KR101229337B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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노부유키 기타무라
고타 마나베
히로유키 이마니시
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

구동모터의 구동을 더욱 확실하게 확보하기 위하여, 연료전지로부터 공급되는 전력의 전압이 구동모터를 구동시키는데 필요한 전압을 확보하고 있는지를 판단함으로써 승압장치의 승압동작을 적절히 행하고, 해당 승압장치에 의한 스위칭 손실의 억제를 도모한다. 연료전지시스템은, 부하의 구동을 위한 동력원이고, 전력에 의해 구동되는 구동모터와, 산소를 포함하는 산화가스와 수소를 포함하는 연료가스의 전기화학반응에 의하여 발전을 행하여 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지와, 연료전지로부터 출력되는 전압을 승압하고, 승압 후의 전압을 구동모터에 공급하는 것이 가능한 제 1 승압장치와, 연료전지의 출력전압과 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전압과의 상관관계에 의거하여, 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 제어하는 승압 제어수단을 구비한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 전기화학반응으로 전력을 발전하는 연료전지로부터의 전력을 구동모터에 공급하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
최근, 운전 효율 및 환경성이 우수한 전원으로서 연료전지가 주목받고 있다. 연료전지는 연료가스의 공급량을 제어하여 구동모터로부터의 요구에 따른 전력을 출력하나, 가스 공급량의 응답 지연에 기인하여, 출력 전력의 응답성이 낮아지는 경우가 있고, 그 보상을 위해 2차 전지가 탑재되는 경우가 있다. 이 2차 전지는, 구동모터의 감속 시에 발생하는 회생 에너지나, 연료전지에서 발전된 전력을 축전하여, 상기 연료전지의 응답성의 저하의 보상이나, 또한 연료전지시스템 전체의 출력의 증가 등의 목적으로, 그 축전 에너지를 방전한다.
여기서, 연료전지와 2차 전지를 병렬로 접속하여 전원을 구성하는 연료전지시스템에서는, 연료전지의 출력전압이나 2차 전지의 출력전압을 DC-DC 컨버터로 변환함으로써, 양자의 병용을 도모하고 있다. 그리고, 이 DC-DC 컨버터에 의한 스위칭 손실을 고려하여, 구동모터로부터의 요구 출력에 의거하여, 연료전지로부터의 출력을 전압 변환하는 DC-DC 컨버터의 구동을 제어하는 기술이 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1을 참조.). 이 기술에 의하면, 구동모터의 요구 출력이 소정의 문턱값 이하인 경우는, DC-DC 컨버터를 전기적인 직결상태로 하여, 연료전지의 출력이 2차 전지의 출력보다 우선하여, 구동모터에 공급된다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2007-184243호 공보
[특허문헌 2]
일본국 특개2006-310271호 공보
[특허문헌 3]
일본국 특개2005-348530호 공보
[특허문헌 4]
일본국 특개2007-209161호 공보
[특허문헌 5]
일본국 특개2003-235162호 공보
[특허문헌 6]
일본국 특개2000-36308호 공보
연료전지를 구동모터에 대한 전력 공급원으로 하는 연료전지시스템에서, 연료전지와 구동모터의 사이에, 해당 연료전지의 출력전압을 승압시키는 승압장치를 설치함으로써, 여러가지 장점을 향수할 수 있다. 예를 들면, 승압장치에 의한 전압 승압의 결과, 구동모터의 구동에 적합한 전압을 인가하는 것이 가능해지기 때문에, 해당 구동모터의 구동 능력을 향상시키는 것이 가능해진다. 그러나, 그 한편으로, DC-DC 컨버터 등의 승압장치에는, 통상 스위치 소자가 사용되기 때문에, 그 스위칭 손실에 의해 연료전지시스템 전체의 효율이 저하될 염려가 있다.
그래서, DC-DC 컨버터 등의 승압장치를 상시 가동시키는 것은 아니고, 단속적으로 가동시킴으로써 승압장치에 의한 스위칭 손실을 억제하는 것이 가능해진다. 그러나, 승압장치를 정지시키고 있는 동안은, 당연히 구동모터에 승압 후의 전압을 인가할 수 없어, 구동모터의 구동에 지장을 초래하는 경우를 생각할 수 있다.
즉, 연료전지로부터 공급된 전력에 의해 구동모터를 구동하고, 부하를 원하는 상태에 이르게 하기 위해서는, 그것에 필요한 에너지를 구동모터에 공급할 필요가 있기 때문에, 그 결과, 연료전지의 출력이 결정되게 된다(또한, 연료전지 이외의 에너지 공급원이 있는 경우에는, 그것이 가미되어 연료전지의 출력이 결정된다.). 그러나, 구동모터의 구동에서는, 필요한 전력은 동일하여도, 그 구동속도 등의 구동상태에 따라 구동모터를 구동시키는데 필요한 전압이 변동하는 경우가 있다. 그리고, 구동모터의 안정적인 구동을 확보하기 위해서는, 연료전지로부터 공급되는 전력의 전압이, 구동모터를 구동시키는데 필요한 전압을 확보하고 있을 필요가 있다. 환언하면, 구동모터의 구동상태와 그 전기 특성과의 사이에는 무엇인가의 상관관계가 존재하여, 이 상관관계를 무시하고 구동모터를 구동하는 것은 물리적으로 곤란하다.
본 발명은, 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 구동모터의 안정적인 구동의 확보와 연료전지시스템의 효율 향상을 양립하도록, 연료전지로부터 공급되는 전력의 전압이 구동모터를 구동시키는데 필요한 전압을 확보하고 있는지를 판단하고, 또는 승압장치에 의한 연료전지의 출력전압을 승압하는 타이밍을 적절하게 판단하여, 승압장치의 승압 동작을 적절하게 행하게 하고, 해당 승압장치에 의한 스위칭 손실의 억제를 도모하는 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 상기 과제를 해결하기 위하여, 연료전지의 출력전압과, 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전압과의 비교에 의한 양자의 상관관계에 의거하여, 연료전지의 출력전압을 승압하는 승압장치의 제어를 행하는 것으로 하였다. 즉, 본 발명은, 이와 같이 연료전지의 출력전압과 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전압 사이의 상관관계가, 구동모터의 물리적 구동을 확보하기 위하여 중요하다는 것에 착안한 것이다.
그래서, 상세하게는, 본 발명은, 부하의 구동을 위한 동력원이고, 전력에 의해 구동되는 구동모터와, 산소를 포함하는 산화가스와 수소를 포함하는 연료가스의 전기화학반응에 의해 발전을 행하여 상기 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지와, 상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 승압하여, 승압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능한 제 1 승압장치와, 상기 연료전지의 출력전압과 상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전압과의 상관관계에 의거하여, 상기 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 제어하는 승압 제어수단을 구비하는, 연료전지시스템이다.
상기 연료전지시스템은, 연료전지와 구동모터의 사이에 제 1 승압장치가 배치됨으로써, 제 1 승압장치에 의해 승압된 전압이, 구동모터에 공급되게 된다. 연료전지의 출력전압에 의해 구동모터를 구동시킬지, 연료전지의 출력전압을 승압시킨 후의 전압에 의해 구동모터를 구동시킬지는, 연료전지의 출력전압이 구동모터의 구동에 필요한 전압을 확보하고 있는지의 여부에 의한다.
여기서, 연료전지의 출력전압이란, 연료전지가 전력 공급원으로서 발전을 행하여, 구동모터의 구동에 공급되는 전력의 전압이고, 모터 필요 전압이란, 부하를 원하는 상태에 이르게 하도록 구동모터에 소정의 구동력을 발휘시키기 위하여 해당 구동모터에 공급되는 전력의 전압이다. 따라서, 연료전지의 출력전압에 의해 구동모터를 구동시킬지, 연료전지의 출력전압을 승압시킨 후의 전압에 의해 구동모터를 구동시킬지를, 연료전지의 출력전압과 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전압과의 상관관계에 의거하여 결정하는 것이 중요하다. 즉, 연료전지의 출력전압이 구동모터의 필요 전압보다 높은 경우에는, 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 행하지 않아도 구동모터의 동작을 확보할 수 있다.
한편, 연료전지의 출력전압이 구동모터의 필요 전압보다 낮은 경우에는, 가령 구동모터의 구동을 위해 충분한 전력이 연료전지로부터 공급되었다 하여도, 그대로는 구동모터의 안정적인 동작을 확보하는 것은 곤란하게 되는 경우가 있어, 제 1 승압장치에 의한 전압 승압이 필요하게 된다. 그래서, 본 발명에 관한 연료전지시스템에서는, 연료전지의 출력전압과 구동모터의 모터 필요 전압과의 상관관계에 의거하여, 승압 제어수단이, 제 1 승압장치의 승압 동작을 제어함으로써, 구동모터의 안정적인 구동을 확보하면서, 제 1 승압장치의 전압 승압에 의한 스위칭 손실을 억제할 수 있다.
또, 상기한 연료전지시스템에서, 상기 승압 제어수단은, 상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전력과, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압 시에 있어서 손실되는 전력에 의거하여 상기 구동모터의 구동 시에서의 상기 연료전지의 출력전력을 산출하고, 해당 산출된 상기 연료전지의 출력전력으로부터 상기 연료전지의 출력전압을 산출하도록 하여도 된다.
모터 필요 전압의 비교대상이 되는 연료전지의 출력전압은, 연료전지의 출력전력으로부터 산출하는 것이 가능하다. 예를 들면, 연료전지의 출력전력으로부터 연료전지의 전류전력 특성 및 전압전력 특성에 의거하여 연료전지의 출력전압을 산출할 수 있다. 여기서, 연료전지의 출력전력은, 연료전지가 전력 공급원으로서 발전을 행함에 따라 생기고, 그 일부가 구동모터의 구동에 공급된다. 제 1 승압장치에서 승압 동작이 행하여진 경우, 제 1 승압장치에 의한 스위칭 손실이 발생할 수 있다. 제 1 승압장치에 의한 스위칭 손실이 발생하는 경우, 제 1 승압장치에 의한 스위칭 손실을 가미하여 연료전지의 출력전력을 산출된다. 제 1 승압장치에 의한 스위칭 손실을 고려하여 연료전지의 출력전압을 산출함으로써, 모터 필요 전압과 연료전지의 출력전압을 더욱 적절하게 비교하는 것이 가능해진다.
또, 상기한 연료전지시스템에서, 전력의 충전 및 방전이 가능하고 해당 방전에 의해 상기 구동모터에 전력을 공급하는 2차 전지를 더 구비하고, 상기 승압 제어수단은, 상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전력과, 상기 2차 전지의 충방전에서의 전력에 의거하여 상기 구동모터의 구동 시에 있어서의 상기 연료전지의 출력전력을 산출하고, 해당 산출된 상기 연료전지의 출력전력으로부터 상기 연료전지의 출력전압을 산출하도록 하여도 된다.
여기서, 2차 전지의 충방전에서의 전력이란, 2차 전지에 충전되는 전력이나 2차 전지로부터 방전되는 전력이다. 2차 전지의 잔축전량이 2차 전지의 충방전을 변환하기 위한 문턱값 이상인 경우, 즉, 2차 전지가 방전상태에 있는 경우, 2차 전지로부터 방전되는 전력은, 구동모터에 공급 가능하게 되어, 연료전지의 출력전력이 감소하는 경향이 된다. 또, 2차 전지의 잔축전량이 2차 전지의 충방전을 변환하기 위한 문턱값 미만인 경우, 즉, 2차 전지가 충전상태에 있는 경우, 연료전지의 출력전력은, 2차 전지에 공급 가능하게 되어, 연료전지의 출력전력이 증가하는 경향이 된다. 즉, 2차 전지가 충전상태 또는 방전상태에 있는지에 따라, 연료전지의 출력전력이 변동하는 결과, 연료전지의 출력전압도 변동한다. 그래서, 2차 전지가 충전상태에 있는 경우, 2차 전지에 충전되는 전력을 가미하여 연료전지의 출력전력을 산출된다. 또, 2차 전지가 방전상태에 있는 경우, 2차 전지로부터 방전되는 전력을 가미하여 연료전지의 출력전력을 산출된다. 2차 전지의 충방전상태를 고려하여 연료전지의 출력전압을 산출함으로써, 모터 필요 전압과 연료전지의 출력전압을더욱 적절하게 비교하는 것이 가능해진다.
또, 상기한 연료전지시스템에서, 상기 승압 제어수단은, 상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전력과, 상기 2차 전지의 충방전에서의 전력과, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압 시에 있어서 손실되는 전력에 의거하여 상기 구동모터의 구동 시에 있어서의 상기 연료전지의 출력전력을 산출하고, 해당 산출된 상기 연료전지의 출력전력으로부터 상기 연료전지의 출력전압을 산출하도록 하여도 된다. 이에 의하여, 2차 전지의 충방전상태 및 제 1 승압장치에 의한 스위칭 손실을 고려하여 연료전지의 출력전압을 산출함으로써, 모터 필요 전압과 연료전지의 출력전압을 더욱 적절하게 비교하는 것이 가능해진다.
또, 상기한 연료전지시스템에서, 상기 2차 전지로부터 출력되는 전압을 승압하고, 승압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능한 제 2 승압장치를 더 구비하고, 상기 승압 제어수단은, 상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전력과, 상기 2차 전지의 충방전에서의 전력과, 상기 제 2 승압장치에 의한 상기 2차 전지의 출력전압의 승압 시에 있어서 손실되는 전력에 의거하여 상기 구동모터의 구동 시에 있어서의 상기 연료전지의 출력전력을 산출하고, 해당 산출된 상기 연료전지의 출력전력으로부터 상기 연료전지의 출력전압을 산출하도록 하여도 된다. 제 2 승압장치에서 승압 동작이 행하여진 경우, 제 2 승압장치에 의한 스위칭 손실이 발생할 수 있다. 제 2 승압장치에 의한 스위칭 손실이 발생하는 경우, 제 2 승압장치에 의한 스위칭 손실을 가미하여 연료전지의 출력전력을 산출된다. 2차 전지의 충방전상태 및 제 2 승압장치에 의한 스위칭 손실을 고려하여 연료전지의 출력전압을 산출함으로써, 모터 필요 전압과 연료전지의 출력전압을 더욱 적절하게 비교하는 것이 가능해진다.
또, 상기한 연료전지시스템에 있어서, 상기 승압 제어수단은, 상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전력과, 상기 2차 전지의 충방전에서의 전력과, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압 시에 있어서 손실되는 전력과, 상기 제 2 승압장치에 의한 상기 2차 전지의 출력전압의 승압 시에 있어서 손실되는 전력에 의거하여 상기 구동모터의 구동 시에 있어서의 상기 연료전지의 출력전력을 산출하고, 해당 산출된 상기 연료전지의 출력전력으로부터 상기 연료전지의 출력전압을 산출하도록 하여도 된다. 이에 의하여, 2차 전지의 충방전상태, 제 1 승압장치에 의한 스위칭 손실 및 제 2 승압장치에 의한 스위칭 손실을 고려하여 연료전지의 출력전압을 산출함으로써, 모터 필요 전압과 연료전지의 출력전압을 더욱 적절하게 비교하는 것이 가능해진다.
또, 상기한 연료전지시스템에서, 상기 2차 전지로부터 출력되는 전압을 승강압하고, 승강압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능한 승강압장치를 더 구비하고, 상기 승압 제어수단은, 상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전력과, 상기 2차 전지의 충방전에서의 전력과, 상기 승강압장치에 의한 상기 2차 전지의 출력전압의 승강압 시에 있어서 손실되는 전력에 의거하여 상기 구동모터의 구동 시에 있어서의 상기 연료전지의 출력전력을 산출하고, 해당 산출된 상기 연료전지의 출력전력으로부터 상기 연료전지의 출력전압을 산출하도록 하여도 된다.
승강압장치에서 승강압 동작이 행하여진 경우, 승강압장치에 의한 스위칭 손실이 발생할 수 있다. 승강압장치에 의한 스위칭 손실이 발생하는 경우, 승강압장치에 의한 스위칭 손실을 가미하여 연료전지의 출력전력을 산출된다. 2차 전지의 충방전상태 및 승강압장치에 의한 스위칭 손실을 고려하여 연료전지의 출력전압을 산출함으로써, 모터 필요 전압과 연료전지의 출력전압을 더욱 적절하게 비교하는 것이 가능해진다.
또, 상기한 연료전지시스템에 있어서, 상기 승압 제어수단은, 상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전력과, 상기 2차 전지의 충방전에서의 전력과, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압 시에 있어서 손실되는 전력과, 상기 승강압장치에 의한 상기 2차 전지의 출력전압의 승강압 시에 있어서 손실되는 전력에 의거하여 상기 구동모터의 구동 시에 있어서의 상기 연료전지의 출력전력을 산출하고, 해당 산출된 상기 연료전지의 출력전력으로부터 상기 연료전지의 출력전압을 산출하도록 하여도 된다. 이에 의하여, 2차 전지의 충방전상태, 제 1 승압장치에 의한 스위칭 손실 및 승강압장치에 의한 스위칭 손실을 고려하여 연료전지의 출력전압을 산출함으로써, 모터 필요 전압과 연료전지의 출력전압을 더욱 적절하게 비교하는 것이 가능해진다.
또, 상기한 연료전지시스템에 있어서, 상기 승압 제어수단은, 또한 상기 구동모터에 인가되는 전압과 상기 구동모터의 구동 효율과의 상관관계에 의거하여, 상기 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 제어하도록 하여도 된다. 구동모터에 인가되는 전압에 의해서는, 구동모터의 구동 효율이 변동하는 경우가 있다. 예를 들면, 구동모터에 인가되는 전압이 높은 경우와 낮은 경우에서는, 구동모터의 구동 효율이 다른 경우가 있고, 구동모터에 인가되는 전압과 구동모터의 구동 효율과의 사이에는 상관관계가 있다. 구동모터에 인가되는 전압과 구동모터의 구동 효율과의 상관관계에 의거하여, 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 제어함으로써, 구동모터의 구동 효율이 양호해지는 전압을 구동모터에 인가하는 것이 가능하게 되었다.
또, 상기한 연료전지시스템에서, 상기 승압 제어수단은, 또한 상기 구동모터에 인가되는 전압과 상기 구동모터의 구동 효율과의 상관관계에 의거하여, 상기 제 1 승압장치에 의한 전압 승압 및 상기 제 2 승압장치에 의한 전압 승압을 제어하도록 하여도 된다. 이에 의하여, 구동모터의 구동 효율이 양호해지는 전압을 구동모터에 인가하는 것이 가능해진다. 또, 상기한 연료전지시스템에 있어서, 상기 승압 제어수단은, 또한 상기 구동모터에 인가되는 전압과 상기 구동모터의 구동 효율과의 상관관계에 의거하여, 상기 제 1 승압장치에 의한 전압 승압 및 상기 승강압장치에 의한 전압 승강압을 제어하도록 하여도 된다. 이에 의하여, 구동모터의 구동 효율이 양호해지는 전압을 구동모터에 인가하는 것이 가능해진다.
또, 상기한 연료전지시스템에 있어서, 상기 연료전지의 출력전압이 상기 구동모터의 상기 모터 필요 전압보다 높을 때, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 금지하고, 또한 해당 연료전지의 출력전압을 해당 구동모터에 직접 공급하도록 하여도 된다. 상기한 바와 같이, 연료전지의 출력전압이 구동모터의 모터 필요 전압보다 높은 경우에는, 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 행하지 않아도 구동모터의 동작을 확보하는 것이 가능해지기 때문에, 승압 제어수단에 의해 제 1 승압장치의 승압 동작이 금지되고, 제 1 승압장치에서의 스위칭 손실을 완전히 억제하여, 연료전지시스템 전체의 효율을 향상시키는 것이 가능해진다.
또, 본 발명을 다른 측면에서도 파악하는 것이 가능하다. 이 경우, 본 발명에서는, 상기 과제를 해결하기 위하여, 연료전지의 출력전압과, 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전압과의 사이에 소정의 상관관계를 설정함과 동시에, 그 상관관계에 의거하여, 연료전지의 출력전압을 승압하는 승압장치의 제어를 행하는 것으로 하였다. 즉, 본 발명은, 이와 같이 구동모터의 모터 필요 전압과 연료전지의 출력전압과의 상관관계가, 구동모터의 물리적 구동을 확보하기 위하여 매우 중요하다는 것에 착안을 한 것이다.
그래서, 상세하게는, 본 발명은, 부하의 구동을 위한 동력원이고, 전력에 의해 구동되는 구동모터와, 산소를 포함하는 산화가스와 수소를 포함하는 연료가스와의 전기화학반응에 의해 발전을 행하여 상기 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지로서, 해당 구동모터의 구동범위의 일부인 소정 구동범위에서, 해당 연료전지의 출력전압이, 해당 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전압을 초과하도록 설정된 연료전지와, 상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 승압하고, 승압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능한 제 1 승압장치와, 상기 구동모터의 구동시에 있어서의 상기 연료전지의 출력전압과 해당 구동모터의 상기 모터 필요 전압과의 상관관계에 의거하여, 상기 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 제어하는 승압 제어수단을 구비하는, 연료전지시스템이다. 그리고, 이 제 1 승압장치는, 그 승압 동작을 거쳐 해당 연료전지의 단자 전압을 제어 가능한 것이 바람직하다.
상기 연료전지시스템은, 연료전지와 구동모터의 사이에 제 1 승압장치가 배치됨으로써 제 1 승압장치에 의해 승압된 전압이, 구동모터에 공급되게 된다. 여기서, 연료전지의 출력전압과, 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전압과의 사이에는, 상기와 같이, 구동모터의 소정 구동범위에서는, 연료전지의 출력전압이 모터 필요 전압을 초과하도록 설정되어 있다. 여기서, 소정 구동범위란, 구동모터가 부하를 구동시키기 위하여 채용할 수 있는 모든 구동상태의 범위 중, 그 일부의 범위를 말하며, 당해 소정 구동범위의 설정은 적절하게 임의로 행할 수 있다. 또, 연료전지의 출력전압이란, 연료전지가 전력 공급원으로서 발전을 행하여, 구동모터의 구동에 공급되는 전력의 전압이고, 모터 필요 전압이란, 부하를 원하는 상태에 이르게 하도록 구동모터에 소정의 구동력을 발휘시키기 위하여 해당 구동모터에 공급되는 전력의 전압이다.
따라서, 구동모터의 동작상태가 상기 소정 구동범위에 속하는 경우는, 연료전지의 출력전압이 구동모터의 모터 필요 전압을 초과하는 상관관계가, 연료전지와 구동모터의 사이에 존재하고, 한편으로 해당 구동모터의 동작상태가 상기 소정 구동범위에 속하지 않는 경우에는, 반대로 연료전지의 출력전압이 구동모터의 모터 필요 전압 이하가 되는 상관관계가, 연료전지와 구동모터의 사이에 존재하게 된다. 여기서, 이 상관관계는 구동모터의 물리적 동작을 확보하기 위해서는 매우 중요하다. 즉, 당해 상관관계에서, 연료전지의 출력전압이 구동모터의 필요 전압을 초과하는 경우에는, 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 행하지 않아도 구동모터의 동작을 확보할 수 있다. 한편으로, 연료전지의 출력전압이 구동모터의 필요 전압을 초과하지 않는 경우에는, 가령 구동모터의 구동을 위해 충분한 전력이 연료전지로부터 공급되었다 하여도, 그대로는 해당 구동모터의 안정적인 동작을 확보하는 것은 곤란해지는 경우가 있어, 제 1 승압장치에 의한 전압 승압이 필요하게 된다.
그래서, 본 발명에 관한 연료전지시스템에서는, 연료전지의 출력전압과 구동모터의 모터 필요 전압과의 상관관계에 의거하여, 승압 제어수단이, 제 1 승압장치의 승압 동작을 제어함으로써, 구동모터의 안정적인 구동을 확보하면서, 제 1 승압장치의 전압 승압에 의한 스위칭 손실을 가급적 억제할 수 있다. 또, 이 승압 제어수단에 의해 구동모터의 모든 구동범위에 걸쳐 연료전지의 출력전압의 승압을 행할 필요가 없어지기 때문에, 구동모터의 모터 필요 전압과 공급되는 전압과의 전압차를 작게 억제할 수 있고, 아울러 구동모터의 구동 시에 에너지의 쓸데없는 소비가 일어나기 어렵게 된다.
여기서, 상기 연료전지시스템에서, 상기 구동모터의 구동상태가 상기 소정 구동범위에 속할 때, 또는 상기 연료전지시스템에서의 상기 제 1 승압장치의 입력측의 전압이 상기 모터 필요 전압보다 높을 때, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 제한하고, 또한 해당 연료전지의 출력전압을 해당 구동모터에 직접 공급하도록 하여도 된다.
상기한 바와 같이, 구동모터의 구동상태가 소정 구동범위에 속할 때는, 연료전지의 출력전압이 모터 필요 전압을 초과하는 것이 가능하다. 환언하면, 이 경우, 제 1 승압장치의 입력측의 전압이, 모터 필요 전압보다 높아질 수 있다. 이와 같은 경우에는, 상기한 바와 같이, 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 행하지 않아도 구동모터의 동작을 확보하는 것이 가능해지기 때문에, 승압 제어수단에 의해 제1 승압장치의 승압 동작이 제한되고, 아울러 제 1 승압장치에서의 스위칭 손실을 완전히 억제하여, 연료전지시스템 전체의 효율을 향상시키는 것이 가능해진다.
또, 상기한 연료전지시스템에서, 상기 소정 구동범위는, 사용자의 상기 부하에 대한 구동 요구를 소정 비율 이상 충족시키는 경우의, 상기 구동모터의 구동이 요구되는 구동범위로 하여도 된다. 즉, 소정 구동범위의 설정에 대해서는, 연료전지시스템의 사용자의 임의이나, 바람직하게는, 사용자의 부하에 대한 구동 요구를 고려하여 설정된다. 통상, 부하를 구동하려고 하는 경우, 사용자는 그 구동범위를 항상 같게 이용하는 기회는 적고, 빈번하게 이용하는 범위가 존재하는 경향이 있다. 예를 들면, 저, 중간 출력이 요구되는 구동범위의 쪽이, 고출력이 요구되는 구동범위보다 이용 빈도는 높다. 그래서, 이 이용빈도가 높은 구동범위, 즉 부하에 대한 구동 요구의 빈도가 소정 비율 이상인 구동범위에 상기 소정 구동범위를 설정함으로써, 연료전지시스템에서의 제 1 승압장치의 승압 동작의 정지 빈도를 높이는 것이 가능해져, 해당 연료전지시스템의 효율 향상에 기여한다.
여기서, 상기한 연료전지시스템에서, 전력의 축전 및 방전이 가능하고 해당 방전에 의해 상기 구동모터에 전력을 공급하는 2차 전지로서, 상기 소정 구동범위의 적어도 일부의 제 2 소정 구동범위에서, 해당 2차 전지의 최대의 출력전압이, 상기 연료전지의 최대의 출력전압보다 낮게 설정되는 2차 전지와, 상기 2차 전지로부터 출력되는 전압을 승압하고, 승압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능한 제 2 승압장치를 더 구비하도록 하여도 된다. 그리고, 상기 제 2 승압장치는, 그 승압 동작을 거쳐 연료전지시스템으로부터 구동모터에 대하여 인가되어야 할 전압, 예를 들면 구동모터에 인버터가 구비되는 경우에는 해당 인버터에 대한 인가 전압을 제어 가능한 것이 바람직하다.
이와 같이 구성되는 연료전지시스템에서는, 연료전지의 경우와 마찬가지로, 2차 전지에 축전되어 있는 전력을 제 2 승압장치로 전압 승압하여 구동모터에 제공하는 것이 가능해진다. 단, 이 제 2 승압장치가 강압을 행하지 않는 승압형의 장치로서 전압 승압을 행하기 위해서는, 제 2 승압장치의 입구측의 전압, 즉 2차 전지의 출력전압이, 제 2 승압장치의 출구측의 전압, 즉 구동모터측의 전압보다 낮아지지 않으면 안된다. 그리고, 이 구동모터에는 연료전지 또는 제 1 승압장치로부터의 전압이 공급된다. 이상을 근거로 하면, 연료전지로부터 출력되고, 제 1 승압장치에 의한 전압 승압이 행하여지는지의 여부에 상관없이 구동모터에 공급된 전압이, 2차 전지의 출력전압 이하가 되면, 2차 전지로부터의 전력공급이 곤란해진다.
그래서, 2차 전지로부터의 전력 공급을 가능하게 하고 또한 연료전지시스템의 효율 향상을 위해 제 1 승압장치의 승압 동작 정지를 가능하게 하기 위하여, 제2 소정 구동범위에서, 2차 전지의 최대의 출력전압이, 연료전지의 최대의 출력전압보다 낮게 설정된다. 이에 의하여, 제 2 승압장치의 승압 동작 가능한 기회가 반드시 확보됨과 동시에, 소정 구동범위의 일부인 제 2 소정 구동범위에서는, 상기한 바와 같이 제 1 승압장치의 승압 동작을 정지하고 연료전지시스템의 효율을 향상시키는 것이 가능해진다. 또는, 제 2 승압장치의 승압 동작도 구동, 정지를 변환하는 기회가 생기고, 이에 의하여 연료전지시스템의 효율 향상이 도모된다.
그래서, 상기 구동모터의 구동상태가 상기 제 2 소정 구동범위에 속할 때, 또는 상기 연료전지시스템에서의 상기 제 1 승압장치의 입력측의 전압이 상기 모터 필요 전압보다 높고 또한 해당 입력측의 전압이 상기 2차 전지의 최대의 출력전압보다 높을 때, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 제한하고, 또한 해당 연료전지의 출력전압을 해당 구동모터에 직접 공급하도록 하여도 된다.
상기한 바와 같이, 구동모터의 구동상태가 제 2 소정 구동범위에 속할 때는, 연료전지의 출력전압이 모터 필요 전압을 초과하고, 또한 제 2 승압장치의 승압 동작이 확보된다. 환언하면, 이 경우, 제 1 승압장치의 입력측의 전압이 모터 필요 전압보다 높아질 수 있고, 또한 그 입력측의 전압이 2차 전지의 출력전압보다 높아질 수 있다. 이와 같은 경우에는, 상기한 바와 같이, 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 행하지 않아도 구동모터의 동작을 확보하는 것이 가능해지고, 또한 제 2 승압장치의 승압 동작은 확보되기 때문에, 승압 제어수단에 의해 제 1 승압장치의 승압 동작이 제한됨으로써, 제 1 승압장치에서의 스위칭 손실을 완전히 억제하여, 연료전지시스템 전체의 효율을 향상시키는 것이 가능해진다.
여기서, 제 2 승압장치의 승압 동작을 확보하도록 제 1 승압장치를 동작시키면, 제 1 승압장치에서의 승압 동작에 기인하는 스위칭 손실에 의해 연료전지시스템의 효율에 영향을 미치게 한다. 그래서, 구동모터의 안정적인 구동을 적극 저해하지 않고, 또한 제 1 승압장치에 의한 스위칭 손실을 조금이라도 많이 억제하기 위하여, 승압 제어수단에 의한 이하의 처리가 행하여지는 것이 바람직하다.
즉, 상기 구동모터의 구동상태가 상기 제 2 소정 구동범위를 제외한 상기 소정 구동범위에 속할 때, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 제한하고, 또한 상기 2차 전지로부터 상기 구동모터에 대한 전력 공급 능력을 통상의 전력 공급 시보다 일시적으로 증가시키도록 하여도 된다. 이와 같은 경우, 승압 제어수단이 제 1 승압장치의 승압 동작을 제한함으로써, 연료전지시스템의 효율 향상을 도모한다.
한편으로, 제 1 승압장치에 의한 전압 승압이 행하여지지 않기 때문에, 2차 전지의 출력전압에 따라서는, 제 2 승압장치의 구동을 충분히 확보하기 어렵게 되나, 그것을 보상하도록 2차 전지로부터 구동모터에 대한 전력 공급 능력이 통상의 전력 공급 시보다 일시적으로 증가된다. 예를 들면, 연료전지의 단자 전압을 구동모터가 필요로 하는 최저 전압으로 제어한 상태에서, 그 전압으로 출력되는 연료전지 출력 이상의 출력을 2차 전지에 내게 하는 것도 가능하다.
또, 마찬가지로 제 1 승압 컨버터의 승압 동작을 제한하고, 또한 2차 전지에 의한 전력 공급 능력을 일시적으로 증가시키는 경우로서, 상기 연료전지시스템에 서의 상기 제 1 승압장치의 입력측의 전압이 상기 2차 전지의 최대의 출력전압 이하이고, 또한 해당 연료전지시스템에서의 해당 제 1 승압장치의 출력측의 전압이 해당 2차 전지의 최대의 출력전압 이하일 때를 들 수 있다. 즉, 제 2 승압 컨버터의 전압 승압을 확보할 수 없을 가능성이 있는 경우에는, 제 1 승압장치의 승압 동작을 제한함으로써, 연료전지시스템의 효율 향상을 도모하면서, 2차 전지로부터 구동모터에 대한 전력 공급 능력이 통상의 전력 공급 시보다 일시적으로 증가함으로써, 제 2 승압장치의 구동을 가급적 확보하도록 한다.
여기서, 상기한 연료전지시스템에서, 상기 제 2 소정 구동범위는, 상기 소정 구동범위와 일치하도록 하여도 된다. 즉, 소정 구동범위에서, 2차 전지의 최대 출력전압이 연료전지의 최대 출력전압보다 낮게 설정되게 된다. 이와 같이 연료전지의 출력전압과, 2차 전지의 출력전압과, 구동모터의 모터 필요 전압이 상관관계를 가짐으로써, 제 1 승압장치의 승압 동작정지에 의한 연료전지시스템의 효율 향상과, 제 2 승압장치에 의한 승압된 전압의 공급을 양립하는 것이 가능해진다.
또, 상기한 제 2 승압장치는, 또한 상기 2차 전지로부터 출력되는 전압을 강압하고, 강압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는, 이른바 승강압형의 변압이 가능한 장치이어도 된다. 이 경우, 상기 구동모터의 구동상태가 상기 제 2 소정 구동범위에 속하는지의 여부에 상관없이 상기 소정 구동범위에 속해 있으면, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 제한하고, 또한 해당 연료전지의 출력전압을 해당 구동모터에 직접 공급할 수 있다. 즉, 2차 전지와 연료전지의 출력전압의 상관에 관계없이, 제 1 승압장치의 승압 동작을 제한할 수 있어, 연료전지시스템의 효율 향상이 더욱 도모된다. 환언하면, 제 2 승압장치가 승강압형인 것에 의하여, 연료전지의 출력전압과의 상관관계에 관계없이, 2차 전지로부터의 출력을 승압 또는 강압하여 구동모터에 공급 가능하다.
본 발명에 관한 연료전지시스템에 의하면, 구동모터의 안정적인 구동의 확보와 연료전지시스템의 효율 향상을 양립하도록, 연료전지로부터 공급되는 전력의 전압이 구동모터를 구동시키는데 필요한 전압을 확보하고 있는지를 판단하고, 또는 승압장치에 의한 연료전지의 출력전압을 승압하는 타이밍을 적절하게 판단하여, 승압장치의 승압 동작을 적절하게 행하게 하고, 해당 승압장치에 의한 스위칭 손실의 억제를 도모하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 연료전지시스템의 개략 구성을 나타내는 도,
도 2는 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 전기회로 구성을 나타내는 도면으로서, 특히 FC 승압 컨버터의 전기회로 구성을 나타내는 제 1의 도,
도 3은 도 2에 나타내는 FC 승압 컨버터에서 행하여지는 전압 승압을 위한 소프트 스위칭 처리의 흐름을 나타내는 플로우차트,
도 4A는 도 3에 나타내는 소프트 스위칭 처리의 모드 1의 동작이 행하여질 때의, FC 승압 컨버터에서의 전류의 흐름을 개략적으로 나타내는 도,
도 4B는 도 3에 나타내는 소프트 스위칭 처리의 모드 2의 동작이 행하여질 때의, FC 승압 컨버터에서의 전류의 흐름을 개략적으로 나타내는 도,
도 4C는 도 3에 나타내는 소프트 스위칭 처리의 모드 3의 동작이 행하여질 때의, FC 승압 컨버터에서의 전류의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면,
도 4D는 도 3에 나타내는 소프트 스위칭 처리의 모드 4의 동작이 행하여질 때의, FC 승압 컨버터에서의 전류의 흐름을 개략적으로 나타내는 도,
도 4E는 도 3에 나타내는 소프트 스위칭 처리의 모드 5의 동작이 행하여질 때의, FC 승압 컨버터에서의 전류의 흐름을 개략적으로 나타내는 도,
도 4F는 도 3에 나타내는 소프트 스위칭 처리의 모드 6의 동작이 행하여질 때의, FC 승압 컨버터에서의 전류의 흐름을 개략적으로 나타내는 도,
도 5는 종래의 연료전지시스템에서 설정되는, 연료전지의 출력전압과 모터구동을 위한 모터 필요 전압과의 상관관계를 나타내는 도,
도 6은 본 발명의 실시예에 관한 연료전지시스템에서 설정되는, 연료전지의 출력전압과 모터구동을 위한 모터 필요 전압과의 상관관계를 나타내는 도,
도 7A는 본 발명의 실시예에 관한 연료전지시스템에서 설정되는, 연료전지의 IV 특성과 배터리의 IV 특성과의 상관관계를 나타내는 제 1 도,
도 7B는 본 발명의 실시예에 관한 연료전지시스템에서 설정되는, 연료전지의 IV 특성과 배터리의 IV 특성과의 상관관계를 나타내는 제 2 도,
도 8A는 본 발명의 실시예에 관한 연료전지에서, FC 승압 컨버터의 입구 전압을 가로축으로 하고, 그 출구 전압을 세로축으로 하여 형성되는 동작영역에 대하여, 해당 FC 승압 컨버터에서 실행되는 처리를 관련지어 표시한 제 1 맵,
도 8B는 본 발명의 실시예에 관한 연료전지에서, FC 승압 컨버터의 입구 전압을 가로축으로 하고, 그 출구 전압을 세로축으로 하여 형성되는 동작영역에 대하여, 해당 FC 승압 컨버터에서 실행되는 처리를 관련지어 표시한 제 2 맵,
도 9는 도 3에 나타내는 소프트 스위칭 처리의 모드 2의 동작이 행하여질 때의, 설명의 편의를 위해, FC 승압 컨버터 내에서 실제로 가동하고 있는 부분만을 발췌하여 기재한 도,
도 10A는 본 발명의 실시예에 관한 FC 승압 컨버터의 출구 전압과 해당 입구전압과의 비(VH/VL)와, 도 3에 나타내는 소프트 스위칭 처리의 모드 2의 동작이 행하여질 때의 방전 시의 스너버 콘덴서에 남는 전압과의 상관관계를 나타내는 제 1 도,
도 10B는 본 발명의 실시예에 관한 FC 승압 컨버터의 출구 전압과 해당 입구전압과의 비(VH/VL)와, 도 3에 나타내는 소프트 스위칭 처리의 모드 2의 동작이 행하여질 때의 방전 시의 스너버 콘덴서에 남는 전압과의 상관관계를 나타내는 제 2 도,
도 11A는 본 발명의 실시예에 관한 연료전지시스템의 효율화를 촉진하기 위하여, FC 승압 컨버터에서 행하여지는 제어의 흐름을 나타내는 플로우차트,
도 11B는 본 발명의 실시예에 관한 연료전지시스템의 효율화를 촉진하기 위하여, FC 승압 컨버터에서 행하여지는 제어의 흐름을 나타내는 플로우차트,
도 12A는 본 발명의 실시예에 관한 연료전지시스템에서, 인버터에 인가하는 전압이 높은 경우에서의 부하의 효율 특성의 영역을 표시한 맵,
도 12B는 본 발명의 실시예에 관한 연료전지시스템에서, 인버터에 인가하는 전압이 중간인 경우에서의 부하의 효율 특성의 영역을 표시한 맵,
도 12C는 본 발명의 실시예에 관한 연료전지시스템에서, 인버터에 인가하는 전압이 낮은 경우에서의 부하의 효율 특성의 영역을 표시한 맵,
도 12D는 본 발명의 실시예에 관한 인버터에 인가되는 전압과 부하의 효율 특성과의 상관을 나타내는 도,
도 12E는 본 발명의 실시예에 관한 인버터에 인가되는 전압과 부하의 효율 특성과의 상관을 나타내는 도,
도 13은 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 전기회로 구성을 나타내는 도면으로서, 특히 FC 승압 컨버터의 전기회로 구성을 나타내는 제 2 도,
도 14는 도 13에 나타내는 FC 승압 컨버터에서 행하여지는 전압 승압을 위한 소프트 스위칭 처리의 흐름을 나타내는 플로우차트
도 15는 본 발명의 실시예에 관한 FC 승압 컨버터의 출구 전압과 해당 입구 전압과의 비(VH/VL)와, 도 14에 나타내는 소프트 스위칭 처리의 모드 2의 동작이 행하여질 때의 방전 시의 스너버 콘덴서에 남는 전압과의 상관관계를 나타내는 도,
도 16은 본 발명의 실시예에 관한 연료전지시스템이 정지한 상태로부터 모터에 전력을 공급하기 위하여 시동할 때의, FC 승압 컨버터의 제어에 관한 플로우차트,
도 17A는 컨버터에서의 스루 모드를 모식적으로 나타내는 제 1 도,
도 17B는 컨버터에서의 바이패스 모드를 모식적으로 나타내는 도,
도 17C는 컨버터에서의 스루 모드를 모식적으로 나타내는 제 2 도,
도 17D는 컨버터에서의 스루 모드를 모식적으로 나타내는 제 3 도이다.
본 발명에 관한 연료전지시스템(10)의 실시형태에 대하여 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(10)은, 이동체인 차량(1)의 구동장치인 구동모터(16)에 대하여 전력을 공급하는 것이나, 선박이나 로봇 등의 차량(1) 이외의 이동체나, 이동은 행하지 않으나 전력의 공급을 받을 필요가 있는 것에 대해서도 적용이 가능하다.
실시예 1
도 1은, 본 발명에 관한 연료전지시스템(10)의 개략 구성 및, 해당 연료전지시스템(10)으로부터 공급되는 전력을 구동원으로 하는 이동체의 차량(1)을 개략적으로 나타낸다. 차량(1)은, 구동륜(2)이 구동모터(이하, 단순히 「모터」라 한다.)(16)에 의해 구동됨으로써 자주하여, 이동 가능해진다. 이 모터(16)는, 이른바 3상 교류모터로서, 인버터(15)로부터 교류전력의 공급을 받는다. 또한, 이 인버터(15)에는, 연료전지시스템(10)의 메인 전력원인 연료전지(이하, 「FC」라고도 한다.)(11)와, 2차 전지인 배터리(13)로부터 직류전력이 공급되고, 그것이 인버터(15)에 의해 교류로 변환되어 있다.
여기서, 연료전지(11)는, 수소 탱크(17)에 저장되어 있는 수소가스와 컴프레서(18)에 의해 압송되어 오는 공기 중 산소와의 전기화학반응에 의해 발전을 행하고, 해당 연료전지(11)와 인버터(15)의 사이에는, 승압형의 DC-DC 컨버터인 FC 승압 컨버터(12)가 전기적으로 접속되어 있다. 이에 의하여, 연료전지(11)로부터의 출력전압은, FC 승압 컨버터(12)에 의해 제어 가능한 범위에서 임의의 전압으로 승압되어, 인버터(15)에 인가된다. 또, 이 FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작에 의해연료전지(11)의 단자 전압을 제어하는 것도 가능해진다. 또한, FC 승압 컨버터(12)의 상세한 구성에 대해서는, 뒤에서 설명한다. 또, 배터리(13)는, 충방전이 가능한 축전장치로서, 해당 배터리(13)와 인버터(15)의 사이에 해당 인버터(15)에 대하여 상기 FC 승압 컨버터(12)와 병렬이 되도록, 승압형의 배터리 승압 컨버터(14)가 전기적으로 접속되어 있다. 이에 의하여, 배터리(13)로부터의 출력전압은, 배터리 승압 컨버터(14)에 의하여 제어 가능한 범위에서 임의의 전압으로 승압되어, 인버터(15)에 인가된다. 또, 이 배터리 승압 컨버터(14)의 승압 동작에 의해 인버터(15)의 단자 전압을 제어하는 것도 가능해진다. 또한, 도 1 에서 나타내는 바와 같이, 연료전지시스템(10)에서는, 승압형의 배터리 승압 컨버터(14) 대신, 승압 동작 및 강압 동작이 가능한 승강압형의 컨버터도 채용 가능하다. 이하의 실시예에서는, 주로 배터리 승압 컨버터(14)를 승압형의 컨버터로서 설명을 진행시켜 가나, 이것에는 승강압형의 컨버터의 채용을 제한할 의도는 없고, 그 채용 시에는 적절하게 조정이 행하여진다. 그리고, 승강압형 컨버터를 채용함으로써 더욱 특필해야 할 사실에 대해서는 적절하게 그 개시를 행하여 간다.
또 차량(1)에는, 전자제어 유닛(이하, 「ECU」라 한다.)(20)이 구비되고, 상기한 각 제어대상에 전기적으로 접속됨으로써, 연료전지(11)의 발전이나 모터(16)의 구동 등이 제어되게 된다. 예를 들면, 차량(1)에는, 사용자로부터의 가속 요구를 받는 액셀러레이터 페달이 설치되고, 그 개방도가 액셀러레이터 페달센서(21)에 의해 검출되고, 그 검출신호가 ECU(20)에 전기적으로 전해진다. 또, ECU(20)는, 모터(16)의 회전수를 검출하는 인코더에도 전기적으로 접속되고, 이에 의하여 ECU(20)로 모터(16)의 회전수가 검출된다. ECU(20)는, 이들 검출값 등에 의거하여, 각종 제어가 가능하다.
이와 같이 구성되는 연료전지시스템(10)에서는, 차량(1)의 사용자가 밟은 액셀러레이터 페달의 개방도가 액셀러레이터 페달센서(21)에 의해 검출되고, ECU(20)가 그 액셀러레이터 개방도와 모터(16)의 회전수 등에 의거하여, 연료전지(11)의 발전량이나 배터리(13)로부터의 충방전량이 적절하게 제어된다. 여기서, 이동체인 차량(1)의 연비를 향상시키기 위하여, 모터(16)가 고전압 저전류 사양의 PM 모터로 되어 있다. 따라서, 모터(16)는, 저전류로 높은 토오크를 발휘하는 것이 가능해지기 때문에, 모터 내부의 권선이나 그 밖의 배선에서의 발열을 경감하는 것이 가능해지고, 또 인버터(15)의 정격출력을 작게 하는 것이 가능해진다. 구체적으로는, 모터(16)에서는 저전류로 비교적 큰 토오크 출력을 가능하게 하기 위하여 그 역기전압이 비교적 높게 설정되는 한편으로, 그 높은 역기전압에 저항하여 고회전수로의 구동이 가능해지도록, 연료전지시스템(10)으로부터의 공급전압이 높게 설정된다. 이때, 연료전지(11)와 인버터(15)의 사이에 FC 승압 컨버터(12)를 설치하고, 배터리(13)와 인버터(15)의 사이에도 배터리 승압 컨버터(14)를 설치함으로써, 인버터(15)에 대한 공급 전압의 고전압화가 도모된다. 반복은 되나, 이 배터리 승압 컨버터(14) 대신 승강압형의 컨버터도 채용 가능하다.
이와 같이 연료전지시스템(10)을 FC 승압 컨버터(12)를 포함하는 구성으로 함으로써, 연료전지(11) 자체의 출력전압(단자간 전압)이 낮아도, FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작에 의해 모터(16)를 구동하는 것이 가능해지기 때문에, 연료전지(11)의 셀 적층 매수를 저감하는 등으로 하여 그 소형화를 도모하는 것도 가능해진다. 그 결과, 차량(1)의 중량을 저감할 수 있고, 그 연비향상을 더욱 촉진할 수있다.
여기서, 연료전지시스템(10)에서는, 발전 가능한 연료전지(11)가 모터(16)에 대한 메인 전력원으로 되어 있다. 따라서, 연료전지시스템(10)의 효율을 향상시키기 위해서는, 연료전지(11)와 인버터(15)의 사이에 개재하는 FC 승압 컨버터(12)에서의 전력 손실을 저감하는 것이, 시스템 전체의 효율 향상에 크게 기여한다고 생각된다. 물론, 배터리(13)와 인버터(15) 사이의 배터리 승압 컨버터(14)에도 원칙적으로 동일한 것이 적합하다.
여기서, 도 2에 의거하여, FC 승압 컨버터(12)의 전기회로의 특징에 대하여 설명한다. 도 2는, FC 승압 컨버터(12)를 중심으로 하여, 연료전지시스템(10)의 전기적 구성을 나타내는 도면이나, 설명을 간편하게 하기 위하여 배터리(13) 및 배터리 승압 컨버터(14)의 기재는 생략하고 있다.
FC 승압 컨버터(12)는, DC-DC 컨버터로서의 승압 동작을 행하기 위한 주승압회로(12a)와, 뒤에서 설명하는 소프트 스위칭 동작을 행하기 위한 보조회로(12b)로 구성되어 있다. 주승압회로(12a)는, 스위치 소자(S1)와 다이오드(D4)로 구성되는 스위칭회로의 스위치동작에 의해, 코일(L1)에 축적된 에너지를 모터(16)측[인버터(15)측]으로 다이오드(D5)를 거쳐 해방함으로써 연료전지(11)의 출력전압을 승압한다. 구체적으로는, 코일(L1)의 한쪽 끝이 연료전지(11)의 고전위측의 단자에 접속된다. 그리고, 스위치 소자(S1)의 한쪽 끝의 극이, 코일(L1)의 다른쪽 끝에 접속됨과 동시에, 해당 스위치 소자(S1)의 다른쪽 끝의 극이, 연료전지의 저전위측의 단자에 접속되어 있다. 또, 다이오드(D5)의 캐소드 단자가 코일(L1)의 다른쪽 끝에 접속되고, 또한, 콘덴서(C3)가, 다이오드(D5)의 애노드 단자와 스위치 소자(S1)의 다른쪽 끝과의 사이에 접속되어 있다. 또한, 이 주승압회로(12a)에서, 콘덴서(C3)는, 승압 전압의 평활 콘덴서로서 기능한다. 또한, 주승압회로(12a)에는, 연료전지(11)측에 평활 콘덴서(C1)도 설치되고, 이에 의하여 연료전지(11)의 출력전류의 리플을 저감하는 것이 가능해진다. 이 평활 콘덴서(C3)에 인가되는 전압(VH)은, FC 승압 컨버터(12)의 출구 전압이 된다. 또, 도 2에서는, 연료전지(11)의 전원전압을 VL로 나타내고, 이것은 평활 콘덴서(C1)에 인가되는 전압으로서, 또한 FC 승압 컨버터(12)의 입구 전압이 된다.
다음에, 보조회로(12b)에는, 먼저 스위치 소자(S1)에 병렬로 접속된, 다이오드(D3)와, 그것에 직렬로 접속된 스너버 콘덴서(C2)를 포함하는 제 1 직렬 접속체가 포함된다. 이 제 1 직렬 접속체에서는, 다이오드(D3)의 캐소드 단자가 코일(L1)의 다른쪽 끝에 접속되고, 그 애노드 단자가 스너버 콘덴서(C2)의 한쪽 끝에 접속되어 있다. 또한, 해당 스너버 콘덴서(C2)의 다른쪽 끝은, 연료전지(11)의 저전위측의 단자에 접속되어 있다. 또한, 보조회로(12b)에는, 유도소자인 코일(L2)과, 다이오드(D2)와, 스위치소자(S2) 및 다이오드(D1)로 구성되는 스위칭회로가 직렬로 접속된 제 2 직렬 접속체가 포함된다. 이 제 2 직렬 접속체에서는, 코일(L2)의 한쪽 끝이, 제 1 직렬 접속체의 다이오드(D3)와 스너버 콘덴서(C2)의 접속부위에 접속된다. 또한, 다이오드(D2)의 캐소드 단자가, 코일(L2)의 다른쪽 끝에 접속됨과 동시에, 그 애노드 단자가, 스위치 소자(S2)의 한쪽 끝의 극에 접속된다. 또, 스위치 소자(S2)의 다른쪽 끝은, 코일(L1)의 한쪽 끝측에 접속된다. 또한, 이 제 2 직렬 접속체의 회로 토폴로지에 대해서는, 코일(L2), 다이오드(D2), 스위치 소자(S2) 등에 의한 스위칭회로의 직렬 순서는, 적절하게 교체한 형태도 채용할 수 있다. 특히, 도 2에 나타내는 상태 대신, 코일(L2)과 스위치소자(S2) 등에 의한 스위칭회로의 순서를 교체함으로써, 실제의 실장회로에서는 코일(L1)과 코일(L2)은 일체화할 수 있어, 반도체소자의 모듈화가 용이해진다.
이와 같이 구성되는 FC 승압 컨버터(12)는, 스위치 소자(S1)의 스위칭 듀티비를 조정함으로써, FC 승압 컨버터(12)에 의한 승압비, 즉 FC 승압 컨버터(12)에 입력되는 연료전지(11)의 출력전압에 대한, 인버터(15)에 인가되는 FC 승압 컨버터(12)의 출력전압의 비가 제어된다. 또, 이 스위치 소자(S1)의 스위칭동작에서 보조회로(12b)의 스위치 소자(S2)의 스위칭동작을 개재시킴으로써, 뒤에서 설명하는 이른바 소프트 스위칭이 실현되어, FC 승압 컨버터(12)에서의 스위칭 로스를 크게 저감시키는 것이 가능해진다.
다음에, FC 승압 컨버터(12)에서의 소프트 스위칭에 대하여, 도 3, 도 4A∼도 4F에 의거하여 설명한다. 도 3은, 소프트 스위칭동작을 거친 FC 승압 컨버터(12)에서의 승압을 위한 1 사이클의 처리(이하, 「소프트 스위칭 처리」라고 한다.)의 플로우차트이다. 당해 소프트 스위칭 처리는, S101∼S106의 각 처리가 ECU(20)에 의해 차례로 행하여져 1 사이클을 형성하나, 각 처리에 의한 FC 승압 컨버터(12)에서의 전류, 전압이 흐르는 모드를 각각 모드 1 ∼ 모드 6으로서 표현하고, 그 상태를 도 4A∼도 4F에 나타낸다. 이하, 이들 도면에 의거하여, FC 승압 컨버터(12)에서의 소프트 스위칭 처리에 대하여 설명한다. 또한, 도 4A∼도 4F에서는, 도면의 표시를 간결하게 하기 위하여, 주승압회로(12a)와 보조회로(12b)의 참조번호의 기재는 생략하고 있으나, 각 모드의 설명에서는, 각 회로를 인용하는 경우가 있다. 또, 각 도면에서, 굵은 화살표로 나타내는 것은 회로를 흐르는 전류를 의미하고 있다.
또한, 도 3에 나타내는 소프트 스위칭 처리가 행하여지는 초기 상태는, 연료전지(11)로부터 인버터(15) 및 모터(16)에 전력이 공급되고 있는 상태, 즉 스위치소자(S1, S2)가 함께 턴 오프됨으로써, 코일(L1), 다이오드(D5)를 거쳐 전류가 인버터(15)측으로 흐르고 있는 상태이다. 따라서, 당해 소프트 스위칭 처리의 1 사이클이 종료하면, 이 초기 상태와 동질의 상태에 이르게 된다.
소프트 스위칭 처리에서, 먼저 S101에서는 도 4A에 나타내는 모드 1의 전류·전압상태가 형성된다. 구체적으로는, 스위치 소자(S1)는 턴 오프의 상태에서 스위치 소자(S2)를 턴온한다. 이와 같이 하면, FC 승압 컨버터(12)의 출구 전압(VH)과 입구 전압(VL)의 전위차에 의해, 코일(L1) 및 다이오드(D5)를 거쳐 인버터(15)측으로 흐르고 있던 전류가, 보조회로(12b)측으로 서서히 이행하여 간다. 또한, 도 4A 에서는, 그 전류의 이행의 모양을
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표로 나타내고 있다.
다음에, S102에서는, S101의 상태가 소정 시간 계속되면, 다이오드(D5)를 흐르는 전류가 제로가 되고, 대신 스너버 콘덴서(C2)와 연료전지(11)의 전압(VL)과의 전위차에 의하여, 스너버 콘덴서(C2)에 축전되어 있던 전하가 보조회로(12b)측으로 흘러 들어 간다(도 4B에 나타내는 모드 2의 상태). 이 스너버 콘덴서(C2)는, 스위치 소자(S1)에 인가되는 전압을 결정하는 기능을 가지고 있다. 스위치 소자(S1)를턴온할 때에 해당 스위치 소자(S1)에 인가되는 전압에 영향을 미치는 스너버 콘덴서(C2)의 전하가, 모드 2에서는 보조회로(12b)로 흘러 듦으로써, 스너버 콘덴서(C2)에 인가되는 전압이 저하하여 간다. 이때, 코일(L2)과 스너버 콘덴서(C2)의 반파 공진에 의하여, 스너버 콘덴서(C2)의 전압이 제로가 될 때까지, 전류는 계속 흐른다. 이 결과, 뒤에서 설명하는 S103에서의 스위치 소자(S1)의 턴온 시의 그 인가 전압을 내리는 것이 가능해진다.
또한, S103에서는, 스너버 콘덴서(C2)의 전하가 다 빠져버리면, 스위치 소자(S1)가 다시 턴온되어, 도 4C에 나타내는 모드 3의 전류·전압상태가 형성된다. 즉, 스너버 콘덴서(C2)의 전압이 제로가 된 상태에서는 스위치 소자(S1)에 인가되는 전압도 제로가 되고, 그리고, 그 상태에서 스위치 소자(S1)를 턴온함으로써, 스위치 소자(S1)를 제로 전압상태로 한 다음에 그곳으로 전류를 흘리기 시작하게 되기 때문에, 스위치 소자(S1)에서의 스위칭 손실을 이론상, 제로로 할 수 있다.
그리고, S104에서는, S103의 상태가 계속됨으로써, 코일(L1)로 흘러 들어가는 전류량을 증가시켜, 코일(L1)에 축적되는 에너지를 서서히 늘려 간다. 이 상태가, 도 4D에 나타내는 모드 4의 전류·전압상태이다. 그 후, 코일(L1)에 원하는 에너지가 축적되면, S105에서, 스위치 소자(S1, S2)가 턴 오프된다. 그렇게 하면, 상기 모드 2에서 전하가 없어져 저전압 상태로 되어 있는 스너버 콘덴서(C2)에 전하가 충전되고, FC 승압 컨버터(12)의 출구 전압(VH)과 동일 전압에 이른다. 이 상태가, 도 4E에 나타내는 모드 5의 전류·전압상태이다. 그리고, 스너버 콘덴서(C2)가 전압(VH)까지 충전되면, S106에서 코일(L1)에 축적된 에너지가 인버터(15)측으로 해방된다. 이 상태가, 도 4F에 나타내는 모드 6의 전류·전압상태이다. 또한, 이 모드 5가 행하여질 때, 스위치 소자(S1)에 인가되는 전압은 스너버 콘덴서(C2)에 의해 전압의 스타트가 지연되기 때문에, 스위치 소자(S1)에서의 테일전류에 의한 스위칭 손실을 더욱 작게 할 수 있다.
상기한 바와 같이 S101∼S106의 처리를 1 사이클로 하여 소프트 스위칭 처리를 행함으로써, FC 승압 컨버터(12)에서의 스위칭 손실을 가급적 억제한 다음에, 연료전지(11)의 출력전압을 승압하여 인버터(15)에 공급 가능해진다. 그 결과, 고전압 저전류 모터인 모터(16)를 효율적으로 구동하는 것이 가능해진다.
여기서, 연료전지시스템(10)에서는, 상기 소프트 스위칭 처리에 더하여, FC 승압 컨버터(12)의 간헐 운전 제어를 행함으로써, 시스템 효율을 향상시킨다. 설명을 간결하게 하기 위하여, 연료전지(11)와 인버터(15) 및 모터(16)의 관계에 착안하면, 모터(16)에 대한 메인 전력원인 연료전지(11)로부터의 전력은, FC 승압 컨버터(12)를 거쳐 인버터(15)측으로 공급된다. 그리고, 메인 전력원인 연료전지(11)가 모터(16)의 구동 시에 인버터(15)에 인가해야 할 전압은, 모터(16)의 역기전력에 충분히 저항할 수 있는 전압이 아니면 안된다. 따라서, 상기 FC 승압 컨버터(12)가 구비되어 있지 않은 종래의 연료전지시스템에서는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 차량(1)이 채용할 수 있는 속도 범위(0∼VSmax)에서, LV1로 나타내는 연료전지에 의해 인가되는 전압이, 항상 모터 구동에 필요한, 인버터(15)에 인가해야 할 전압(이하, 「모터 필요 전압」이라 한다.)을 초과한 상태로 하지 않으면 안된다. 그 때문에, 인버터에 인가되어야 할 전압을 크게 초과한 전압이 인버터에 인가되게 되어, 인버터의 스위칭 손실이 커지게 되어 있었다. 그리고, 특히 차량(1)의 속도가 낮은 영역에서는, 인버터의 스위칭 손실이 현저해질 수 있다.
여기서, 본 발명에 관한 연료전지시스템(10)에서는, FC 승압 컨버터(12)가 설치되어 있기 때문에, 연료전지(11)로부터의 전압을 승압하여 인버터(15)에 인가하는 것은 가능하다. 그러나, 이 FC 승압 컨버터(12)에 의한 승압 동작에서는, 스위치 소자에 의한 무엇인가의 스위칭 손실이 발생하기 때문에, 당해 승압 동작은 시스템의 효율을 저하시키는 하나의 원인이 된다. 한편으로, 상기한 바와 같이, 모터(16)는 고전압 저전류 사양의 모터이기 때문에, 그 회전수의 상승에 따라 발생하는 역기전압도 커지게 되어, FC 승압 컨버터(12)에 의한 승압 동작은 불가결해진다.
그래서, 연료전지(11)로부터의 출력전압과 인버터(15)에 인가해야 할 모터 필요 전압의 상관을, 도 6에서 각각 LV1, LV2로 나타낸다. 도 6의 LV2로 나타내는 바와 같이, 모터(16)의 역기전압은, 차량(1)의 속도가 상승하여 감에 따라, 증가하여 가기 때문에, 모터 필요 전압도 차량 속도의 증가와 함께 증가하여 간다. 여기서, 연료전지(11)의 출력전압(LV1)과 모터 필요 전압(LV2)과의 상관에서, 양자가 교차할 때의 차량(1)의 속도(VS0)가, 사용자에 의한 차량(1)의 통상 조종을 대강 처리하는 속도가 되도록, 연료전지(11)의 전압 특성과 모터(16)의 전압 특성을 결정하면 된다. 본 실시예에서는, 차량 운전 법규나 사용자의 통상 조종의 경향 등으로부터, VSO를 110 km/h로 설정한다. 그리고, 이 속도(VS0)에서의 차량(1)의 주행을 가능하게 하는 모터(16)의 구동 시의 최대 출력을 산출하고, 당해 최대 출력의 발휘가 가능해지도록, 인버터(15)에 인가해야 할 전압(모터 필요 전압)을 도출한다. 그리고, 이 모터 필요 전압이, FC 승압 컨버터(12)를 거치지 않고 연료전지(11)로부터 직접 출력이 가능해지도록, 연료전지(11)의 설계(예를 들면, 복수의 셀이 적층되어 형성되는 연료전지에서는, 그 적층 셀수가 조정되는 등)가 행하여진다.
이와 같이 설계된 연료전지(11)를 포함하는 연료전지시스템(10)에서는, 차량(1)의 속도가 VS0에 이르기까지의 동안은, 연료전지(11)로부터의 출력전압이, 모터(16)를 구동하기 위한 모터 필요 전압보다 높기 때문에, 가령 모터(16)가 고전압 저전류 사양의 모터이어도, FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작이 없어도 연료전지(11)로부터의 직접의 출력전압에 의해 해당 모터(16)를 구동하는 것이 가능해진다. 환언하면, 이 조건 하에서는, FC 승압 컨버터(12)에 의한 스위칭동작을 정지시켜, 연료전지(11)로부터의 출력전압을 인버터(15)에 인가함으로써, 모터(16)의 구동을 확보할 수 있게 된다. 이에 의하여, FC 승압 컨버터(12)에서의 스위칭 손실을, 완전히 배제할 수 있다. 나아가서는, FC 승압 컨버터(12)가 정지함으로써 인버터(15)에 인가되는 전압이 과도하게 높아지지 않기 때문에, 즉, 도 5에 나타내는 상태보다 LV1과 LV2의 전압차를 작게 억제할 수 있기 때문에, 인버터(15)에서의 스위칭 손실을 낮게 억제할 수 있다. 또한, 이 도 6에서, 연료전지(11)의 출력전압이 모터 필요 전압보다 높은 상태가 되는 모터(16)의 구동범위[차량(1)을 속도 0∼VS0로 하는 모터(16)의 구동범위]가, 본 발명에 관한 소정 구동범위에 상당한다.
한편으로, 차량(1)의 차량 속도가 VS0 이상이 되면, 반대로 모터(16)를 구동하기 위한 모터 필요 전압이, 연료전지(11)로부터의 출력전압보다 높아지기 때문에, FC 승압 컨버터(12)에 의한 승압 동작이 필요하게 된다. 이 경우, 상기한 소프트 스위칭 처리를 행함으로써, FC 승압 컨버터(12)에서의 스위칭 손실을 가급적 억제하는 것이 가능해진다.
상기까지는, 설명의 간편화를 위해, 연료전지(11)와 모터(16)의 상관에만 착안하고 있으나, 도 1에 나타내는 바와 같이 연료전지시스템(1)에서는, 모터(16)에 대하여 배터리(13)로부터의 전력 공급도 가능하다. 배터리(13)로부터 전력 공급되는 경우는, 배터리(13)로부터의 출력전압이 배터리 승압 컨버터(14)에 의해 승압된 다음에, 인버터(15)에 인가되게 된다. 여기서, 배터리 승압 컨버터(14)는, 이른바승압 컨버터이기 때문에, 배터리(13)로부터 인버터(15)에 전력 공급을 행하기 위해서는, 배터리 승압 컨버터(14)의 출구 전압[인버터(15)측의 전압이며, FC 승압 컨버터(12)의 출구 전압과 동등]이, 그 입구 전압[배터리(13)측의 전압]과 비교하여 동일하거나, 또는 더 높은 상태가 아니면 안된다.
그래서, 배터리(13)의 출력전압과 연료전지(11)의 출력전압의 상관에 대하여, 도 7A 및 도 7B에 의거하여 설명한다. 양 도면에서는, 모두 배터리(13)의 IV 특성(도면에서, 점선 LBT로 나타낸다.)과, 연료전지(11)의 IV 특성(도면에서, 실선 LFC으로 나타낸다.)이 나타나 있다. 여기서, 도 7A에서, 연료전지(11)의 IV 특성 (LFC)이 배터리(13)의 IV 특성(LBT)보다 높은 영역에서는, FC 승압 컨버터(12)를 정지시켰다 하여도 배터리(13)의 출력전압이 FC 승압 컨버터(12)의 출구 전압보다 낮은 상태가 되기 때문에, 배터리 승압 컨버터(14)가 승압 동작 가능하게 되고, 아울러 배터리(13)로부터 모터(16)에 대한 전력공급을 할 수 있다. 따라서, 이 상태에서는 FC 승압 컨버터(12)의 동작정지가 허용된다. 한편으로, 배터리(13)의 IV 특성(LBT)이, 연료전지(11)의 IV 특성(LFC)보다 높은 영역에서는, FC 승압 컨버터(12)를 정지시키면 배터리(13)의 출력전압이 FC 승압 컨버터(12)의 출구 전압보다 높은 상태가 되기 때문에, 배터리 승압 컨버터(14)의 승압 동작에 의한 연료전지(11)와 배터리(13)의 출력 분배 제어가 불가능해진다. 따라서, 이 상태에서는 FC 승압 컨버터(12)의 동작정지가 허용되지 않는다.
즉, 배터리 승압 컨버터(14)에 의해 배터리(13)로부터의 출력전압을 승압하여, 모터(16)에 전압을 인가하는 경우에는, FC 승압 컨버터(12)의 출구 전압이, 배터리(13)의 출력전압[배터리 승압 컨버터(14)의 입구 전압)보다 높은 상태를 형성할 필요가 있고, 그 때문에 FC 승압 컨버터(12)의 동작 정지가 허용되지 않는 경우가 있다. 예를 들면, 도 7A에 나타내는 바와 같이, 비교적 저전류 영역에서, 연료전지(11)의 IV 특성(LFC)이 배터리(13)의 IV 특성(LBT)보다 낮아지는 경우에는, 배터리 승압 컨버터(14)의 승압 동작을 확보하기 위하여, FC 승압 컨버터(12)의 동작정지는 허용되지 않고, 그 결과, 상기한 스위칭 손실의 저감을 도모하는 가능성이 저하한다. 한편으로, 예를 들면, 도 7B에 나타내는 바와 같이, 연료전지(11)의 IV 특성(LFC)이 배터리(13)의 IV 특성(LBT)보다 항상 위에 있는 경우에는, 배터리 승압 컨버터(14)의 승압 동작확보의 관점에서, FC 승압 컨버터(12)의 동작정지가 제한되는 일은 없다. 이 도 7A, 도 7B에서, 배터리(13)의 IV 특성(LBT)이, 연료전지(11)의 IV 특성(LFC)보다 아래가 되는 모터(16)의 구동범위가, 본 발명에 관한 제 2 소정 구동범위에 상당한다.
또한, 상기한 배터리 승압 컨버터(14)의 승압 동작확보에 관한 FC 승압 컨버터(12)의 동작제한은, 도 1에 나타내는 연료전지시스템(10)에 포함되는 배터리 승압 컨버터(14)가 승압형의 컨버터(즉, 강압 동작을 행할 수 없는 컨버터)인 것에 기인한다. 따라서, 연료전지시스템(10)에서, 배터리 승압 컨버터(14) 대신, 승압 동작 및 강압 동작이 가능한 승강압형의 컨버터를 채용하는 경우는, FC 승압 컨버터(12)는 상기한 동작 제한에 얽매이는 일은 없고, 연료전지(11), 배터리(13)로부터의 출력전압을 선택적으로 모터(16)에 인가할 수 있다.
이상에 의하여, 본 실시예에서는, 상정되는 차량(1)의 구동에 의거하여 필요한 배터리(13)의 IV 특성과 연료전지(11)의 IV 특성을 결정하고, 양 IV 특성의 상관 및 연료전지(11)의 출력전압과 모터 필요 전압과의 관계로부터, 도 8A 및 도 8B의 맵에 나타내는 바와 같은 FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작을 위한 제어영역을 획정하였다. 이하에, FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작에 대하여, 상세하게 설명한다.
도 8A 및 도 8B는, FC 승압 컨버터(12)의 입구 전압을 가로축으로 하고, 그 출구 전압을 세로축으로 하여 형성되는 동작영역에 대하여, 해당 FC 승압 컨버터(12)에서 실행되는 처리를 관련지어 표시한 맵이다. 또한, 도 8A는, 연료전지시스템(10)에 포함되는 배터리 승압 컨버터(14)가 승압형의 컨버터일 때의 맵이며, 도 8B는, 해당 승압형의 배터리 승압 컨버터(14) 대신, 승강압형의 컨버터를 채용하였을 때의 맵이다. 먼저, 도 8A에 나타내는 맵에 대하여 설명한다. 여기서, 당해 맵에는, FC 승압 컨버터(12)에 의한 승압비가 1인 것, 즉 해당 입구 전압과 해당 출구 전압의 비가 1 : 1 인 것을 의미하는 직선(LR1)과, 그 승압비가 2 근방의 값(도면 중에서는, 승압비를 단지「2」라고 나타낸다.)인 것을 의미하는 직선(LR2)과, 그 승압비가 10인 것을 의미하는 직선(LR3)과, 해당 FC 승압 컨버터(12)의 최고 출력전압을 의미하는 직선(LR4)이 기재되어 있다. 직선(LR2)에 대해서는, 도 9, 도 10A, 도 10B에 의거하여 뒤에서 설명한다. 또, 직선(LR3)은, FC 승압 컨버터(12)에 의한 최대 승압비를 나타내고 있다. 따라서, FC 승압 컨버터(12)의 동작범위는, 직선(LR1, LR3, LR4)으로 둘러 싸이는 영역인 것을 알 수 있다.
여기서, 차량(1)의 상정 속도 범위에서, 모터(16)에 인가되는 부하가 가장 낮은 경우, 즉 도로의 마찰 저항 정도의 부하가 인가되는 경우(도면에서, 부하율 = R/L(Road Load))의 FC 승압 컨버터(12)의 입구 전압과 그 출구 전압의 관계가, 일점 쇄선(LL1)으로 나타나 있다. 한편으로, 마찬가지로 차량(1)의 상정 속도 범위에서, 모터(16)에 인가되는 부하가 가장 높은 경우, 즉 차량(1)의 액셀러레이터 개방도가 100%인 경우(도면에서, 부하율 = 100%)의 FC 승압 컨버터(12)의 입구 전압과 그 출구 전압의 관계가, 일점 쇄선(LL2)으로 나타나 있다. 따라서, 차량(1)에 탑재되는 연료전지시스템(10)은, 차량(1)을 구동시킨다는 관점에서는, 1점 쇄선(LL1, LL2)으로 사이에 둔 영역에서 표시되는 승압 동작을, FC 승압 컨버터(12)에 행하게 된다.
도 8A에 나타내는 맵에서는, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역을 RC1∼RC4의 4개의 영역으로 구분하고 있다. 이들 영역에서는, 각각 FC 승압 컨버터(12)의 동작에 관하여 특징적인 동작이 행하여지고, 이하에 각 영역에서의 FC 승압 컨버터(12)의 동작을 설명한다. 먼저, 승압비 1을 나타내는 직선(LR1) 이하의 영역으로서, 영역(RC1)이 획정되어 있다. 이 영역(RC1)에서는, 모터(16)를 구동하기 위하여 필요하게 되는 승압비가 1 이하이기 때문에[현실로는 FC 승압 컨버터(12)는 승압 컨버터이기 때문에, 승압비를 1 이하로 할 것, 즉 강압은 할 수 없는 것에 주의하고 싶다.), 결과적으로는 FC 승압 컨버터(12)를 정지시켜, 연료전지(11)의 출력전압을 직접 인버터(15)에 인가하는 것이 가능해진다. 그래서, FC 승압 컨버터(12)의 입구 전압이 되는 연료전지(11)의 출력전압이, 연료전지(11)의 최대 전압인 Vfcmax와, 배터리(13)의 개방 전압(OCV : Open Circuit Voltage)과 동일한 값인 Vfcb와의 사이의 범위로서, 또한 직선(LR1) 및 일점 쇄선(LL1)으로 둘러 싸여 획정되는 영역(RC1)에서는, FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작을 완전히 정지시킨다. 이에 의하여, FC 승압 컨버터(12)에서의 스위칭 손실을 억제하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 전압(Vfcb)을 경계로 하여 FC 승압 컨버터(12)의 동작정지가 제약을 받는 것은, 상기한 바와 같이 배터리 승압 컨버터(14)가 승압형의 컨버터이어서, 그 승압 동작 확보를 위함이다.
다음에, 영역(RC2)에 대하여 설명한다. 이 영역은, FC 승압 컨버터(12)의 입구 전압이 상기한 Vfcb 이하이고, 또한 해당 FC 승압 컨버터(12)의 출구 전압이 배터리(13)의 OCV 이하, 즉 Vfcb와 동일한 값의 전압 이하인 영역으로서 획정된다. 즉, 이 영역(RC2)에서는, FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작을 행하지 않으면 배터리 승압 컨버터(14)의 출구 전압이 입구 전압보다 낮아져 해당 배터리 승압 컨버터(14)의 승압 동작이 불가능해지는 영역이고, 또 가령 FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작을 행하였다 하여도, 그 승압비가 낮기 때문에 마찬가지로 배터리 승압 컨버터(14)의 승압 동작이 불가능해지는 영역이기도 한다.
이와 같이 획정되는 영역(RC2)에서는, 영역(RC1)과 마찬가지로, FC 승압 컨버터(12)를 정지시켜, 그 스위칭 손실이 발생하지 않도록 한다. 그리고, 배터리 승압 컨버터(14)로 제어 가능한 최저 전압으로 연료전지(11)의 단자 전압을 제어한다. 또한, 도면에서는, 이상적인 승압 컨버터를 사용한 경우에 그 전압은 배터리(13)의 OCV와 같다고 가정하여, 상기 Vfcb를 설정하고 있다. 이 상태는, 배터리(13)의 방전전력이 허용되는 한 계속된다.
또한, 이 영역(RC2)은, 모터(16)의 구동상태가 변천하는 중에서, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역이 상기 영역(RC1)으로부터, 뒤에서 설명하는 영역(RC3)으로 이행할 때에 개재하는 과도적인 영역이다. 따라서, 배터리 승압 컨버터(14)가 승압형의 컨버터인 경우에는, 이 과도적인 영역(RC2)이 가능한 한 작아지도록, 도 7A, 도 7B에 의거하여 설명한 연료전지(11)의 IV 특성과 배터리(13)의 IV 특성의 상관을 적절하게 조정하는 것이 바람직하다.
여기서, 직선(LR1)보다 아래 영역에 관하여, 도 8B에 나타내는 맵, 즉 연료전지시스템(10)에서 배터리 승압 컨버터(14) 대신 승강압형의 컨버터가 채용되었을 때의 맵에 대하여 설명한다. 이 경우, 승강압형의 컨버터에 의해 배터리(13)의 출력전압을 강압하는 것이 가능하기 때문에, 상기한 바와 같이 FC 승압 컨버터(12)의 동작정지에 대하여 상기 전압(Vfcb)에 의한 제약을 받는 일이 없어진다. 따라서, 도 8B에 나타내는 바와 같이, 직선(LR1)보다 아래 영역에 대해서는, FC 승압 컨버터(12)의 동작을 제약없이 정지하여 시스템의 효율을 향상시키는 것이 용이해진다. 따라서, 이 결과, 도 8B에서는 상기 영역(RC2)에 상당하는 영역이 존재하지 않게 된다. 여기서, 이하에 나타내는 맵의 설명은, 도 8A 및 도 8B에 공통으로 적용하기 때문에, 그 설명은 정리하여 행한다.
상기한 영역(RC1, RC2) 이외의 동작영역에서는, FC 승압 컨버터(12)를 구동시켜, 연료전지(11)의 출력전압의 승압 동작을 행하게 된다. 이 승압 동작에서는, 도 4A∼도 4F에 의거하여 설명한 소프트 스위칭 처리가 실행됨으로써, FC 승압 컨버터(12)에서의 스위칭 손실을 가급적 억제한다. 여기서, 이 소프트 스위칭 처리가 행하여지는 동작영역은, 직선(LR2)으로 준소프트 스위치 영역(RC3)과 소프트 스위치 영역(RC4)으로 구분된다. 이하에, 준소프트 스위치 영역(RC3)과 소프트 스위치 영역(RC4)에 대하여, 상세하게 설명한다.
먼저, 직선(LR2)의 기술적 의의에 대하여 설명한다. 상기한 바와 같이, 직선(LR2)은, FC 승압 컨버터(12)에 의한 승압비가 2 근방의 값이 되는 것을 의미하는 직선이다. 본 발명에 관한 FC 승압 컨버터(12)의 전기적 구조는, 도 2에 나타내는 바와 같으나, 상기한 소프트 스위칭 처리의 일련의 플로우에서의 모드 2의 동작에서, 보조회로(12b)의 코일(L2)과 스너버 콘덴서(C2)에 의한 반파 공진을 이용한 스너버 콘덴서(C2)의 방전이 행하여진다. 이 모드 2의 동작에서 FC 승압 컨버터(12) 내에서 실제로 가동하고 있는 부분만을 추출하면, 도 9에 나타내는 회로 구성이 된다.
그리고, 도 9에 나타내는 회로 구성에서, 스너버 콘덴서(C2) 내에 충전되어 있는 전하를 완전히 방전하지 않으면, 그 후의 모드 3의 동작에서, 스위치 소자(S1)에 전압이 인가된 상태에서, 스위치 소자(S1)의 턴온에 의한 전류가 흐르기 때문에, 결과로서 스위칭 손실이 발생하게 된다. 따라서, 이 모드 2에서의 스너버 콘덴서(C2)의 전하를 완전히 방전하는 것이 중요한 것으로 이해되나, 그것을 위해서는 모드 1의 동작시점에서 코일(L2)에 축적되어 있는 에너지가 스너버 콘덴서(C2)에 축적되어 있는 에너지보다 커지지 않으면 안된다. 환언하면, FC 승압 컨버터(12)의 출구 전압(VH)이, 그 입구 전압(VL)보다 소정량 이상 높아지지 않으면 안된다.
그래서, 해당 출구 전압과 해당 입구 전압의 비(VH/VL)와, 상기 방전 시의 스너버 콘덴서(C2)에 남는 전압과의 관계를, 도 10A 및 도 10B에 의거하여 설명한다. 또한, 도 10A가 비(VH/VL)가 2를 초과하는 경우의 스너버 콘덴서(C2)의 전압 추이를 나타내고, 도 10B가 비(VH/VL)가 2 미만인 경우의 스너버 콘덴서(C2)의 전압추이를 나타내고 있다. 도 10A에 나타내는 경우는, VH-VL의 값은 VL보다 커지기 때문에, 반파 공진이 생기면 스너버 콘덴서(C2)의 전압은, 다이오드(D2)의 작용도 있어 제로가 된다. 한편으로, 도 10B에 나타내는 경우에서는, VH-VL의 값은 VL보다 작아지기 때문에, 반파 공진이 생겼다 하여도 스너버 콘덴서(C2)의 전압은, 일정값 이상 남게 된다. 따라서, 이와 같은 경우에 상기 소프트 스위칭 처리를 행하여도 약간의 스위칭 손실이 발생하게 된다. 이상에 의하여, 소프트 스위칭 처리에 의한 스위칭 손실의 억제가 효과적으로 행하여질 수 있는 지의 여부를 판단하는 기준으로서, 직선(LR2)이 존재하게 된다.
또한, 이론적으로는 비(VH/VL)가 2배 이상이면, 방전 후의 스너버 콘덴서(C2)의 전압은 제로가 되나, 실제로는 다이오드나 배선 내에서의 에너지 손실이 발생하기 때문에, 비(VH/VL)는 2배를 초과하는 값(예를 들면, 2.3 등)이 바람직하다. 그리고, 일점 쇄선(LL1, LL2)으로 사이에 둔 동작영역 중, 영역(RC1, RC2)을 제외한 영역을, 직선(LR2)이 둘로 분할하여, 직선(LR2)보다 아래에 위치하는 영역을, 상기 이유에 의해 소프트 스위칭 처리를 행하여도 스위칭 손실을 효율적으로 억제하는 것이 어려운 준소프트 스위치 영역(RC3)으로 하고, 직선(LR2)보다 위에 위치하는 영역을, 소프트 스위칭 처리에 의한 스위칭 손실의 억제가 효율적으로 행하여지는 소프트 스위치 영역(RC4)으로 한다.
이와 같이, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역은, 소정의 영역(RC1∼RC4)으로 구분할 수 있으나, 준소프트 스위치 영역(RC3)에서는, 상기한 바와 같이 FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실을 충분히 억제할 수 없기 때문에, 연료전지시스템(10)의 효율화의 관점으로부터, 이 영역에서 FC 승압 컨버터(12)가 승압 동작을 행하는 것은 가급적 회피하는 것이 바람직하다. 그래서, 연료전지시스템(10)의 효율화를 촉진하기 위한, FC 승압 컨버터(12)의 제어의 일례에 대하여, 도 11A에 의거하여 설명한다. 도 11A에 나타내는 FC 승압 컨버터 제어는, ECU(20)에 의해, 연료전지(11)에서 발전된 전력이 모터(16)에 공급될 때에 실행된다. 또한, 상기 준소프트 스위치 영역(RC3)에서의 승압 동작에 대해서는, 연료전지시스템(10)의 보다 좋은 효율을 위해 가급적 회피하는 것이 바람직하다는 것은 상기한 바와 같으나, 본 발명에 관한 연료전지시스템(10)은 당해 승압 동작을 완전히 배제하는 것은 아니고, 필요에 따라 당해 승압 동작을 이용하여도 된다.
먼저, S201에서는, 인코더에 의해 검출된 모터(16)의 실제의 회전수에 대응하는, 해당 모터(16)를 최대 출력할 수 있는 최대 토오크를 산출된다. 구체적으로는, 모터(16)의 회전수와 그것에 대응한 최대 토오크가 관련지어져 있는 맵을 ECU(20)가 가지고 있고, 검출된 회전수에 따라 해당 맵에 액세스함으로써 모터(16)의 최대 토오크가 산출된다. S201의 처리가 종료되면, S202로 진행한다.
S202에서는, 액셀러레이터 페달센서(21)에 의해 검출된 액셀러레이터 페달의 개방도에 의거하여, 모터(16)에 출력 요구되어 있는 요구 토오크가 산출된다. 액셀러레이터 페달의 완전 개방이, 모터(16)의 현시점에서의 회전수에 있어서의 최대 토오크를 요구하고 있다고 정의하면, 완전 개방 시의 계수를 100%, 완전 폐쇄 시의 계수를 0%로 하여, 이하의 식에 따라 요구 토오크가 산출된다. S202의 처리가 종료되면, S203으로 진행한다.
(요구 토오크)=(상기 최대 토오크)×(액셀러레이터 페달의 개방도에 따른 계수)
S203에서는, S201과 S202에서의 산출 결과에 의거하여, 모터(16)에 요구되고 있는 출력인 요구 출력이, 이하의 식에 따라 산출된다. S203의 처리가 종료되면, S204로 진행한다.
(요구 출력)=(요구 토오크)×(모터의 회전수)
S204에서는, S203에서 산출된 요구 출력과 모터(16)의 회전수에 의거하여, 필요한 전력이 모터(16)에 공급되도록, 인버터(15)에 인가되어야 할 전압인 모터 필요 전압(Vmot)이 산출된다. 구체적으로는, 모터(16)의 회전수(rpm)와 상기 요구 출력(P)으로 형성되는 함수(F)와, 모터 필요 전압이 관련지어져 있는 모터 필요 전압 맵을 ECU(20)가 가지고 있고, 모터의 회전수와 요구 출력에 따라 이 맵에 액세스함으로써, 모터 필요 전압이 산출된다. 모터 필요 전압 맵은, 실험 등에 의해 미리 결정될 수 있는 것이므로, 그 일례로서는, 모터(16)의 회전수가 높아짐에 따라 그 역기전압이 높아지기 때문에 요구 전압값은 높아져야 하며, 요구 출력이 높아지면 그 출력을 더욱 적은 전류로 달성하기 위하여 요구 전압값은 높아져야 하기 때문에, 이들의 점이 함수(F)와 모터 필요 전압과의 상관에 반영되어 있다. S204의 처리가 종료되면, S205로 진행한다.
S205에서는, 액셀러레이터 페달센서(21)에 의해 검출된 액셀러레이터 페달의 개방도에 따라 발전이 행하여지고 있는 연료전지(11)의 출력전압(Vfc)이 검출된다. 이 검출은, 도시 생략한 전압센서를 거쳐 행하여진다. S205의 처리가 종료되면, S206으로 진행한다. S206에서는, S204에서 산출된 모터 필요 전압을, S205에서 검출된 연료전지(11)의 출력전압으로 나누어 잠정 승압비(Rt)(=Vmot/Vfc)가 산출된다. S206의 처리가 종료되면, S207로 진행한다.
S207에서는, FC 승압 컨버터(12)를 정지시키는 것이 가능한지의 여부가 판정된다. 즉, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역이, 상기 영역(RC1 또는 RC2)의 어느 하나에 속하는지의 여부가 판정된다. 구체적으로는, S206에서 산출된 잠정 승압비가 1 미만이고, 또한 연료전지(11)의 출력전압이 Vfcmax와 Vfcb 사이일 때는, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역은 RC1이며, 또 연료전지(11)의 출력전압이 Vfcb 이하이고 또한 해당 FC 승압 컨버터(12)의 출구측 전압이 Vfcb와 동일한 값의 전압 이하일 때는, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역은 RC2라고 판정된다. 또한, Vfcb, Vfcmax의 값은, 실제의 연료전지(11) 및 배터리(13)의 사양에 따라 미리 결정해 두면 된다. 또, FC 승압 컨버터(12)의 출구측의 전압은, 도시 생략한 전압센서를 거쳐 검출된다.
그리고, S207에서 긍정 판정되는 경우는, S208로 진행하여, FC 승압 컨버터(12)가 정지되고, 연료전지(11)로부터의 출력전압은, 인버터(15)에 직접 인가된다. 이에 의하여, FC 승압 컨버터(12)에서의 스위칭 손실을 억제할 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역이 RC1에 속하는 경우에는, 배터리(13)로부터 인버터(15)로의 승압 후의 인가도 가능하나, 해당 동작영역이 RC2에 속하는 경우에는, 배터리 승압 컨버터(14)에서 제어 가능한 최저 전압으로 연료전지(11)의 단자 전압을 제어한다. 한편으로, S207에서 부정 판정되면, S209로 진행한다.
S209에서는, S206에서 산출된 잠정 승압비(Rt)가 2를 초과하는지의 여부가 판정된다. 즉, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역이 소프트 스위치 영역(RC4)에 있는지, 준소프트 스위치 영역(RC3)에 있는지가 판정된다. S209에서 긍정 판정되면, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역이 소프트 스위치 영역(RC4)에 있는 것을 의미하기때문에 S210으로 진행하고, FC 승압 컨버터(12)의 목표의 출력전압이 모터 필요 전압(Vmot)이 되도록 도 3에서 나타낸 소프트 스위칭 처리가 실행된다. 또한, 스위치 소자(S1)의 듀티비는, 잠정 승압비(Rt)에 따라 결정된다. 한편으로, S209에서 부정 판정되면, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역이 준소프트 스위치 영역(RC3)에 있는 것을 의미한다. 그래서 이 경우는 S211로 진행한다.
S211에서는, 연료전지시스템(10)에서 S206에서 산출된 잠정 승압비(Rt)에 의한 전압 승압에 더하여, 더욱 추가적인 전압 승압(이하, 간단히「추가적 전압 승압」이라 한다.)이 허용되는지의 여부가 판정된다. 바꿔 말하면, S209에서 부정 판정된다는 것은, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역이 현시점에서는 준소프트 스위치 영역(RC3)에 있는 것을 의미하기 때문에, 그 동작영역을 소프트 스위치 영역(RC4)으로 이행하는 것이 가능한지의 여부가 판정된다. 즉, 당해 동작영역을 준소프트 스위치 영역(RC3)으로부터 소프트 스위치 영역(RC4)으로 이행시키기 위하여 추가적 전압 승압을 행하려고 하면, 인버터(15)에 인가되는 전압이 필요한 모터 필요 전압보다 높아진다. 그 결과, 인버터(15) 내에서의 스위칭 손실이 크게는 되나, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실의 감소분과, 인버터(15)의 스위칭 로스의 증가분을 비교하였을 때, 전자의 감소분이 큰 경우도 있을 수 있고, 그 경우 이 추가적 전압 승압은, 시스템 효율의 관점에서 매우 유용하다. 그래서, S211에서는, 이 추가적 전압 승압이 허용되는지의 여부가 판정되게 된다. S211에서 긍정 판정되면, S212로 진행하여, 추가적 전압 승압을 위한 추가 승압비(Ra)가 결정된다. 이 추가 승압비(Ra)는, FC 승압 컨버터(12)에 의한 최종적인 승압비(Rt× Ra에 의한 승압비)가, 직선(LR2)으로 결정되는 승압비(예를 들면, 승압비 2)를 초과하도록 하기 위하여 필요한 추가적인 승압비이다. 그리고, S212의 처리 후, S213으로 진행하여, FC 승압 컨버터(12)의 목표 출력전압이 연료전지(11)의 출력전압(Vfc)에 승압비(Rt)와 추가 승압비(Ra)를 곱하여 산출되는 전압이 되도록 도 3에서 나타낸 소프트 스위칭 처리가 실행된다. 또한, 스위치 소자(S1)의 듀티비는, 잠정 승압비(Rt)와 추가 승압비(Ra)의 곱에 따라 결정된다.
이와 같이, S209에서 부정 판정된 시점에서는, 원래적으로는 FC 승압 컨버터(12)의 동작영역은 준소프트 스위치 영역(RC3)이고, 그 상태에서 소프트 스위칭 처리를 행하여도 상기한 바와 같이, 스위칭 손실을 충분히 억제하는 것이 곤란하다. 이 경우에는, FC 승압 컨버터(12)에 의한 승압비에 상기 추가 승압비(Ra)를 고려함으로써, 원래적으로 모터(16)의 구동에 필요한 전압보다 더욱 전압을 올려 FC 승압 컨버터(12)의 동작영역을 소프트 스위치 영역(RC4)으로 한다. 그 결과, 스위칭 손실을 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다.
한편으로, S211에서 부정 판정되면, S214로 진행하고, FC 승압 컨버터(12)의 동작영역이 RC3의 상태에서, 상기 소프트 스위칭 처리가 행하여진다. 연료전지(11)가 상기 추가적 전압 승압이 허용되지 않는 상태에 있을 때, 즉 상기한 바와 같이 전압을 추가적으로 승압시킴으로써 인버터(15)에서의 스위칭 손실이 현저해지는 상태에서는, S212 및 S213의 처리는 행하여지지 않는다.
이 도 11A에 나타내는 FC 승압 컨버터 제어에 의하면, 모터(16)의 구동을 확보하는 것을 전제로, FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작을 가능한 한 정지할 수 있고, 아울러 스위칭 손실을 억제할 수 있다. 또, FC 승압 컨버터(12)를 승압 동작시키는 경우이어도, 그 동작영역을 가능한 한 소프트 스위치 영역(RC4)으로 한 다음에 소프트 스위칭 처리가 행하여지기 때문에, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실을 가급적 억제하는 것이 가능해진다.
실시예 2
본 발명에 관한 연료전지시스템(10)의 제 2 실시예에 대하여 설명한다. 도 11B에 의거하여, 연료전지시스템(10)의 효율화를 촉진하기 위한, FC 승압 컨버터(12)의 제어의 일례에 대하여 설명한다. 도 11B에 나타내는 FC 승압 컨버터 제어는, ECU(20)에 의해, 연료전지(11)에서 발전된 전력이 모터(16)에 공급될 때에 실행된다. 도 11B에 나타내는 FC 승압 컨버터 제어에서의 처리 S501∼S504는, 도 11A에 나타내는 FC 승압 컨버터 제어에서의 처리 S201∼S204와 동일하기 때문에, 여기서는 그 설명을 생략한다. 도 11B에 나타내는 FC 승압 컨버터 제어에서의 처리 S504의 처리가 종료되면, S505로 진행한다.
S505에서는, 연료전지(11)의 출력(이하, FC 출력이라 한다)에 의거하여, 연료전지(11)의 출력전압을 산출된다. FC 출력은, 이하의 식(1)에 따라 산출된다.
(FC 출력) = (요구 출력) + (보조기기 요구 출력) + (배터리 충전(방전)출력) …(1)
요구 출력은, 모터(16)에 요구되고 있는 출력이고, 모터(16)의 구동에 필요한 전력이다. 보조기기 요구 출력은, 수소 탱크(17)나 컴프레서(18) 등의 보조기기에 요구되고 있는 출력이며, 보조기기의 구동에 필요한 전력이다. 배터리 충전(방전)출력은, 배터리(13)의 충방전에 필요한 출력이며, 배터리 충전 출력은, 충전 시에 있어서 배터리(13)에 충전되는 전력이며, 배터리 방전출력은, 방전 시에 있어서 배터리(13)가 방전하는 전력이다. 배터리(13)의 잔축전량과 상기 SOC 문턱값과의 차가 배터리 충전(방전)출력이 된다.
배터리(13)의 잔축전량이 상기 SOC 문턱값 미만이면, 배터리 충전출력을 상기 식(1)에 산입하여, FC 출력을 산출된다. 배터리(13)의 잔축전량이 상기 SOC 문턱값 이상이면, 배터리 방전출력을 상기 식(1)에 마이너스분으로서 산입하여, FC 출력을 산출된다. 그리고, 상기 식(1)로 산출된 FC 출력에 의거하여, 연료전지(11)의 출력전압이 산출된다. 구체적으로는, FC 출력과 연료전지(11)의 출력전류가 관련지어져 있는 IP 특성 맵 및 연료전지(11)의 출력전류와 연료전지(11)의 출력전압이 관련지어져 있는 IV 특성 맵을 ECU(20)가 가지고 있고, FC 출력에 따라이들 맵에 액세스하여, 연료전지(11)의 출력전압이 산출된다. 본 실시예에 의하면, 보조기기에 요구되고 있는 출력이나 배터리(13)의 충방전 출력을 가미하여, FC 출력을 산출함으로써, 보조기기에 요구되고 있는 출력이나 배터리(13)의 잔축전량을 고려하여, 연료전지(11)의 출력전압을 산출할 수 있다. 또한, 도시 생략하나, 보조기기에 요구되고 있는 출력을 다른 전력 공급원이 보조기기에 공급하고 있는 경우에는, 보조기기에 요구되고 있는 출력을 상기 식(1)에 산입하지 않고, FC 출력을 산출하여도 된다.
또, 상기 식(1)을 이하에 나타내는 식(2)와 같이 변형하여도 된다.
(FC 출력) = (요구 출력) + (보조기기 요구 출력) + (배터리 충전(방전)출력) + (FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실) + (배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭 손실) …(2)
FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실이란, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭에 의해 생기는 인버터(15)에 대한 공급 전력의 손실량을 말한다. 또, 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭 손실이란, 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭에 의해 생기는 인버터(15)에 대한 공급 전력의 손실량을 말한다. 이와 같이 변형함으로써, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실이나 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭 손실을 더욱 가미하여, FC 출력을 산출함으로써, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭의 손실분이나 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭의 손실분을 고려하여, 연료전지(11)의 출력전압을 산출할 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 보조기기에 요구되고 있는 출력을 다른 전력 공급원이 보조기기에 공급하고 있는 경우에는, 보조기기에 요구되고 있는 출력을 상기 식(2)에 산입하지 않고, FC 출력을 산출하여도 된다.
FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실은, FC 승압 컨버터(12)의 출입구에, 전류센서 및 전압센서를 설치하고, FC 승압 컨버터(12)의 출입구측의 전류 및 전압을 측정함으로써 산출된다. 또, 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭 손실은, 배터리 승압 컨버터(14)의 출입구에, 전류센서 및 전압센서를 설치하고, 배터리 승압 컨버터(14)의 출입구측의 전류 및 전압을 측정함으로써 산출된다. 여기서, FC 승압 컨버터(12) 및 배터리 승압 컨버터(14)가 함께 승압 동작을 행하고 있는 경우에는, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실 및 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭 손실을 가미하여 FC 출력을 산출된다. 즉, 상기 식(2)에, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실 및 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭 손실을 산입하여, FC 출력을 산출된다.
한편, 배터리 승압 컨버터(14)만이 승압 동작을 행하고 있는 경우에는, 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭 손실만을 가미하여 FC 출력을 산출된다. 즉, 상기 식(2)에는, 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭 손실을 산입하고, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실을 산입하지 않고, FC 출력을 산출된다. 또, FC 승압 컨버터(12)만이 승압 동작을 행하고 있는 경우에는, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실만을 가미하여 FC 출력을 산출된다. 즉, 상기 식(2)에는, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실을 산입하고, 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭 손실을 산입하지 않고, FC 출력을 산출된다. 또, 상기 식(2)에, 배터리 충전(방전)출력을 산입하지 않고, FC 출력을 산출하여도 된다. 배터리 충전(방전)출력을 고려하지 않아도 되는 경우도 있기 때문이다.
S505의 처리가 종료되면, S506으로 진행한다. S506에서는, FC 승압 컨버터(12)를 정지시키는 것이 가능한지의 여부가 판정된다. 즉, S504에서 산출된 모터 필요 전압과, S505에서 산출된 연료전지(11)의 출력전압의 비교가 행하여져, S505에서 산출된 연료전지(11)의 출력전압이 S504에서 산출된 모터 필요 전압보다큰지의 여부가 판정된다. 그리고, S506에서 긍정 판정되는 경우, 즉, S505에서 산출된 연료전지(11)의 출력전압이 S504에서 산출된 모터 필요 전압보다 큰 경우는, S507로 진행하여, FC 승압 컨버터(12)가 정지되고, 연료전지(11)로부터의 출력전압은, 인버터(15)에 직접 인가된다. 이에 의하여, FC 승압 컨버터(12)에서의 스위칭 손실을 억제할 수 있다. 한편으로, S506에서 부정 판정되면, S508로 진행하여, 도 3에서 나타낸 소프트 스위칭 처리가 실행된다.
또, 도 11B에 나타내는 FC 승압 컨버터 제어에서의 처리 S506에서 부정 판정된 경우에, S504에서 산출된 모터 필요 전압을, S505에서 산출된 연료전지(11)의 출력전압으로 나누어 잠정 승압비(Rt)를 산출하도록 하여도 된다. 그리고, 잠정 승압비(Rt)를 산출된 후, 도 11A에 나타내는 FC 승압 컨버터 제어에서의 처리 S209∼S214의 처리를 행하도록 하여도 된다.
<변형예 1>
또, 모터(16)를 구동하기 위한 인버터(15)에 대한 전압 인가에 대하여, 인버터(15)의 변환 효율이나 모터(16)의 구동 효율을 고려하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기한 제 1 실시예 및 제 2 실시예에서 설명한 바와 같이, 연료전지(11)로부터 모터(16)로의 전력 공급 시에, FC 승압 컨버터(12)를 정지시키지 않는 경우, 인버터(15)에 인가되는 전압을 FC 승압 컨버터(12)에 의해 승압시킨다. 본 변형예에서는, 인버터(15)에 인가되는 전압을, 요구 토오크와 모터(16)의 회전수에 의거하여, 인버터(15), 모터(16)를 포함하는 부하의 효율 특성과 인버터(15)에 인가되는 전압을 관련지은 맵으로 결정한다. 그리고, FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작에 의하여, 연료전지(11)의 출력전압을 상기 결정한 전압으로 승압시켜, 인버터(15)에 인가한다. 예를 들면, 인버터(15)의 효율 특성은 인버터(15)에 인가되는 전압에 대한 인버터(15)의 변환 효율이며, 모터(16)의 효율 특성은 모터(16)에 인가되는 전압에 대한 모터(16)의 구동 효율이다.
본 변형예에서는, 부하의 효율 특성을 결정하고, 요구 토오크와 모터(16)의 회전수의 관계로부터, 도 12A, 도 12B 및 도 12C에 나타내는 바와 같은 부하의 효율 특성의 영역을 획정한다. 도 12A, 도 12B 및 도 12C는, 요구 토오크를 세로축으로 하고, 모터(16)의 회전수를 가로축으로 하여, 부하의 효율 특성의 영역을 효율의 고저에 의해 단계적으로 구분하여 표시한 맵이다. 도 12A는, 인버터(15)에 인가되는 전압이 높은 경우에 있어서의 부하의 효율특성의 영역을 표시한 맵이다. 도 12B는, 인버터(15)에 인가되는 전압이 중간인 경우에 있어서의 부하의 효율 특성의 영역을 표시한 맵이다. 도 12C는, 인버터(15)에 인가되는 전압이 낮은 경우 에 있어서의 부하의 효율 특성의 영역을 표시한 맵이다. 도 12A, 도 12B 및 도 12C에서의 점 A는, 요구 토오크(T1)와 모터(16)의 회전수(R1)(이하, 간단히「회전수(R1)」라 한다.)에 의거하여 결정된 것이고, 점 B는, 요구 토오크(T2)와 모터(16)의 회전수(R2)[이하, 단지「회전수(R2)」이라 한다)에 의거하여 결정된 것이다.
도 12C에서의 점 A는, 부하의 효율 특성이 고효율인 영역에 포함되어 있으나, 도 12A 및 도 12B에서의 점 A는, 부하의 효율 특성이 고효율인 영역에 포함되어 있지 않다. 따라서, 요구 토오크(T1) 및 회전수(R1)에서는, 인버터(15)에 인가되는 전압이 낮은 경우, 부하의 효율 특성이 높은 것을 알 수 있다. 도 12B에서의 점 B는, 부하의 효율 특성이 고효율인 영역에 포함되어 있으나, 도 12A 및 도 12C 에서의 점 B는, 부하의 효율 특성이 고효율인 영역에 포함되어 있지 않다. 따라서, 요구 토오크(T2) 및 회전수(R2)에서는, 인버터(15)에 인가하는 전압이 중간인 경우, 부하의 효율 특성이 높은 것을 알 수 있다. 이와 같이, 인버터(15)에 인가되는 전압에 따라서는, 부하의 효율 특성이 변화된다. 즉, 인버터(15)에 인가되는 전압과 부하의 효율 특성과의 사이에는 상관관계가 있다.
도 12D에서, 요구 토오크(T1)와 회전수(R1)에 의거하여 결정된 점 A에 대한 인버터(15)에 인가되는 전압과 부하의 효율 특성과의 상관을 나타낸다. 도 12D의 가로축은, 인버터(15)에 인가되는 전압을 나타내고 있고, 도 12D의 세로축은, 부하의 효율 특성을 나타내고 있다. 도 12D에 나타내는 바와 같이, 인버터(15)에 인가되는 전압이 낮은 경우에는, 인버터(15)에 인가되는 전압이 중간이나 높은 경우에 비하여 부하의 효율 특성은 높다. 따라서, 요구 토오크(T1) 및 회전수(R1)에서의 모터(16)의 구동을 가능한 한 확보하기 위해서는, 인버터(15)에 인가되는 전압이 낮게 되도록, FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작을 행하도록 하면 된다.
도 12E에서, 요구 토오크(T2)와 회전수(R2)에 의거하여 결정된 점 B에 대한 인버터(15)에 인가되는 전압과 부하의 효율 특성과의 상관을 나타낸다. 도 12E의 가로축은, 인버터(15)에 인가되는 전압을 나타내고 있고, 도 12E의 세로축은, 부하의 효율 특성을 나타내고 있다. 도 12E에 나타내는 바와 같이, 인버터(15)에 인가되는 전압이 중간인 경우에는, 인버터(15)에 인가되는 전압이 낮거나 높은 경우에 비하여 부하의 효율 특성은 높다. 따라서, 요구 토오크(T2) 및 회전수(R2)에서의 모터(16)의 구동을 가능한 한 확보하기 위해서는, 인버터(15)에 인가되는 전압이 중간이 되도록, FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작을 행하도록 하면 된다.
본 변형예에 관한 연료전지시스템(10)에서는, 이상과 같은 맵을 ECU(20)가 가지고 있고, 인버터(15)에 인가되는 전압을 부하의 효율 특성의 관점에서 결정한다. 그리고, 해당 결정한 전압이 되도록 FC 승압 컨버터(12)의 승압 동작을 행함으로써, 최적 전압을 인버터(15)에 인가하는 것이 가능해진다.
< 변형예 2 >
또, 상기한 바와 같이, 연료전지시스템(10)에서는, 승압형의 배터리 승압 컨버터(14) 대신, 승압 동작 및 강압 동작이 가능한 승강압형의 컨버터도 채용 가능하다. 그래서, 본 변형예에서는, 상기 식(2)에서, 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭 손실 대신, 승압 동작 및 강압 동작이 가능한 승강압형의 컨버터(이하, 배터리승강압 컨버터라 한다)의 스위칭 손실을 산입하여, FC 출력을 산출된다. 배터리 승강압 컨버터의 스위칭 손실이란, 배터리 승강압 컨버터의 스위칭에 의해 생기는 인버터(15)에 대한 공급 전력의 손실량을 말한다. 이와 같이 함으로써, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭의 손실분이나 배터리 승강압 컨버터의 스위칭의 손실분을 고려하여, 연료전지(11)의 출력전압을 산출할 수 있다.
또한, FC 승압 컨버터(12)가 승압 동작을 행하고 있고, 배터리 승강압 컨버터가 승강압 동작을 행하고 있는 경우에는, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실 및 배터리 승강압 컨버터의 스위칭 손실을 가미하여 FC 출력을 산출된다. 즉, 상기 식(2)에, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실 및 배터리 승강압 컨버터의 스위칭 손실을 산입하여, FC 출력을 산출된다. 한편, 배터리 승강압 컨버터만이 승강압 동작을 행하고 있는 경우에는, 배터리 승강압 컨버터의 스위칭 손실만을 가미하여 FC 출력을 산출된다. 즉, 상기 식(2)에는, 배터리 승강압 컨버터의 스위칭 손실을 산입하고, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실을 산입하지 않고, FC 출력을 산출된다. 또, FC 승압 컨버터(12)만이 승압 동작을 행하고 있는 경우에는, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실만을 가미하여 FC 출력을 산출된다. 즉, 상기 식(2)에는, FC 승압 컨버터(12)의 스위칭 손실을 산입하고, 배터리 승압 컨버터(14)의 스위칭 손실을 산입하지 않고, FC 출력을 산출된다.
실시예 3
본 발명에 관한 연료전지시스템의 제 3 실시예에 대하여, 도 13∼도 15에 의거하여 설명한다. 본 실시예에 관한 연료전지시스템과 상기한 제 1 실시예에 관한 연료전지시스템과의 상위점은, FC 승압 컨버터(12) 내의 보조회로(12b) 및 그것에 관련된 기술이다. 그래서, 본 실시예에서는, 당해 상위점에 착안하여 설명을 행한다.
도 13은, 도 2와 마찬가지로, FC 승압 컨버터(12)를 중심으로 하여, 연료전지시스템(10)의 전기적 구성을 나타내는 도면이다. 여기서, 도 13에 나타내는 FC 승압 컨버터(12)의 보조회로(12b)에는, 스위치 소자(S3)와 다이오드(D6)로 구성되는 스위칭회로가 더 설치되어 있다. 구체적으로는, 스위치 소자(S3)의 한쪽 끝이 다이오드(D2)의 애노드 단자측에 접속되고, 해당 스위치 소자(S3)의 다른쪽 끝이 연료전지(11)의 저전위측의 단자에 접속되어 있다. 이 스위치 소자(S3)는, 앞의 소프트 스위칭 처리에서의 모드 2의 동작에서의, 스너버 콘덴서(C2)에 축적된 전하의 방전을 서포트하는 것이다. 그래서, 본 실시예에서는, 스위치 소자(S3)의 스위칭 동작을 포함한, 새로운 소프트 스위칭 처리를 도 14 및 도 15에 의거하여 설명한다.
도 14는, 도 3과 마찬가지로, FC 승압 컨버터(12)에서의 소프트 스위칭 처리의 흐름을 나타내는 플로우차트이다. 도 3에 나타내는 소프트 스위칭 처리와의 차이는, 도 14에 나타내는 처리에서는, S102와 S103의 처리의 사이, 즉 모드 2와 모드 3의 각 동작의 사이에, 스위치 소자(S3)의 스위칭 동작에 의한 새로운 처리 S301이 설정되어 있는 점이다. 그래서, 이 상위점을 중점적으로 설명하고, 다른 처리에 대해서는, 도 3과 동일한 참조번호를 붙임으로써 그 상세한 설명은 생략한다.
여기서, S102의 처리에 의해 모드 2의 동작이 행하여지고 있을 때, FC 승압 컨버터(12)에서는, 스위치 소자(S3)는 턴 오프상태로 되어 있다. 또, 스위치 소자(S3)의 스위칭 동작의 효과를 명확하게 나타내기 위하여, FC 승압 컨버터(12)의 출구 전압(VH)과 그 입구 전압(VL)의 관계를, FC 승압 컨버터(12)의 전기적 상태를 나타내는 파라미터인 비(VH/VL)에 대하여, 해당 비가 2 미만이라고 설정한다. 이 경우, 코일(L2)과 스너버 콘덴서(C2)의 반파 공진에 의해, 해당 스너버 콘덴서(C2)의 전하는 없어져 가나, 도 10B에 나타내는 바와 같이 스너버 콘덴서(C2)의 전압은 제로로는 되게 않게 된다.
여기서, 본 실시예에서는, 상기 반파 공진에 의한 스너버 콘덴서(C2)의 전압변동이 바닥값이 되는 타이밍에서, S301의 처리에 의해 스위치 소자(S3)를 턴온한다. 그렇게 하면, 도 15에 나타내는 바와 같이, 스너버 콘덴서(C2)에서 반파 공진에 의해서도 다 빠져버리지 않은 전하가, 스위치 소자(S3)를 거쳐 보조회로(12b) 내로 분산되어 가기 때문에, 스너버 콘덴서(C2)의 전압을 더욱 저하시킬 수 있다. 그 결과, S301 다음의 S103의 처리에서, 스위치 소자(S1)를 턴온할 때, 해당 스위치 소자(S1)에 인가되어 있는 전압을 가급적 내릴 수 있고, 아울러, 스위칭 손실을 더욱 확실하게 억제할 수 있다. 또한, FC 승압 컨버터(12)의 출구 전압(VH)과 그 입구 전압(VL)의 관계에 있어서, 비(VH/VL)가 소정값을 초과하는 경우(본 실시예에서는 2를 초과하는 경우)는, 스너버 콘덴서(C2)의 전하는 모드 2의 동작에 의해 다 빠져버리기 때문에, S301의 처리를 반드시 행할 필요는 없다.
실시예 4
본 발명에 관한 연료전지시스템의 제 4 실시예에 대하여, 도 16에 의거하여 설명한다. 도 16은, 연료전지시스템(10)이 정지한 상태로부터 모터(16)에 전력을 공급하기 위하여 시동할 때의, FC 승압 컨버터(12)의 제어에 관한 플로우차트이다. 따라서, 도 16에 나타내는 시동 시 FC 승압 컨버터 제어는, 도 11에 나타내는 FC 승압 컨버터 제어 전에 ECU(20)에 의해 행하여지는 제어이며, 또 상기한 각 실시예에서 개시된 FC 승압 컨버터(12)에 대하여 적용이 가능하다.
먼저, S401에서는, 연료전지(11)로부터 모터(16)에 전력이 공급되기 전에, FC 승압 컨버터(12)에서의 승압비가 2로 설정된다. 즉, 연료전지(11)의 시동 시에는, 모터(16)의 운전상태에 상관없이 FC 승압 컨버터(12)에서의 승압비를 2로 설정 함으로써, 해당 FC 승압 컨버터(12)의 동작영역이, 상기 소프트 스위치 영역(RC4)으로 설정되게 된다. 그 후, S402에서 연료전지(11)로부터 모터(16)로의 전력공급이 개시되고, S403에서 FC 승압 컨버터(12)에 의한 승압 동작을 위한 소프트 스위칭 처리가 실행된다.
또한, S404에서는, 연료전지(11)의 출력전압이 모터(16)를 구동하기 위하여 필요한 소정의 출력전압에 도달하였는지의 여부가 판정된다. S404에서 긍정 판정되면, 연료전지(11)의 시동 처리가 종료한 것을 의미하고, 따라서 그 후는 모터(16)를 구동하기 위한 상기 FC 승압 컨버터 제어가 행하여지게 된다. 한편으로, S404에서 부정 판정되면, 연료전지(11)의 시동 처리는 종료하지 않는 것을 의미하며, 따라서 S403 이후의 처리가 다시 반복된다.
이와 같이 본 실시예에 관한 시동 시 FC 승압 컨버터 제어에서는, 연료전지(11)의 시동 처리가 완료하기까지의 사이, 모터(16)의 운전상태에 관계없이 FC 승압 컨버터(12)에서의 승압비가 2로 설정된다. 통상 연료전지(11)의 시동 시에 있어서는, 비(VH/VL)의 값이 소정의 문턱값(본 실시예의 경우는, 2)을 초과하고 있지 않기 때문에, 스너버 콘덴서(C2)의 전압을 제로로 한 상태에서 스위치 소자(S1)를 턴온할 수 없고, 소프트 스위칭 처리에 의한 스위칭 손실의 저감 효과를 향수할 수 없다. 그래서, 특히 S401의 처리에 의하여 연료전지(11)의 시동 시에 있어서는, 강제적으로 승압비를 2로 하여 FC 승압 컨버터(12)의 동작영역을 소프트 스위치 영역(RC4)으로 함으로써 연료전지시스템(10)의 시동 시의 효율 향상을 도모할 수 있다.
<그 밖의 실시예>
또한, 상기 회로는, 소프트 스위칭 시, 스너버 콘덴서(C2)에 축적된 회생 전력이 연료전지(11)에 입력되지 않도록 하기 위하여, 스너버 콘덴서(C2)로부터 연료전지(11)로 흐르는 전기회로 상에 회생 전력을 억제하는 소자를 설치하고, 또는 스너버 콘덴서(C2)에 축적된 회생 전력이 배터리(13)로 흐르도록 하여도 된다. 연료전지(11)로 흐르는 회생 전력을 억제하는 방법으로서는, 예를 들면, 스너버 콘덴서(C2)로부터 연료전지(11)로 흐르는 전로 상에, 한쪽 끝이 접지된 평활 콘덴서, 제너다이오드, 또는 바리스터를 설치하는 것을 생각할 수 있고, 이에 의하여 전로의 전압이 규정 전압 이상이 되는 것을 억제할 수 있다. 또, 스너버 콘덴서(C2)로부터 연료전지(11)로 회생 전력이 역류하는 것을 방지하는 다이오드를 설치하는 방법도 유용하다. 그리고, 회생 전력을 배터리(13)로 흐르도록 하는 방법으로서는, 예를 들면, 스위치 소자(S2)의 하류측을 연료전지(11)가 아닌 배터리(13)에 연결하는 회로 구성으로 하는 방법을 들 수 있다.
또, 상기 실시형태에서 설명한 바와 같이, 연료전지(11)로부터 FC 승압 컨버터(12)를 통하여 인버터(15), 모터(16)를 포함하는 부하에 전력을 공급하면, FC 승압 컨버터(12)에서의 전력 손실이 발생한다. 이 전력 손실에는, 변환되는 전력의 대소에 대한 의존도가 적은, 철손 또는 스위칭 손실이 포함된다. 그 때문에, 출력전력이 작은 저부하 영역에서, 특히 전력 효율의 저하가 눈에 띄게 된다. 그래서, 저부하 영역에서는, FC 승압 컨버터(12)를 정지하여, 연료전지(11)의 전력을 변환하지 않고 부하에 공급하고(스루 모드, 바이패스 모드), 또는 배터리(13)로부터 배터리 승압 컨버터(14)를 통하여 전력을 부하에 공급해야 한다는 요청이 강하다.
여기서, 일반적인 컨버터에서의 스루 모드 및 바이패스 모드에 대하여, 도 17A∼도 17D에 의거하여 간단하게 설명한다. 또한, 각 도면에서의 굵은 선 화살표는, 각 컨버터에서의 전류의 흐름을 나타낸다. 도 17A는, 당해 컨버터가 승압형의 컨버터[상기한 FC 승압 컨버터(12)가 이 타입의 컨버터이다.)일 때의 스루 모드의 모양을 나타내는 도면이다. 승압을 행하기 위한 스위치 소자를 턴 오프 상태로 함 으로써, 1차측의 전압을 그대로 2차측에 인가할 수 있다. 도 17B는, 당해 컨버터가 승압형의 컨버터로서, 승압을 위한 코일과 다이오드의 직렬체에 대하여 병렬로 바이패스용 다이오드가 접속되어 있는 컨버터에서의 바이패스 모드의 모양을 나타내는 도면이다. 승압을 행하기 위한 스위치 소자를 턴 오프 상태로 함으로써 1차측의 전압을 바이패스시켜 2차측으로 인가할 수 있다. 도 17C는, 당해 컨버터가 하프 브리지형의 컨버터일 때의 스루 모드의 모양을 나타내는 도면이다. 승압을 행하기 위한 2개의 스위치 소자 중, 도면에서 위쪽을 턴온 상태, 아래쪽을 턴 오프 상태로 함으로써 1차측의 전압을 그대로 2차측으로 인가할 수 있다. 도 17D는, 당해 컨버터가 풀 브릿지형의 컨버터일 때의 스루 모드의 모양을 나타내는 도면이다. 승압을 행하기 위한 4개의 스위치 소자 중, 도면에서 위쪽의 2개를 턴온 상태, 아래쪽의 2개를 턴 오프 상태로 함으로써, 1차측의 전압을 그대로 2차측으로 인가할 수있다. 또한, 도 17B∼도 17D에 나타내는 구성은 상기한 FC 승압 컨버터(12)의 컨버터와는 다르나, 가령 FC 승압 컨버터(12)가 이들 구성을 채용하는 경우, 각 도면에 나타내는 바와 같이 스위치 소자를 제어함으로써, 상기 스루 모드 및 바이패스 모드가 실현된다.
한편, 연료전지(11)는, 내구성 향상을 위해, 촉매의 신터링 현상을 회피하는 것이 필요하게 된다. 신터링 현상은, 연료전지(11)의 전극 상의 Pt 촉매가 응집하는 현상이며, Pt 촉매의 표면에서의 물(및 프로톤에 대한)에 대한 산화환원반응에 의해 유발된다고 되어 있다. 또한, 그와 같은 산화환원반응은, 연료전지(11)의 단자 전압이 개방 전압(OCV)에 가까운, 비교적 고전위로 야기되는 것이 알려져 있다.
그런데, 연료전지(11)가 저부하가 되면, 연료전지(11)의 IV 특성에 따라, 연료전지(11)의 단자 전압이 개방 전압(OCV)에 근접하여 간다. 그러나, 상기한 바와 같이, FC 승압 컨버터(12)를 정지하면, 연료전지(11)의 단자 전압을 제어할 수 없고, 상기 반응에 기인하는 촉매의 열화를 회피하는 것이 곤란해진다.
그래서, FC 승압 컨버터(12)를 정지한 경우에는, FC 승압 컨버터(12)와 병렬로 설치되어 있는 배터리 승압 컨버터(14)로 FC 승압 컨버터(12)의 출력측의 전압을 제어함으로써, 연료전지(11)의 단자 전압을 제어하면 된다. 즉, ECU(20)로, 연료전지(11)의 단자 전압을 감시하여, 그 단자 전압이 신터링을 회피하기 위한 기준값 미만이 되도록, 배터리 승압 컨버터(14)의 출력전압을 제어하면 된다. 이 기준값은, 예를 들면, 실험값, 경험값으로서 설정하면 된다.
또, 배터리(13)의 단자 전압이 높고, 또한, 인버터(15)의 요구 전압이 낮아, 배터리 승압 컨버터(14)의 승압비를 1 이상으로 할 수 없는 경우에는, 반대로 배터리 승압 컨버터(14)를 정지하지 않으면 안된다. 그와 같은 경우, 신터링 현상을 회피하기 위하여, FC 승압 컨버터(12)는 정지하지 않고, 인버터(15)의 요구 전압을 기준으로 하여 FC 승압 컨버터(12)에 의해, 연료전지(11)의 단자 전압을 제어하면된다.
이상의 경우에, 어느 것으로 하여도, 연료전지(11)의 단자 전압을 상기 기준값보다 아래쪽으로 제어하기 위해서는, 연료전지(11)로부터 전류를 인출하여, 전력을 소비할 필요가 있다. 이 경우의 전력은, 통상, 인버터(15), 모터(16)를 포함하는 부하로 소비된다. 그러나, 잉여 전력에 대해서는, 배터리(13)의 SOC가 낮고, 배터리(13)에 전력을 축적 가능한 상태에서는, 배터리(13)에 축적하고, 배터리(13)에 축적할 수 없는 전력은 보조기기(에어컨디셔너, 조명, 펌프 등)에서 소비하면된다.
또, 본 연료전지시스템(10)은, 차량(1)의 충돌 시에, 연료전지(11)의 출력을 차단하는 시스템으로도 되어 있다. 구체적으로는, 연료전지시스템(10)의 FC 승압 컨버터(12)의 하류측에는, 인버터(15) 및 배터리 승압 컨버터(14)와의 전기적인 접속을 ON/OFF 하기 위한 릴레이 회로가 설치되어 있다. 또한, 이미 설명한 구성으로부터 분명한 바와 같이, 연료전지시스템(10)은, FC 승압 컨버터(12)의 하류측에 흐르는 전류량이 비교적 적은 것으로 되어 있다. 이 때문에, 연료전지시스템(10)은, 상기 릴레이 회로로서, 기존의 동종의 시스템에서는 연료전지의 바로 뒤에 설치되어 있는 릴레이 회로보다, 소형의 것(저전류용의 것)을 채용한 시스템으로 되어있다.
그리고, 연료전지시스템(10)의 ECU(20)는, 차량(1)에 설치되어 있는 충돌 검출 센서의 출력에 의거하여, 충돌의 유무를 상시 감시하고, 충돌한 것을 검출한 경우에는, 릴레이 회로를 제어함으로써, FC 승압 컨버터(12)와 인버터(15) 및 배터리 승압 컨버터(14) 사이의 전기적인 접속을 절단하는 유닛으로 되어 있다.
1 : 차량 10 : 연료전지시스템
11 : 연료전지(FC) 12 : FC 승압 컨버터
12a : 메인 승압회로 12b : 보조 회로
13 : 배터리 14 : 배터리 승압 컨버터
15 : 인버터 16 : 모터
20 : ECU 21 : 액셀러레이터 페달센서
S1, S2, S3 : 스위치 소자 C1, C3 : 평활 콘덴서
C2 : 스너버 콘덴서 L1, L2, L3 : 코일
D1, D2, D3, D4, D5 : 다이오드

Claims (23)

  1. 부하의 구동을 위한 동력원이고, 전력에 의해 구동되는 구동모터와,
    산소를 포함하는 산화가스와 수소를 포함하는 연료가스의 전기화학반응에 의해 발전을 행하여 상기 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지와,
    전력의 충전 및 방전이 가능하고 해당 방전에 의해 상기 구동모터에 전력을 공급하는 2차 전지와,
    상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 승압하고, 승압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능한 제 1 승압장치와,
    상기 2차 전지로부터 출력되는 전압을 승압하고, 승압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능한 제 2 승압장치와,
    상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전력과, 상기 2차 전지의 충방전에서의 전력과, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압 시에 있어서 손실되는 전력과, 상기 제 2 승압장치에 의한 상기 2차 전지의 출력전압의 승압 시에 있어서 손실되는 전력에 의거하여 상기 구동모터의 구동 시에 있어서의 상기 연료전지의 출력전력을 산출하고, 해당 산출된 상기 연료전지의 출력전력으로부터 상기 연료전지의 출력전압을 산출하고, 해당 연료전지의 출력전압과 상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전압의 비교 결과에 의거하여, 해당 연료전지의 출력전압에 의해 해당 구동모터를 구동시킬지, 해당 연료전지의 출력전압을 승압시킨 후의 전압에 의해 해당 구동모터를 구동시킬지에 관하여 상기 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 제어하는 승압 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 부하의 구동을 위한 동력원이고, 전력에 의해 구동되는 구동모터와,
    산소를 포함하는 산화가스와 수소를 포함하는 연료가스의 전기화학반응에 의해 발전을 행하여 상기 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지와,
    전력의 충전 및 방전이 가능하고 해당 방전에 의해 상기 구동모터에 전력을 공급하는 2차 전지와,
    상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 승압하고, 승압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능한 제 1 승압장치와,
    상기 2차 전지로부터 출력되는 전압을 승강압하고, 승강압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능한 승강압장치와,
    상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전력과, 상기 2차 전지의 충방전에서의 전력과, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압 시에 있어서 손실되는 전력과, 상기 승강압장치에 의한 상기 2차 전지의 출력전압의 승강압 시에 있어서 손실되는 전력에 의거하여 상기 구동모터의 구동 시에 있어서의 상기 연료전지의 출력전력을 산출하고, 해당 산출된 상기 연료전지의 출력전력으로부터 상기 연료전지의 출력전압을 산출하고, 해당 연료전지의 출력전압과 상기 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전압의 비교 결과에 의거하여, 해당 연료전지의 출력전압에 의해 해당 구동모터를 구동시킬지, 해당 연료전지의 출력전압을 승압시킨 후의 전압에 의해 해당 구동모터를 구동시킬지에 관하여 상기 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 제어하는 승압 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 삭제
  9. 제 1항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 승압 제어수단은, 상기 구동모터에 인가되는 전압과 상기 구동모터의 구동 효율과의 상관관계에 의거하여, 상기 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 승압 제어수단은, 상기 구동모터에 인가되는 전압과 상기 구동모터의 구동 효율과의 상관관계에 의거하여, 상기 제 1 승압장치에 의한 전압 승압 및 상기 제 2 승압장치에 의한 전압 승압을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 승압 제어수단은, 상기 구동모터에 인가되는 전압과 상기 구동모터의 구동 효율과의 상관관계에 의거하여, 상기 제 1 승압장치에 의한 전압 승압 및 상기 승강압장치에 의한 전압 승강압을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  12. 제 1항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 연료전지의 출력전압이 상기 구동모터의 상기 모터 필요 전압보다 높을 때, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 금지하고, 또한 해당 연료전지의 출력전압을 해당 구동모터에 직접 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  13. 부하의 구동을 위한 동력원이고, 전력에 의해 구동되는 구동모터와,
    산소를 포함하는 산화가스와 수소를 포함하는 연료가스와의 전기화학반응에 의해 발전을 행하여 상기 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지로서, 해당 구동모터의 구동범위의 일부인 미리 정해진 구동범위에서, 해당 연료전지의 출력전압이, 해당 구동모터의 구동에 필요한 모터 필요 전압을 초과하도록 설정된 연료전지와,
    상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 승압하고, 승압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능한 제 1 승압장치와,
    상기 구동모터의 구동 시에 있어서의 상기 연료전지의 출력전압과 해당 구동모터의 상기 모터 필요 전압과의 상관관계에 의거하여, 상기 제 1 승압장치에 의한 전압 승압을 제어하는 승압 제어수단을 구비하고,
    상기 구동모터의 구동상태가 상기 미리 정해진 구동범위에 속할 때, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 제한하고, 또한 해당 연료전지의 출력전압을 해당 구동모터에 직접 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  14. 삭제
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 연료전지시스템에서의 상기 제 1 승압장치의 입력측의 전압이 상기 모터 필요 전압보다 높을 때, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 제한하고, 또한 해당 연료전지의 출력전압을 해당 구동모터에 직접 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  16. 제 13항 또는 제 15항에 있어서,
    상기 미리 정해진 구동범위는, 사용자의 상기 부하에 대한 구동 요구를 미리 정해진 비율 이상 충족시키는 경우의, 상기 구동모터의 구동이 요구되는 구동 범위인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  17. 제 13항 또는 제 15항에 있어서,
    전력의 충전 및 방전이 가능하고 해당 방전에 의해 상기 구동모터에 전력을 공급하는 2차 전지로서, 상기 미리 정해진 구동범위의 적어도 일부의 제 2의 미리 정해진 구동범위에서, 해당 2차 전지의 최대의 출력전압이, 상기 연료전지의 최대의 출력전압보다 낮게 설정되는 2차 전지와,
    상기 2차 전지로부터 출력되는 전압을 승압하고, 승압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능한 제 2 승압장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 구동모터의 구동상태가 상기 제 2의 미리 정해진 구동범위에 속할 때, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 제한하고, 또한 해당 연료전지의 출력전압을 해당 구동모터에 직접 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 연료전지시스템에서의 상기 제 1 승압장치의 입력측의 전압이 상기 모터 필요 전압보다 높고, 또한 해당 입력측의 전압이 상기 2차 전지의 최대의 출력전압보다 높을 때, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 제한하고, 또한 해당 연료전지의 출력전압을 해당 구동모터에 직접 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 구동모터의 구동상태가 상기 제 2의 미리 정해진 구동범위를 제외한 상기 미리 정해진 구동범위에 속할 때, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 제한하고, 또한 상기 2차 전지로부터 상기 구동모터에 대한 전력 공급 능력을 통상의 전력 공급 시보다 일시적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  21. 제 17항에 있어서,
    상기 연료전지시스템에서의 상기 제 1 승압장치의 입력측의 전압이 상기 2차 전지의 최대의 출력전압 이하이고, 또한 해당 연료전지시스템에서의 해당 제 1 승압장치의 출력측의 전압이 해당 2차 전지의 최대의 출력전압 이하일 때, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 제한하고, 또한 상기 2차 전지로부터 상기 구동모터에 대한 전력 공급 능력을 통상의 전력 공급 시보다 일시적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  22. 제 17항에 있어서,
    상기 제 2의 미리 정해진 구동범위는, 상기 미리 정해진 구동범위와 일치하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  23. 제 17항에 있어서,
    상기 제 2 승압장치는, 또한 상기 2차 전지로부터 출력되는 전압을 강압하고, 강압 후의 전압을 상기 구동모터에 공급하는 것이 가능하며,
    상기 구동모터의 구동상태가 상기 제 2의 미리 정해진 구동범위에 속하는지의 여부에 관계 없이 상기 미리 정해진 구동범위에 속해 있으면, 상기 승압 제어수단은, 상기 제 1 승압장치에 의한 상기 연료전지의 출력전압의 승압을 제한하고, 또한 해당 연료전지의 출력전압을 해당 구동모터에 직접 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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