記電力調整部はPCS(Power Conditioning System)である。
前記制御部は前記電力調整部の内部に位置する。
これに先立ち、本明細書および請求の範囲に使用された用語または単語は、通常的かつ辞典的な意味で解釈されてはならず、発明者が自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に基づき、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されなければならない。
さらに、本発明によれば、DC−DCコンバータに入力される多数の入力電圧を少なくとも2つのDC−DCコンバータに分割させることにより、前記入力電圧を効果的に処理して電力調整システムの効率を高めることができる。
図2Aおよび図2Bは本発明の実施例によって、4つの燃料電池スタックの電圧が電力調整システムのコンバータに入力されるブロック図である。
燃料電池スタック連結制御装置の動作に先立ち、まず、図2Aおよび図2Bを参照して各構成および各構成の機能について説明する。
図2Aおよび図2Bを参照すると、燃料電池スタック連結制御装置100は、複数の、ここでは4つの燃料電池スタック210、220、230、240それぞれの状態を感知する複数の、ここでは4つのスタック電圧感知部310、320、330、340、および前記燃料電池スタックの入力電圧が印加される電力調整システム800を含む。
また、前記スイッチング部400は、2つまたは3つのスイッチング端子を有するスイッチング素子を含むことができるが、これに限定されず、同一の機能を行い、或いはユーザの設計に応じて適切に構成されたスイッチング素子を含むことができるのは勿論である(例えば、ダイオード、FETまたはトランジスタなど、またはこれらの組み合わせ)。
具体的に、燃料電池スタック連結制御装置が同一または類似した電圧を有する燃料電池スタック同士をどのようにグループ化して並列に連結するかについて、例を挙げて説明する。
初期に、4つの燃料電池スタック210、220、230、240が同一の電圧60Vを有したとする。燃料電池スタック連結制御装置のスイッチ連結が開始する値である第1臨界値を「5V」と設定し(上述したように、第2臨界値は、0乃至第1臨界値であるので、自動的に0以上5V以下に設定される)、第2臨界値を少なくとも2つに分けるための境界値を「2V」に設定して、メモリにこれらの値を入力したとする。
すると、制御部は、第1臨界値、第2臨界値および境界値をメモリから受信して2つの小範囲を実現する。ここで、2Vの境界値により、2つの小範囲それぞれは0以上2以下、そして2超過5以下となる(0≦第2臨界値≦2、2<第2臨界値≦5)。
その後、制御部700は次のマッピングテーブル[表1]を実現してメモリに記憶させる。
例えば、4つの燃料電池スタックのうち、最高電圧を有する燃料電池スタック210の電圧値は60V、第1燃料電池スタックの電圧値も60Vとなるので、Δは0Vになる。これは前記第2臨界値の範囲のうち0を下限値として指定した理由である。
特に、前記グループの数は小範囲の数に依存していないことを注目すべきである。
結果的に、制御部700は、相対的に正常な燃料電池スタック210、220同士を並列に繋いで第1DC−DCコンバータ510に連結し、相対的に劣化した燃料電池スタック230、240同士を並列に繋いで第2DC−DCコンバータ520に連結する結果を得ることができる。
すなわち、図2Aは4つの燃料電池スタックの電圧値を降順に示しているが、図2Bは4つの燃料電池スタックの電圧値を任意の順に示している。
図2Bを示した理由は、複数の燃料電池スタックが外部または内部の変化によってどの順で電圧値を有しても、本発明は、このような順序を問わずに、複数の燃料電池スタックが上記のマッピングテーブルによってグループ化および並列連結されることが決定されることを強調するためである。
よって、図2Bは図2Aと同様の結果、すなわち相対的に正常な燃料電池スタック210、230同士を並列に繋いで第1DC−DCコンバータに連結し、相対的に劣化した燃料電池スタック220、240同士を並列に繋いで第2DC−DCコンバータに連結する結果を得ることができる。
図3Aおよび図3Bの燃料電池スタック連結制御装置100の構成および動作は図2Aおよび図2Bに示した構成および動作と同様なので、これについての詳細な説明は省略する。すなわち、図3Aおよび図3Bはグループ化が3つ形成されることを示すためのものである。
すると、前記燃料電池スタック連結制御装置は、「12V」以上に落ちると動作し始める。前記制御部は前記境界値によって0≦第2臨界値≦2、2<第2臨界値≦5、5<第2臨界値≦12それぞれの3つの小範囲を実現する。
この際、前記制御部700が実現したマッピングテーブル[表2]は、次のとおりである。
図4は本発明の実施例によって、制御部が燃料電池スタック連結制御装置を制御する方法を示すフローチャートである。
図4を参照すると、初期段階で、制御部は、予め入力された第1臨界値と、0を含み且つ前記第1臨界値に応じて自動的に記憶された第2臨界値と、前記第2臨界値を少なくとも2つの小範囲に分けるための境界値とをメモリから受信する。
その後、S410段階で、制御部は、境界値を用いて第2臨界値を少なくとも2つの小範囲を実現する。
その次、S420段階で、制御部は、複数のスタック電圧感知部を制御することにより、燃料電池スタックの電圧を連続的に感知する。
前記制御部が、前記電圧差が前記第1臨界値以上に落ちると判別する場合、S440段階で、前記制御部は、前記燃料電池スタックの最高値電圧を決定し、前記決定された最高値たる被減数値から前記第1燃料電池スタック乃至前記第n燃料電池スタックの電圧値たる減数値をそれぞれ減算して減算値を算出する。
もし前記制御部がS430段階で、前記感知された電圧が前記第1臨界値以上に落ちていないと判別する場合、前記方法はS420段階に進む。
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。
210、220、230、240、250、260 燃料電池スタック
310、320、330、340、350、360 スタック電圧感知部
400 スイッチング部
510、520、530 DC−DCコンバータ
600 DC−ACインバータ
700 制御部
800 電力調整システム
1000 第1グループ
1100 第2グループ
1200 第3グループ
Claims (16)
- n個からなる複数の燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池スタックに連結された電力調整部とを含む燃料電池スタック連結制御装置において、
前記燃料電池スタック連結制御装置の動作を開始する第1臨界値、0乃至前記第1臨界値を含む第2臨界値、および前記第2臨界値を少なくとも2つの小範囲に分けるための境界値を事前に記憶するメモリと、
前記複数の燃料電池スタックの電圧を感知する複数のスタック電圧感知部と、
前記複数のスタック電圧感知部により感知された電圧のうちで最高電圧を有する第1燃料電池スタックと最低電圧を有する第n燃料電池スタック間の電圧差の値が前記第1臨界値と同一であるか否かを判別し、前記感知された電圧差の値が前記第1臨界値と同一である場合、スイッチング部の動作を制御することにより、前記少なくとも2つの小範囲それぞれに関連した電圧を有する1つ以上の燃料電池スタックを1グループずつグループ化する制御部とを含み、
前記制御部は前記感知された電圧差の値が前記第1臨界値と同一であると判別する場合、前記制御部は、前記燃料電池スタックの最高値電圧を決定し、前記決定された最高値たる被減数値から前記第1燃料電池スタック乃至前記第n燃料電池スタックの電圧値たる減数値をそれぞれ減算して減算値を算出し、前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御することにより、前記少なくとも2つの小範囲それぞれに属する減算値を決定する減数値を有するすべての燃料電池スタックを1グループずつグループ化することを特徴とする、燃料電池スタック連結制御装置。 - 前記スイッチング部は、前記グループに属している燃料電池スタックが2つ以上である場合に、前記グループに属している燃料電池スタックを並列に連結させ、前記グループそれぞれを前記電力調整部に位置したDC−DCコンバータにそれぞれ対応するように連結させ、
前記DC−DCコンバータは、前記電力調整部に少なくとも2つ配置されることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池スタック連結制御装置。 - 前記スイッチング部は前記電力調整部の内部に位置することを特徴とする、 請求項1または2に記載の燃料電池スタック連結制御装置。
- 前記メモリは前記制御部の内部に位置することを特徴とする、 請求項1または2に記載の燃料電池スタック連結制御装置。
- 前記制御部は、前記境界値を用いて、前記第2臨界値を少なくとも2つの小範囲に実現することを特徴とする、 請求項1または2に記載の燃料電池スタック連結制御装置。
- 前記少なくとも2つのDC−DCコンバータの数は前記グループ化のグループ数に依存することを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池スタック連結制御装置。
- 前記電力調整部はPCS(Power Conditioning System)であることを特徴とする、請求項1または2に記載の燃料電池スタック連結制御装置。
- 前記制御部は前記電力調整部の内部に位置することを特徴とする、 請求項1または2に記載の燃料電池スタック連結制御装置。
- n個からなる複数の燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池スタックに連結された電力調整部とを含む燃料電池スタック連結制御装置を制御する方法において、
a)予め入力された、前記燃料電池スタック連結制御装置の動作を開始する第1臨界値、0乃至前記第1臨界値を含む第2臨界値、および前記第2臨界値を少なくとも2つの小範囲に分けるための境界値を制御部が受信する受信段階と、
b)前記制御部が前記燃料電池スタックの電圧をそれぞれ感知する感知段階と、
c)前記制御部が、前記感知された電圧のうちで最高電圧を有する第1燃料電池スタックと最低電圧を有する第n燃料電池スタック間の電圧差の値が前記第1臨界値と同一であるか否かを判別し、前記制御部が、前記感知された電圧差の値が前記第1臨界値と同一であると判別する場合、スイッチング部の動作を制御することにより、前記少なくとも2つの小範囲それぞれに関連した電圧を有する1つ以上の燃料電池スタックを1グループずつグループ化するグループ化段階とを含み、
前記c)のグループ化段階は、
c−1)前記制御部が、前記感知された電圧差の値が前記第1臨界値と同一であると判別する場合、前記制御部は前記燃料電池スタックの最高値電圧を決定し、前記決定された最高値たる被減数値から前記第1燃料電池スタック乃至前記第n燃料電池スタックの電圧値たる減数値をそれぞれ減算して減算値を算出する算出段階と、及び
c−2)前記制御部が前記スイッチング部の動作を制御することにより、前記少なくとも2つの小範囲それぞれに属する減算値を決定する減数値を有するすべての燃料電池スタックを1グループずつ形成するグループ形成段階をさらに含むことを特徴とする、燃料電池スタック連結制御方法。 - 前記c)段階で、前記グループ化段階は、前記制御部が前記スイッチング部の動作を制御することにより、前記グループに属している燃料電池スタックが2つ以上である場合に、前記グループに属している燃料電池スタックを並列に連結させ、前記グループそれぞれを前記電力調整部に位置したDC−DCコンバータにそれぞれ対応するように連結させる連結段階をさらに含み、
前記DC−DCコンバータは、前記電力調整部に少なくとも2つ配置されることを特徴とする、請求項9に記載の燃料電池スタック連結制御方法。 - 前記c)段階で、前記スイッチング部は前記電力調整部の内部に位置することを特徴とする、 請求項9または10に記載の燃料電池スタック連結制御方法。
- 前記第1臨界値、前記第2臨界値および前記境界値はメモリに記憶され、前記メモリは前記制御部の内部に位置することを特徴とする、 請求項9または10に記載の燃料電池スタック連結制御方法。
- 前記燃料電池スタック連結制御方法は、前記a)段階と前記b)段階との間で、前記制御部が前記境界値を用いて前記第2臨界値を少なくとも2つの小範囲に実現する段階をさらに含むことを特徴とする、 請求項9または10に記載の燃料電池スタック連結制御方法。
- 前記少なくとも2つのDC−DCコンバータの数は前記グループ化のグループ数に依存することを特徴とする、請求項10に記載の燃料電池スタック連結制御方法。
- 前記電力調整部はPCS(Power Conditioning System)であることを特徴とする、 請求項9または10に記載の燃料電池スタック連結制御方法。
- 前記制御部は前記電力調整部の内部に位置することを特徴とする、 請求項9または10に記載の燃料電池スタック連結制御方法。
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