JPWO2005076433A1 - ハイブリッド燃料電池システム及びその電圧変換制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなハイブリッド燃料電池システムにおいて、その運転効率を考慮した技術として、例えば、特開2002−118979号公報には、燃料電池とバッテリとの最大出力比を、燃料電池が全体出力の65〜80%になる範囲で設定し、DC−DCコンバータでの損失を抑制することが開示されている。
そこで本発明は、コンバータにおける効率改善を図ったハイブリッド燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、電圧変換器は複数相を備えるものであって、電圧変換器を通過するパワーの相当値に応じて、使用させる該相の数を変更する制御部を備える。
また本発明は、燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、電圧変換器は複数相を備えるものであって、電圧変換器の入出力変換エネルギー量または作動仕事量の相当値に応じて運転する相数を変更可能に構成されていること、を特徴とする。
さらに本発明は、燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムの電圧変換制御方法において、電圧変換器が複数相を備えている場合に、電圧変換器を通過するパワーの相当値を検出し、検出された該相当値に対応させて、使用させる該相の数を変更する。
複数相を備えた電圧変換器は当該変換器の入出力変換エネルギー量または作動仕事量の相当値に応じて変換効率が変化する。一般に、複数相を備える電圧変換器では、電圧変換器を通過するパワーの相当値、例えば、入出力変換エネルギー量または作動仕事量によって変換器中で失われるエネルギー、すなわち損失が変動する。ここで、複数相駆動の場合の効率とそれより少ない相で駆動した場合の効率とでは、効率の良い相数が変動する場合がある。これは、リアクトル成分によって失われるリアクトル銅損、IGBT等のスイッチング素子の動作に纏わり発生する素子損失、リアクトル成分により失われるリアクトル鉄損等が総合的に作用して効率が定まることに起因している。上記構成によれば、電圧変換器を通過するパワーの相当値、例えば入出力変換エネルギー量または作動仕事量の相当値に応じて相数を変更可能に構成されているので、これら相当値に応じて、より効率の高い相数を選択して電圧変換することができ、電圧変換器における効率を大幅に改善することができる。
ここで本発明において「蓄電装置」には限定はなく、例えば、ニッケル−水素電池や鉛蓄電池を単数または複数積層したものである。
また「電圧変換器」は複数相から構成される直流電圧変換機能を有するコンバータ(DC−DCコンバータ)である。
さらに「電圧変換器の入出力変換エネルギー量または作動仕事量の相当値」とは、電圧変換器において電圧変換にかかるエネルギー量や仕事量に対応するもので、具体的には電力値、電流値、その他のパラメータが相当する。電圧変換器の変換効率が好適な相数を選択するための指標になるものならば特に限定はない。
例えば電圧変換器は三相ブリッジ形コンバータであり、当該電圧変換器の入出力変換エネルギー量または作動仕事量の相当値に応じて運転する相数を変更するよう制御される。三相ブリッジ形の回路構成を備えたコンバータが該当する。
すなわち、上記構成において、相当値が所定値より少ない場合には、当該相当値が当該所定値より以上の場合に運転する相数より少ない相数で運転することは好ましい。具体的には、入出力変換エネルギー量や作動仕事量をゼロから上昇させていくと、リアクトル銅損や素子損失が上昇していく一方、リアクトル鉄損は入出力変換エネルギー量や作動仕事量の大小に関わらずほぼ一定であり、複数相より単相の方がリアクトル鉄損は多い。これらの損失を合計で判断した場合、全体としての効率は、ある値より高い入出力エネルギー量や作動仕事量の相当値では、複数相駆動の方が単相駆動より高いが、この値より低い相当値の区間では単相駆動の方が、効率が高くなるという逆転現象を生じる。当該構成によれば、入出力変換エネルギー量や作動仕事量の相当値が相対的に高い領域では複数相で駆動されるが、全体の損失の逆転が生じる領域においては、複数相より少ない相数で駆動されるため、常に最善の効率で運転されるようになっている。
ここで「所定値」は電圧変換器全体の効率が逆転する値に対応させて設定するが、必ずしもこの値である必要はなく、動作の安定性その他の事情を鑑みて適宜設定変更が可能である。
また本発明において、電圧変換器は、複数の相数で運転する複数相運転と単相で運転する単相運転とを切り換えるものであって、複数相運転時には、相当値が第1の値より小さくなった場合に単相運転に切り換え、単相運転時には、相当値が第1の値より大きい第2の値を超えた場合に複数相運転に切り換えるように構成することは好ましい。
上記構成によれば、運転する相数を切り換える動作シーケンスはヒステリシスループを形成するようになるため、相数の切り換え後に元の相数に戻ったりする不安定なハンチング状態を除去することが可能である。
ここで「第1の値」及び「第2の値」は複数相運転とそれより単相運転とで電圧変換器全体の効率が逆転する値に対応させて設定するが、必ずしもこの値である必要はなく、動作の安定性その他の事情を鑑みて適宜設定変更が可能である。
図2 本実施形態に係るハイブリッド燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャート
図3 本ハイブリッド燃料電池システムの動作ヒステリシスを示す図
図4 三相ブリッジ形コンバータにおける各種損失特性図
図5 三相ブリッジ形コンバータにおける全効率の説明図
本発明の実施形態は、電気自動車に搭載する燃料電池システムに本発明を適用したものである。
図1に本ハイブリッド燃料電池システム1のシステム全体図を示す。当該ハイブリッド燃料電池システム1は、DC−DCコンバータ20、二次電池21、燃料電池22、逆流防止用ダイオード23、インバータ24、三相モータ25、減速装置26、シャフト27、車輪29、電源制御部10、走行制御部11を備えている。
二次電池21は本発明の蓄電装置であり、充放電自在なニッケル−水素電池等のバッテリーユニットを複数積層し直列接続することによって所定の電圧を出力するようになっている。二次電池21の出力端子には電源制御部10と制御信号Cbによって通信可能なバッテリコンピュータ14が設けられており、二次電池21の充電状態を過充電や過放電に至らない適正な値に維持するとともに、万が一二次電池に異常が生じた場合に安全を保つように動作するようになっている。当該二次電池21の出力は電流センサ15及び電圧センサ16により実測可能になっている。
DC−DCコンバータ20は、一次側に入力された電力を、一次側と異なる電圧値に変換して出力する電圧変換器である。当該実施形態では、二次電池21の直流出力電圧(例えば約200V)をさらに高い直流電圧(例えば約500V)に昇圧することによって三相モータ25を小電流・高電圧で駆動することを可能とし、電力供給による電力損失を抑制し、三相モータ25の高出力化を可能としている。当該DC−DCコンバータ20は三相運転方式を取っており、具体的な回路方式としては三相ブリッジ形コンバータとしての回路構成を備えている。当該三相ブリッジ形コンバータは、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分とその交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされている。図1に示すように、当該コンバータは一次入力端子間及び二次側出力端子間のそれぞれに、スイッチング素子Tr及び整流器Dの並列接続構造を二段重ねしたものを三相(P1、P2、P3)並列接続して構成されている。そして一次側と二次側とのそれぞれの二段重ね構造の中間点同士をリアクトルLで連結した構造をしている。スイッチング素子Trとしては、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を利用可能であり、整流器Dとしてはダイオードを利用可能である。当該DC−DCコンバータ20は相間の位相差が120度(2π/3)ごとになるように調整されたタイミングでスイッチングされるようになっている。各々の相は、電源制御部10からの制御信号Ccに基づいて独立して運転可能に構成されている。当該DC−DCコンバータ20の出力は電流センサ17及び電圧センサ18により実測可能になっている。またDC−DCコンバータ20の入力電流値は電流センサ15から、出力電流値は電流センサ17から、また、入力電圧値は電圧センサ16から、出力電圧値は電圧センサ18から、それぞれ電源制御部10に出力可能になっている。
なお、このDC−DCコンバータ20は軽負荷運転時やブレーキ動作時には、三相モータ25を逆にジェネレータとして発電を行い、コンバータの二次側から一次側へ直流電圧を降圧して、二次電池21に充電を行う回生動作が可能なようになっている。
燃料電池スタック22は、複数の単セルをスタックし、直列接続して構成されている。単セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の二つの電極で狭み込んだ構造物を燃料ガス(水素)と酸化ガスである空気(酸素)とを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造をしている。燃料極は燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、空気極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。
燃料電池スタック22には、図示しない、公知の燃料ガスを供給する系統と空気を提供する系統と、冷却水を提供する系統とが設けられており、これらの系統によって燃料ガスの供給量や空気の供給量を制御することにより、任意の発電量で発電可能になっている。
インバータ24は、DC−DCコンバータ20によって昇圧された高圧直流を互いの位相が120度ずれた三相交流に変換するようになっている。当該インバータ24は、コンバータ20と同様に電源制御部10からの制御信号Ciによって電流制御がされるようになっている。
三相モータ25は、本電気自動車の主動力となるものであり、減速時には回生電力を発生するようにもなっている。減速装置26はいわゆるディファレンシャルであり、三相モータ25の高速回転を所定の回転数に減速し、車輪29を回転させる。シャフト27には車輪速センサ28が設けてあり、車輪速パルスSrを走行制御部19に出力するようになっている。
走行制御部11は、走行状態制御用のコンピュータシステムであり、ブレーキペダルからのブレーキ位置信号Sbと車輪速パルスSrに基づいて三相モータ25の回生要求値を電源制御部10に出力するようになっている。この回生要求値はその他ステアリング舵角センサ、ヨーレート&Gセンサ、マスタシリンダ圧力センサ、ホイールシリンダ圧力センサからの検出信号にも基づいて出力されてもよい。
電源制御部10は、電源制御用のコンピュータシステムであり、例えば中央処理装置(CPU)101、RAM102、ROM103等を備えている。当該電源制御部10は、アクセル位置信号Saやシフト位置信号Ss、その他の各種センサからの信号を入力して、運転状態に応じた燃料電池スタック22の発電量及び三相モータ25におけるトルクを求めて、燃料電池スタック22、三相モータ25、及び二次電池21の電力収支にコンバータ20やインバータ24における損失を加算した電源の全体制御を行うようにプログラムされている。
次に本実施形態のハイブリッド燃料電池システム1の動作を説明する。まず、DC−DCコンバータ20において発生する損失について説明する。
一般に、複数相を備える電圧変換器では、電圧変換器を通過するパワー(入出力変換エネルギー量、作動仕事量の相当値)によって変換器中で失われる電力、すなわち損失が変動する。ここで、複数相駆動の場合の効率とそれより少ない相で駆動した場合の効率とでは、効率のより良い相数が変動する場合があることが分かった。例えば、図4は、当該DC−DCコンバータ20のような三相ブリッジ形コンバータにおいて生じる損失特性図を示してある。図4に示すように、三相ブリッジ形コンバータにおける損失は、リアクトル成分によって失われるリアクトル銅損、IGBT等のスイッチング素子の動作に纏わり発生するモジュール損失、リアクトル成分により失われるリアクトル鉄損等が存在する。リアクトル銅損はコイルに起因するもので、通過するパワーが増大するに連れて増加し、三相運転時よりも単相運転時の方が大きい。モジュール損失も、通過パワーが増大するに連れて増大し、三相運転時よりも単相運転時の方が大きい。これに対し、リアクトルLの磁性体に起因するリアクトル鉄損は、通過するパワーが増減しても殆ど変化が無く、三相運転時の方が単相運転時よりも大きい。
図5にこれらの損失を加算した場合のコンバータ全損失とコンバータ変換効率との関係を示す。上述したように、リアクトル銅損及びモジュール損失とリアクトル鉄損とでは、単相と三相とで損失の大小関係が逆転しており、変化率の相違がある。このため、比較的通過パワーの大きな領域では相数の大きな三相運転の方が単相運転より損失が小さくなっているが、所定の通過パワーPth以下の領域では単相運転の方が三相運転より損失が小さくなっており、逆転現象が生じている。これをコンバータ全体の変換効率で見ると、相対的に小さい通過パワーの場合には三相運転の効率より単相運転の効率の方が高くなっている。そこで本発明では比較的通過パワーの小さい領域においては相数の少ない単相運転とし、通過パワーが大きくなった場合には、相数の大きな三相運転に切り換えて運転することを特徴とする。
ここで、相ごとの全損失の大小関係が逆転している通過パワーPthより大きいか小さいかで運転する相数を切り換えることができるが、このような通過パワーを実測値により検出することには手間がかかる。また、通過パワーが高いほど切り換えに生ずるハンチング等の不都合が大きくなる傾向にある。このようなことから、本実施形態では、ある程度小さな通過パワーの領域で単相と三相とを切り換えるように制御する。例えば、図5に示すように、第1電力値P1と第2電力値P2を相数切換のしきい値とする。
すなわち、図3に示すように、本実施形態では、DC−DCコンバータ20を三相で運転している場合には、通過パワーが第1電力値P1(例えば4kW)より小さくなった場合に単相運転に切り換えるように制御する。また、単相運転時には、通過パワーが第1電力値より大きい第2電力値(例えば5kW)を超えた場合に三相運転に切り換えるように制御する。このように二つのしきい値を持たせるのは、切り換え動作時に生じうるハンチング(発振のような不安定な現象)を防止するためである。すなわち、図3に示すように、このような動作シーケンスは、ヒステリシスループを形成するようになる。このため一旦運転する相数が変更されると安定状態に入り、相数の切り換え後に元の相数に戻ったりまた切り換わったりする不安定なハンチング状態を除去することが可能となるからである。
次に、図2のフローチャートを参照して、本ハイブリッド燃料電池システム1の電源制御動作を説明する。
まず、電源制御部10は、図示しない水素圧センサ(例えば、燃料電池スタックのアノード側ガス通路に設けたもの)・温度センサ(例えば、燃料電池スタックの冷却液出口に設けられたもの)からの検出信号を参照して、燃料電池スタック22の出力電流−出力電圧(I−V)特性を特定する(S1)。燃料ガスである水素の供給圧が一定である場合、燃料電池の出力電流と出力電圧との関係は一義的に定まる。またこの関係は燃料電池の温度にも影響を受ける。ROM103等には水素の供給圧ごとに、このような温度とI−V特性との関係を特定するデータテーブルが格納されており、電源制御部10はこのテーブルを参照して検出された温度に対応する出力電流−出力電圧特性を決定することができる。検出された温度に対応するデータテーブルが存在しない場合にはその前後の温度についてのデータテーブルを参照して、それぞれのデータテーブル上の特性値を検出された温度で加重平均して近似した出力電流−出力電圧特性を計算する。
次に当該ハイブリッド燃料電池システム1における負荷量を求めるため、電源制御部10はアクセル位置信号Sa(加速要求値)及びシフト位置信号Ss(前進、後進、変速比要求値)を参照し(S2)、三相モータ25に必要なトルク(負荷)を計算する(S3)。このトルクの量はインバータ24が出力すべき三相交流電力の実効電力となる。また、インバータ24やコンバータ20で生ずる電力損失も加昧して、電源制御部10はシステム全体に要求される要求出力パワーPrを決定する(S4)。
負荷量が小さい場合、要求出力パワーPrを補うような燃料電池スタック22の目標発電量Pfcが出力電流−出力電圧特性から求められ(S5)、その発電量Pfcを出力可能な出力端子電圧となるよう、コンバータ20の二次側電圧が制御信号Ccによって制御される。二次側電圧の変更のみでは、燃料電池スタック22による発電量では要求出力パワーPrの総てを賄いきれない場合には、電源制御部10は燃料ガスや空気供給量を変化させてI−V特性を変更してパワーの不足分を補うように制御する。
ところが、始動時や加速時等、急激に負荷量が上がる場合、燃料電池の応答性や出力制限が原因で、燃料ガスや空気供給量の増加によっては急激に変化した負荷量を一時補い切れない場合がある。このような場合には、二次電池21から電力がコンバータ20経由で二次側に供給されるようになる。このような場合に本発明の制御が必要となる。
電源制御部10は、電力収支計算を実施することによって、二次電池21からインバータ24に供給しなければならない電力、すなわちコンバータ通過パワーPcを計算する(S6)。負荷量が小さい場合にはこの電力収支計算の結果は電力収支が均衡している、すなわちコンバータ通過パワーPcがほぼゼロであることになる。
一方、電力収支計算の結果、一部の電力を二次電池21から補わなければならない場合、コンバータ通過パワーPcは電力収支の差分に相当する値になる。
電源制御部10は、DC−DCコンバータ20が三相運転中であるか否かによって、相数を切り換えるしきい値を変化させる(S8)。すなわち現在三相運転中である場合(S8:YES)、図5から判るように、比較的高い通過パワーであれば効率が良く、低い通過パワーになるほど効率が落ちる。このため、電源制御部10は、第1電力値P1と通過パワーPcとを比較し(S10)、第1電力値P1より通過パワーPcが大きい場合には(NO)、そのまま三相運転を続けるが、第1電力値P1以下に通過パワーPcがなった場合には(YES)、相対的に小さい通過パワーの場合に効率がよい単相運転に切り換える制御信号Ccを出力する(S11)。
一方、現在すでに単相運転である場合(S8:NO)、比較的低い通過パワーであれば効率が良いが高い通過パワーになると効率が落ちる。このため、電源制御部10は、第2電力値P2と通過パワーPcとを比較し(S12)、第2電力値P2より通過パワーPcが小さい場合には(NO)そのまま単相運転を続けるが、第2電力値P2以上に通過パワーPcがなった場合には(YES)、相対的に高い通過パワーの場合に効率が良い三相運転に切り換えるための制御信号Ccを出力する(S13)。
なお、上記動作において、電力収支を推定してコンバータ通過パワーを算出していたが、電流センサ15及び電圧センサ16からコンバータ20の一次側電力を実測し、電流センサ17及び電圧センサ18から二次側電力を実測して、その差からコンバータ20の通過パワーを算出するようにしてもよい。
以上、本実施形態の処理によれば、DC−DCコンバータ20の通過パワーPcの電力値に応じてその電力値で効率が良い相数が選択され、その相数による運転が実行されるので、コンバータの動作まで考慮した効率のよいハイブリッド燃料電池システム1を提供することができる。
(その他の実施形態)
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では三相運転と単相運転とを切り換えたが、異なる組合せ、例えば三相運転と二相運転とを切り換えたり、二相運転と単相運転とを切り換えたりする制御であってもよい。
また上記実施形態では、三相ブリッジ形コンバータを例示したが、当該回路構成に限定されるわけではない。複数相(二相以上)によって駆動され、独立して相を切り換え可能な電圧変換器であれば本発明を適用可能であり、本発明の作用効果を奏するように運転可能である。
また上記実施形態では、コンバータを単相運転と三相運転との間で切り替えていたが、通過パワーに対応させて、単相から複数相まで何段階にも連続的に切り替えたり、複数相から単相まで何段階も連続的に切り替えたりしてもよい。
また上記実施形態では、コンバータの通過パワーとしで、通過電流と端子電圧との積である狭義の電力値を用いる他、入出力変換エネルギー量や作動仕事量の相当値や一定条件における電流値や電圧値等に基づいて相数を変換可能に構成されていてもよい。
Claims (8)
- 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、
該電圧変換器は複数相を複数備えるものであって、
該電圧変換器を通過するパワーの相当値に応じて、該電圧変換器で使用させる該相の数を変更する制御部を備える、ハイブリッド燃料電池システム。 - 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムにおいて、
前記電圧変換器は複数相を備えるものであって、
前記電圧変換器の入出力変換エネルギー量または作動仕事量の相当値に応じて運転する相数を変更可能に構成されていること、を特徴とするハイブリッド燃料電池システム。 - 前記相当値が所定値より少ない場合には、当該相当値が当該所定値より以上の場合に運転する相数より少ない相数で運転される、請求項1または2に記載のハイブリッド燃料電池システム。
- 前記電圧変換器は、複数の相数で運転する複数相運転と単相で運転する単相運転とを切り換えるものであって、
前記複数相運転時には、前記相当値が第1の値より小さくなった場合に前記単相運転に切り換え、
前記単相運転時には、前記相当値が前記第1の値より大きい第2の値を超えた場合に前記複数相運転に切り換える、請求項1または2に記載のハイブリッド燃料電池システム。 - 前記電圧変換器は三相ブリッジ形コンバータであり、前記相当値に応じて運転する相数を変更するよう制御される、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のハイブリッド燃料電池システム。
- 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブリッド燃料電池システムの電圧変換制御方法において、
該電圧変換器が複数相を備えている場合に、
該電圧変換器を通過するパワーの相当値を検出し、
検出された該相当値に対応させて、使用する該相の数が変更される、ハイブリッド燃料電池システムの電圧変換制御方法。 - 前記相当値が所定値より少ない場合には、当該相当値が当該所定値より以上の場合に運転する相数より少ない相数が使用される、請求項6に記載のハイブリッド燃料電池システムの電圧変換制御方法。
- 前記電圧変換器が、複数の相数で運転する複数相運転と単相で運転する単相運転とを切り換え可能な場合に、
前記複数相運転時には、前記相当値が第1の値より小さくなった場合に前記単相運転に切り換え、
前記単相運転時には、前記相当値が前記第1の値より大きい第2の値を超えた場合に前記複数相運転に切り換えられる、請求項6または7に記載のハイブリッド燃料電池システムの電圧変換制御方法。
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