KR20180020314A - 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 전력 조정 시스템은, 부하에 접속되는 연료 전지와, 연료 전지와 부하 사이에 접속되며, 해당 연료 전지의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지용 컨버터와, 부하에 대하여 연료 전지와 병렬로 접속되며, 연료 전지와는 상이한 전력 공급원인 배터리와, 배터리와 부하 사이에 접속되며, 배터리의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리용 컨버터와, 연료 전지용 컨버터의 출력 전압과 배터리용 컨버터의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, 해당 배터리용 컨버터의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하는 전압 조정부와, 배터리의 출력 전압보다도 DC 링크 전압이 높은 상황에 있어서, 배터리용 컨버터에 의해 DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시키는 리플 억제부를 구비하고 있다.

Description

전력 조정 시스템 및 그 제어 방법
본 발명은 트윈 컨버터를 구비하는 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지를 구비하는 전력 조정 시스템에 있어서, 연료 전지에 접속된 부하의 요구에 따라서, 연료 가스(예를 들어, 수소)와 산화제 가스(예를 들어, 공기)를 연료 전지에 공급함으로써, 연료 전지의 출력 전력을 부하에 공급 가능한 전력 조정 시스템이 알려져 있다.
상기와 같은 전력 조정 시스템에서는, 통상 부하에 대하여 연료 전지와 병렬로 고전압의 배터리가 설치된다. 이 배터리는, 부하의 요구에 대하여 축전 전력을 부하에 출력함으로써, 연료 전지에서 발전된 전력을 보조한다.
이와 같은 전력 조정 시스템에서는, 부하의 요구 전압과, 연료 전지의 출력 가능 전압과, 배터리의 충전 전압에 기초하여, 연료 전지와 부하 사이나 배터리와 부하 사이에 각 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 컨버터가 설치되는 경우가 있다.
JP5143665B에는, 부하에 대하여, 연료 전지와 배터리가 병렬로 설치됨과 함께, 연료 전지 및 배터리의 출력측에 각각 컨버터가 설치된 전력 시스템이 개시된다. 이 전력 시스템은, 연료 전지와 배터리 중 적어도 한쪽의 출력 전류를 다른 쪽의 컨버터에 의해 제어하도록 구성된다.
또한, 전력 조정 시스템이 차량에 탑재되는 경우, 차량의 내리막길 주행 시나 감속 시에 있어서, 구동 모터가 회생 동작을 행하면, 회생 전력이 발생한다. 이 회생 전력은, 배터리의 충전 상태에 기초하여, 배터리의 충전에 이용된다. 이와 같이, 배터리용 컨버터에는, 배터리로부터 부하로의 전류의 흐름과, 부하로부터 배터리로의 전류의 흐름이 발생하게 된다.
그런데, 본 출원의 발명자는, 이와 같은 2개의 컨버터(트윈 컨버터)를 구비하는 전력 조정 시스템에서는, 배터리용 컨버터를 통과하는 전류(이하, 「통과 전류」라 함)가 0A 근방이며, 연료 전지의 출력 전류가 저전류 영역인 경우에는, 배터리용 컨버터의 제어성이 악화된다는 문제를 찾아냈다.
즉, 이와 같은 상황 하에서, 연료 전지용 컨버터의 스위칭 동작을 개시하면, 연료 전지용 컨버터의 출력 전압 및 배터리용 컨버터의 출력 전압이 되는 DC 링크 전압의 제어성이 나빠, DC 링크 전압이 제어량에 대하여 과도해져 버린다는 문제가 있다.
이 DC 링크 전압은, 인버터에 의한 직류 교류 변환 후에는, 차량의 주행용 모터(구동 모터)에 인가하는 전압이 된다. 그 때문에, DC 링크 전압의 과도함에 의해 그 제어성이 악화되면, 후단의 구동 모터에 있어서 토크 변동이 발생해 버린다.
이와 같은 과제는, 이하와 같은 원인에 의해 발생하는 것으로 상정된다. 즉, 연료 전지의 출력 전압이 배터리의 출력 전압보다도 커지는 조건에서는, 배터리용 컨버터의 강압용 및 승압용 스위칭 소자의 스위치가 전환될 때에 제어 지연이 발생해 버린다. 그리고, 이 스위칭의 제어 지연에 의해, 연료 전지의 출력 전류가 배터리측으로 흐를 수 없어, DC 링크측 평활 콘덴서에 충전되어 버려, DC 링크 전압이 과도해져 버리기 때문이라고 상정된다.
본 발명은 상술한 문제점에 주목하여 이루어진 것이며, 배터리용 컨버터의 제어 지연을 해소하여, DC 링크 전압의 제어의 과도함을 해소할 수 있는 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 본 발명의 전력 조정 시스템은, 부하에 접속되는 연료 전지와, 연료 전지와 부하 사이에 접속되며, 연료 전지의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지용 컨버터와, 부하에 대하여 연료 전지와 병렬로 접속되며, 연료 전지와는 상이한 전력 공급원인 배터리와, 배터리와 부하 사이에 접속되며, 배터리의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리용 컨버터를 구비한다. 또한, 본 발명의 전력 조정 시스템은, 연료 전지용 컨버터의 출력 전압과 배터리용 컨버터의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, 배터리용 컨버터의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하는 전압 조정부와, 배터리의 출력 전압보다도 DC 링크 전압이 높은 상황에 있어서, 배터리용 컨버터에 의해 DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시키는 리플 억제부를 더 구비한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 전력 조정 시스템의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 연료 전지용 컨트롤러의 기능적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 실시 형태에 있어서의 배터리용 DC/DC 컨버터의 각 스위칭 소자에 출력해야 할 PWM 신호의 파형이다.
도 4는 본 실시 형태의 PWM 신호를 생성하기 위한 삼각파의 파형이다.
도 5는 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 본 실시 형태의 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 전력 조정 시스템의 변형예의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 제1 실시 형태의 변형예에 있어서의 배터리용 DC/DC 컨버터의 각 스위칭 소자에 출력해야 할 PWM 신호의 파형이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 전력 조정 시스템의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 제1 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 제2 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 제3 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 12는 제2 실시 형태의 변형예에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 제1 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 13은 제2 실시 형태의 변형예에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 제2 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 14는 제2 실시 형태의 변형예에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 제3 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 전력 조정 시스템(100)[이하, 간단히 「전력 조정 시스템(100)」이라 함]의 전체 구성을 도시하는 도면이다. 본 발명의 전력 조정 시스템(100)은 강전 배터리를 구비하고, 연료 전지를 구동원으로 하는 차량에 사용되는 것이다. 이 전력 조정 시스템(100)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 예를 들어 구동 모터(2)로 차량을 구동하는 전기 자동차에 탑재된다. 또한, 이 전력 조정 시스템(100)은 연료 전지를 구동원으로 하는 것이면, 연료 전지 차량(연료 전지를 이용한 전기 자동차) 이외의 장치 등의 부하에도 적용할 수 있다.
본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)과, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(연료 전지 컨버터)(5)와, 강전 배터리(20)[이하, 간단히 「배터리(20)」라 함]와, 보조 기기류(30)와, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(배터리 컨버터)(8)를 구비한다. 또한, 전력 조정 시스템(100)은 연료 전지 스택(1)을 포함하는 전력 조정 시스템(100) 전체를 제어하는 연료 전지용 컨트롤러(10)와, DC/DC 컨버터(5)를 제어하는 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)와, DC/DC 컨버터(8)를 제어하는 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)를 구비한다. 또한, 전력 조정 시스템(100)은 부하로서의 구동 모터(2)와, 연료 전지 스택(1) 및 배터리(20)로부터 입력되는 직류 전력을 구동 모터(2)에의 교류 전력으로 스위칭 제어하는 구동 인버터(3)를 구비한다.
연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)는 연료 전지 스택(1)과 구동 인버터(3)[구동 모터(2)] 사이에 설치된다. 이 DC/DC 컨버터(5)는 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 구동 인버터(3)의 입력 전압으로 변환하는 것이다. 본 실시 형태에서는, DC/DC 컨버터(5)는 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 구동 모터(2)의 구동 전압에 적합한 전압으로 승압하기 위한 승압 컨버터이다.
본 실시 형태에서는, DC/DC 컨버터(5)는 3상의 컨버터로 구성된다. 또한, DC/DC 컨버터(5)의 상수는 3상 이상이어도 되고, 단상이어도 된다.
DC/DC 컨버터(5)는, 도 1에 도시한 바와 같이, U상 컨버터와, V상 컨버터와, W상 컨버터의 3개의 컨버터로 구성된다. U상, V상 및 W상 컨버터에는, 3개의 리액터(5U, 5V, 5W)가 각각 포함된다. 또한, U상 컨버터, V상 컨버터 및 W상 컨버터는 마찬가지의 구성을 갖는다. 그 때문에, 이하에서는, U상 컨버터를 대표로 하여, 그 구성을 설명한다.
U상 컨버터는 리액터(5U)와, 강압측 스위칭 소자(51U)와, 정류 다이오드(52U)와, 승압측 스위칭 소자(53U)와, 환류 다이오드(54U)를 구비한다. 스위칭 소자(51U)는 정류 다이오드(52U)와 역병렬 접속되고, 스위칭 소자(53U)는 환류 다이오드(54U)와 역병렬 접속되어 있다. 이들 스위칭 소자(51U, 54U)는, 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors)로 구성된다.
리액터(5U)는, 그 일단이 전류 센서(61)를 통해 연료 전지 스택(1)의 정극측 출력 단자에 접속되고, 타단이 스위칭 소자(51U) 및 정류 다이오드(52U)의 일단과, 스위칭 소자(53U) 및 환류 다이오드(54U)의 일단에 접속된다. 스위칭 소자(51U) 및 정류 다이오드(52U)의 타단은, 구동 인버터(3)의 정극측 입력 단자에 접속된다. 또한, 스위칭 소자(53U) 및 환류 다이오드(54U)의 타단은, 연료 전지 스택(1)의 부극측 출력 단자와, 구동 인버터(3)의 부극측 입력 단자에 접속된다.
연료 전지 스택(1)의 출력 단자간에는, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 검출하기 위한 전압 센서(62)와, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 평활화하기 위한 콘덴서(63)가 병렬로 접속된다. 콘덴서(63)는 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 평활화하는 것이며, 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 출력에 있어서의 리플 성분을 저감시킬 수 있다.
또한, DC/DC 컨버터(5)의 출력 단자간에는, DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압을 평활화하기 위한 콘덴서(64)와, DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압[구동 인버터(3)의 입력 전압]을 검출하기 위한 전압 센서(65)가 병렬로 접속된다. 이 콘덴서(64)에 의해, DC/DC 컨버터(5)의 출력에 있어서의 리플 성분을 저감시킬 수 있다.
또한, DC/DC 컨버터(5)의 출력 단자 및 DC/DC 컨버터(8)의 출력 단자의 접속 단자와, 구동 인버터(3)의 입력 단자 사이에는, 구동 인버터(3)의 입력 전압을 평활화하기 위한 콘덴서(66)가 설치된다.
연료 전지 스택(1)은 DC/DC 컨버터(5) 및 구동 인버터(3)를 통해, 전력 조정 시스템(100)의 부하가 되는 구동 모터(2)에 접속된다. 연료 전지 스택(1)은 도시하지 않은 캐소드 가스 급배 장치 및 애노드 가스 급배 장치로부터 캐소드 가스(산화제 가스) 및 애노드 가스(연료 가스)의 공급을 받아, 구동 모터(2) 등의 전기 부하에 따라서 발전하는 적층 전지이다. 연료 전지 스택(1)에는, 예를 들어 수백매의 연료 전지가 적층되어 있다.
연료 전지 스택(1)에는, 애노드 가스의 급배기 통로나 캐소드 가스의 급배기 통로, 각 통로에 설치되는 압력 조절 밸브, 냉각수 순환 통로나 냉각수 펌프, 라디에이터, 연료 전지 스택(1)의 냉각 장치 등의 많은 장치가 접속되어 있다. 그러나, 이들은 본 발명의 기술적 특징과는 관계성이 낮으므로, 그것들의 도시를 생략하였다.
구동 모터(2)는 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)이 탑재되는 차량을 구동하는 것이다. 구동 인버터(3)는 연료 전지 스택(1)이나 배터리(20)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 변환한 교류 전력을 구동 모터(2)에 공급하는 것이다. 구동 모터(2)는 구동 인버터(3)에 의해 공급되는 교류 전력에 의해 회전 구동되고, 그 회전 에너지를 후단에 공급한다. 또한, 도시하지 않지만, 구동 모터(2)는 디퍼렌셜 및 샤프트를 통해 차량의 구동륜에 연결되어 있다.
차량의 내리막길 주행 시나 감속 시에는, 배터리(20)의 충전 상태에 따라서, 구동 인버터(3) 및 DC/DC 컨버터(8)를 통해, 구동 모터(2)의 회생 전력이 배터리(20)에 공급되어, 배터리(20)가 충전된다. 또한, 차량의 역행 시에는, 연료 전지 스택(1)의 발전 전력이나 배터리(20)로부터의 축전 전력에 의해, 구동 모터(2)가 회전하고, 그 회전 에너지가 도시하지 않은 차량의 구동륜에 전달된다.
구동 모터(2)의 근방에는, 구동 모터(2)의 모터 회전수를 검출하는 모터 회전수 검출부(21)와, 구동 모터(2)의 모터 토크를 검출하는 모터 토크 검출부(22)가 설치된다. 이들 검출부(21, 22)에 의해 검출된 구동 모터(2)의 모터 회전수 및 모터 토크는 연료 전지용 컨트롤러(10)에 출력된다.
배터리(20)는 충방전 가능한 이차 전지이며, 예를 들어 300V(볼트)의 리튬 이온 배터리이다. 배터리(20)는 보조 기기류(30)에 접속되어, 보조 기기류(30)의 전원을 구성한다. 또한, 배터리(20)는 DC/DC 컨버터(8)를 통해, 구동 인버터(3) 및 DC/DC 컨버터(5)에 접속된다. 즉, 배터리(20)는 전력 조정 시스템(100)의 부하인 구동 모터(2)에 대하여, 연료 전지 스택(1)과 병렬로 접속된다.
배터리(20)의 출력 단자에는, 보조 기기류(30)와 병렬로, 배터리(20)의 출력 전압을 검출하기 위한 전압 센서(67)와, 배터리(20)의 출력 전압을 평활화하기 위한 콘덴서(68)가 접속된다.
배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)는 배터리(20)와 구동 인버터(3)[구동 모터(2)] 사이에 설치된다. 이 DC/DC 컨버터(8)는 배터리(20)의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 구동 인버터(3)의 입력 전압으로 변환하는 것이다. 또한, 후술하는 바와 같이, DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압은, DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압과 링크(동기)시키도록 제어된다.
본 실시 형태에서는, DC/DC 컨버터(8)는 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)와는 달리, a상 컨버터 및 b상 컨버터의 2상을 포함하는 컨버터이다. 또한, DC/DC 컨버터(8)의 상수는 2상에 한하지 않고, 부하의 요구 전압 등을 고려하여, 3상 이상이어도 된다.
a상 컨버터 및 b상 컨버터에는, 2개의 리액터(81a 및 81b)가 각각 포함된다. 또한, a상 컨버터 및 b상 컨버터는 마찬가지의 구성을 갖는다. 그 때문에, 이하에서는, a상 컨버터를 대표로 하여, 그 구성을 설명한다.
a상 컨버터는, 도 1에 도시한 바와 같이, 리액터(81a)와, 강압측 스위칭 소자(82a)와, 정류 다이오드(83a)와, 승압측 스위칭 소자(84a)와, 환류 다이오드(85a)를 구비한다. 스위칭 소자(82a)는 정류 다이오드(83a)와 역병렬 접속되고, 스위칭 소자(84a)는 환류 다이오드(85a)와 역병렬 접속되어 있다. 이들 스위칭 소자(82a, 84a)는, 예를 들어 IGBT로 구성된다.
리액터(81a)는 그 일단이 배터리(20)의 정극측 출력 단자에 접속되고, 타단이 스위칭 소자(82a) 및 정류 다이오드(83a)의 일단과, 스위칭 소자(84a) 및 환류 다이오드(85a)의 일단에 접속된다. 스위칭 소자(82a) 및 정류 다이오드(83a)의 타단은, 구동 인버터(3)의 정극측 입력 단자에 접속된다. 또한, 스위칭 소자(84a) 및 환류 다이오드(85a)의 타단은, 배터리(20)의 부극측 출력 단자와, 구동 인버터(3)의 부극측 입력 단자에 접속된다.
DC/DC 컨버터(8)의 출력 단자간에는, DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압을 평활화하기 위한 콘덴서(70)와, DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압(DC 링크 전압)을 검출하기 위한 전압 센서(69)가 접속된다.
보조 기기류(30)는 주로 연료 전지 스택(1)에 부속되는 부품이며, 상술한 바와 같은 캐소드 가스 급배 장치 및 애노드 가스 급배 장치나, 도시하지 않은 공기 컴프레서, 냉각 펌프 등을 포함한다. 또한, 보조 기기류(30)의 각종 부품이 약전 기기인 경우, 배터리(20)와 대상이 되는 보조 기기류(30) 사이에 도시하지 않은 강압 DC/DC 컨버터를 설치하면 된다. 그 대신에, 약전 기기용의 도시하지 않은 약전 배터리를 설치해도 된다.
연료 전지용 컨트롤러(10)는, 도시하지 않지만, 중앙 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 구비한 마이크로컴퓨터로 구성된다. 연료 전지용 컨트롤러(10)에는, 전류 센서(61) 및 전압 센서(62)에 의해 검출된 연료 전지 스택(1)의 출력 전류값 및 출력 전압값이 입력된다.
또한, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 각 센서(61, 62)로부터 입력된 연료 전지 스택(1)의 출력 전류값 및 출력 전압값과, 각 검출기(21, 22)로부터 입력된 구동 모터(2)의 모터 회전수 및 모터 토크에 기초하여, DC/DC 컨버터(5) 및 DC/DC 컨버터(8)를 작동시키기 위한 지령을 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)와 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 각각 출력한다.
연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는, 연료 전지용 컨트롤러(10)로부터의 지령에 기초하여, DC/DC 컨버터(5)를 제어하는 것이다. 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는, 본 실시 형태에서는, 연료 전지용 컨트롤러(10)로부터의 지령(FC 전압 지령)에 기초하여, DC/DC 컨버터(5)의 각 상의 스위칭 소자(51U∼51W, 53U∼53W)를 ON/OFF 제어한다.
구체적으로는, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)에는, 전압 센서(62)에 의해 검출된 연료 전지 스택(1)의 출력 전압값[DC/DC 컨버터(5)의 입력 전압값]과, 전압 센서(65)에 의해 검출된 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압값이 입력된다. 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는 DC/DC 컨버터(5)의 전압비(출력 전압/입력 전압)가 연료 전지용 컨트롤러(10)로부터의 지령값(FC 전압 지령값)이 되도록, DC/DC 컨버터(5)의 각 스위칭 소자(51U∼51W, 53U∼53W)를 스위칭 제어한다.
배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는, 연료 전지용 컨트롤러(10)로부터의 지령에 기초하여, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)를 제어하는 것이다. 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4) 및 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는, 구동 인버터(3)에의 입력 전압이 동일한 전압(DC 링크 전압)이 되도록, DC/DC 컨버터(5)에 의한 전압비 및 DC/DC 컨버터(8)에 의한 전압비를 각각 제어한다.
배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에는, 전압 센서(67)에 의해 검출된 배터리(20)의 출력 전압값[DC/DC 컨버터(8)의 입력 전압값]과, 전압 센서(69)에 의해 검출된 DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압값이 입력된다. 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는, DC/DC 컨버터(8)의 전압비(출력 전압/입력 전압)가 연료 전지용 컨트롤러(10)로부터의 지령값(DC 링크 전압 지령값)이 되도록, DC/DC 컨버터(8)의 각 스위칭 소자(82a, 82b, 84a, 84b)를 스위칭 제어한다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지용 컨트롤러(10)의 기능적 구성을 도시하는 블록도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지용 컨트롤러(10)는 임피던스 산출부(11)와, 리플 억제부(12)와, 습윤 상태 추정부(13)와, 전압 조정부(14)를 포함한다.
임피던스 산출부(11)는 전류 센서(61)에 의해 검출되는 연료 전지 스택(1)의 출력 전류의 소정 주파수의 교류 성분과, 전압 센서(62)에 의해 검출되는 출력 전압의 소정 주파수의 교류 성분에 기초하여, 연료 전지 스택(1)의 임피던스(내부 임피던스)를 산출한다. 또한, 「소정 주파수」로서는, 예를 들어 1㎑이다.
또한, 임피던스 산출부(11)에 의해 연료 전지 스택(1)의 임피던스를 산출하기 위해서는, 예를 들어 DC/DC 컨버터(5)의 스위칭 소자(51U, 53U)에 의한 스위칭 동작에 의해, 소정 주파수의 교류 신호를 생성하고, 생성한 교류 신호를 연료 전지 스택(1)에 출력한다. 그리고, 그 상태에 있어서의 연료 전지 스택(1)으로부터의 출력 전류 및 출력 전압을 검출함으로써, 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스를 측정할 수 있다.
여기서, 연료 전지 스택(1)의 산출된 임피던스는, 그 연료 전지 스택(1)의 출력 전류 및 출력 전압을 검출한 시점에 있어서의 연료 전지 스택(1)의 습윤도와 상관 관계가 있다. 즉, 연료 전지 스택(1)의 임피던스가 높을수록, 연료 전지 스택(1)이 과건조 상태에 가까워지게 된다. 한편, 연료 전지 스택(1)의 임피던스가 낮을수록, 과가습 상태에 가까워지게 된다.
리플 억제부(12)는 소정의 조건 하에서, DC/DC 컨버터(8)를 제어하여, DC 링크 전압의 리플 성분(교류 성분)에 의한 과도함을 억제하는 것이다. 「소정의 조건」이란, 배터리(20)의 출력 전압보다도 DC 링크 전압[이 경우, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압]이 높고, DC/DC 컨버터(8)의 통과 전류량이 소정의 전류값(소정값)보다도 작은 것이다.
여기서, 「소정값」이란, 전류 센서(71)[또는 전류 센서(61)]의 검출 오차, DC/DC 컨버터(5)의 스위칭 동작에 의한 전류 변동폭, 후술하는 리플 억제 처리의 실행까지 상정되는 전류 변동폭 등으로부터 실험이나 시뮬레이션에 기초하여 결정되는 값이다.
이와 같은 조건 하에서는, DC/DC 컨버터(8)를 통과하는 전류는, 그 방향을 빈번하게 전환하게 된다. 연료 전지 스택(1)의 출력 전류가 구동 모터(2)에 필요한 전류량보다도 큰 경우에는, 이 출력 전류의 일부가 DC/DC 컨버터(8)를 통해 배터리(20)에 유입된다.
그러나, DC 링크 전압이 되는 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압[즉, 전압 센서(65)에 의해 검출되는 전압]이 DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압[즉, 전압 센서(69)에 의해 검출되는 전압]보다도 낮은 경우에는, 그 전류는, 콘덴서(64)에 충전되어 버린다. 이와 같이 잉여 전류가 콘덴서(64)에 충전되어 버리면, DC 링크 전압이 급증하여, 과도해져 버린다. 리플 억제부(12)는 이와 같은 상황 하에서, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)를 통해 DC/DC 컨버터(8)를 제어함으로써, DC 링크 전압의 과도함을 억제할 수 있다.
도 3은 본 실시 형태에 있어서의 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 각 스위칭 소자(82a, 82b, 84a, 84b)에 출력해야 할 PWM 신호의 파형이다. 또한, 본 예에서는, DC/DC 컨버터(8)가 배터리(20)의 출력 전압을 2배로 승압하는 경우에 대하여 설명한다.
도 3의 (a)는 스위칭 소자(82a)에 출력되는 PWM 신호의 파형이며, 50％의 ON 듀티비의 신호이다. 도 3의 (b)는 스위칭 소자(84a)에 출력되는 PWM 신호의 파형이며, 45％의 ON 듀티비의 신호이다. 또한, 도 3의 (c)는 스위칭 소자(82b)에 출력되는 PWM 신호의 파형이며, 45％의 ON 듀티비의 신호이다. 도 3의 (d)는 스위칭 소자(84b)에 출력되는 PWM 신호의 파형이며, 50％의 ON 듀티비의 신호이다.
본 실시 형태에서는, 리플 억제부(12)는 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 의해, DC/DC 컨버터(8)의 각 상의 컨버터의 한쪽 스위칭 소자에 50％ ON 듀티의 PWM 신호를 출력시키고, 다른 쪽 스위칭 소자에 45％ ON 듀티의 PWM 신호를 출력시킨다.
통상, 제어 지연에 의한 DC/DC 컨버터(8)의 단락을 방지하기 위해, 강압용 스위칭 소자(82a, 82b)와, 승압용 스위칭 소자(84a, 84b)의 ON 듀티의 합계를 100％로는 하지 않고, 5％의 무효 시간을 설정하고 있다. 이 무효 시간의 설정에 의해, DC/DC 컨버터(8)의 단락은 효과적으로 방지할 수 있지만, 제어 지연이 발생해 버린다. 그리고, 그 제어 지연이 발생한 상황 하에서, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 스위칭 제어를 개시하면, DC 링크 전압의 제어성이 크게 악화되게 된다.
그 때문에, 본 실시 형태에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 4개의 스위칭 소자(82a, 82b, 84a, 84b)에 도시한 PWM 신호를 입력함으로써, 이 제어 지연을 효과적으로 억제할 수 있다. 즉, 리플 억제부(12)는 a상 컨버터의 강압용 스위칭 소자(82a)의 ON 듀티비와, b상 컨버터의 승압용 스위칭 소자(84b)의 ON 듀티비의 합계를 100％로 설정한다. 이에 의해, DC/DC 컨버터(8)는 외관상 100％의 듀티비로 제어되고 있는 것과 동등하게 되어, 제어 지연을 발생시키는 일이 없다. 따라서, 상술한 바와 같은 DC 링크 전압의 제어성의 악화를 효과적으로 억제할 수 있다.
리플 억제부(12)는 전류 센서(71)에 의해 검출되는 DC/DC 컨버터(8)의 통과 전류의 크기가 소정값 미만인 경우에는, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 상술한 PWM 신호를 생성시켜, DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시킨다. 이 통과 전류가 소정값 미만인 상태는, 소위 DC/DC 컨버터(8)의 불감대의 상태가 된다.
한편, 리플 억제부(12)는 전류 센서(61)에 의해 검출되는 연료 전지 스택(1)의 출력 전류의 크기가 소정값 미만인 경우에는, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 상술한 PWM 신호를 생성시켜, DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시켜도 된다. 이와 같이, 연료 전지 스택(1)의 출력 전류가 작을 때에는, DC 링크 전압의 리플 성분이 생성되기 쉽다고 생각되므로, 이와 같은 상황에 있어서도 후술하는 리플 억제 처리를 실행해도 된다.
여기서, 도 3에 도시한 PWM 신호의 생성 방법을 간단히 설명한다. 무효 시간에 상당하는 비율, 예를 들어 5％의 무효 시간이면, 한쪽 PWM 신호의 ON 듀티를 2.5％씩 저감시키게 된다. 이 신호를 생성하기 위해, 삼각파를 사용할 수 있다.
도 4는 본 실시 형태의 PWM 신호를 생성하기 위한 삼각파의 파형이다. 도 4의 (e)에 도시한 바와 같이, 1개의 삼각파를 생성하고, 상방향으로 소정의 높이만큼 이동한 마찬가지의 삼각파를 중첩한다. 그리고, DC/DC 컨버터(8)의 요구 전압비에 기초하여, PWM 지령값이 결정되고, 그 지령값으로 수평선을 긋고, 각 삼각파의 교점에 기초하여, ON/OFF를 전환한 PWM 신호를 생성한다. 이와 같이, 특별한 하드웨어를 사용하지 않고, DC/DC 컨버터(8)의 지령용 PWM 파형을 간단히 생성할 수 있다.
2개의 생성된 PWM 신호는, 50％ ON 듀티비의 파형이 a상의 강압용 스위칭 소자(82a)와 b상의 승압용 스위칭 소자(84b)에 입력되고, 45％ ON 듀티비의 파형이 a상의 승압용 스위칭 소자(84a)와 b상의 강압용 스위칭 소자(82b)에 입력된다.
도 2로 되돌아가서, 습윤 상태 추정부(13)는 임피던스 산출부(11)에 의해 산출된 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스에 기초하여, 해당 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 추정한다. 이와 같이 추정된 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태는, 연료 전지 스택(1)의 동작, 특히 애노드 가스나 캐소드 가스의 공급 압력이나 공급 유량을 제어하기 위해 사용된다. 또한, 연료 전지 스택(1)의 동작 제어에 대해서는, 그 동작 상태에 따라서, 공지의 제어 방법에 의해 실행되면 된다. 그 때문에, 본 명세서에서는, 연료 전지 스택(1)의 제어 방법에 대해서는, 그 상세한 설명을 생략한다.
추정된 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태는, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압의 승압 제어 및 배터리(20)의 출력 전압의 DC 링크 제어[DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압과 DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압을 링크(동기)시키기 위한 제어]를 위해, 전압 조정부(14)에 출력된다.
전압 조정부(14)에는, 모터 회전수 검출부(21) 및 모터 토크 검출부(22)에 의해 검출된 구동 모터(2)의 모터 회전수 및 모터 토크가 입력된다. 전압 조정부(14)는 구동 모터(2)의 각종 데이터와, 임피던스 산출부(11)에 의해 산출된 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스와, 습윤 상태 추정부(13)에 의해 추정된 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태 등에 기초하여, 연료 전지 스택(1)의 구동 상태를 나타내는 FC 전압 지령값과, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 출력측 전압을 DC/DC 컨버터(5)의 출력측 전압에 링크시키기 위한 DC 링크 전압 지령값을 연산한다.
그리고, 전압 조정부(14)는 연산한 FC 전압 지령값을 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)에 출력함과 함께, 연산한 DC 링크 전압 지령값을 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 출력한다.
구체적으로는, 전압 조정부(14)는 구동 모터(2)의 모터 하한 전압과, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압[즉, DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압]에 기초하여, DC 링크 전압 지령값을 구동 모터(2)의 모터 하한 전압과 연료 전지 스택(1)의 출력 전압 중 어느 것으로 해야 할지를 결정한다. 그리고, DC 링크 전압 지령값에 기초하여, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는 DC/DC 컨버터(5)의 전압비를 설정함과 함께, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 전압비를 설정한다.
또한, 전압 조정부(14)는 모터 회전수 검출부(21) 및 모터 토크 검출부(22)에 의해 검출된 구동 모터(2)의 모터 회전수 및 모터 토크에 기초하여, 구동 모터(2)가 동작 가능한 구동 인버터(3)의 공급 전압을 산출하고 있다.
또한, 전압 조정부(14)는 본 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압과 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하도록 구성된다.
다음에, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템의 동작을 설명한다. 도 5는 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 본 실시 형태의 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다. 연료 전지용 컨트롤러(10)는 소정의 시간 간격으로 이 리플 억제 처리를 실행하면 된다.
이 리플 억제 처리에서는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 전류 센서(71)를 사용하여, DC/DC 컨버터(8)를 통과하는 통과 전류를 검출한다(스텝 S101). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 검출한 통과 전류의 절댓값(어느 방향으로 흐르고 있는지는 불문함)이 소정값 미만인지 여부를 판정한다(스텝 S102). 통과 전류의 절댓값이 소정값 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 리플 억제 처리를 종료한다.
한편, 통과 전류의 절댓값이 소정값 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 상태가 되고 나서 소정 시간이 경과하였는지 여부를 판정한다(스텝 S103). 연료 전지용 컨트롤러(10)는 소정 시간이 될 때까지는 스텝 S102 및 S103의 처리를 반복한다.
그리고, 소정 시간이 되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 도 4에 도시한 바와 같은 방법에 의해, 리플 억제용 PWM 신호를 생성하고(스텝 S104), 생성한 PWM 신호에 기초하여, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)를 구동 제어한다(스텝 S105).
계속해서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 DC/DC 컨버터(8)의 통과 전류의 절댓값이 소정값보다도 커졌는지 여부를 판정한다(스텝 S106). 이 통과 전류의 절댓값이 소정값보다 커졌다고 판정할 때까지, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 스텝 S106에서 대기한다. 이에 의해, 리플 전류가 충분히 억제될 때까지, DC/DC 컨버터(8)에 의한 리플 억제용 PWM 제어를 실행한다.
통과 전류의 절댓값이 소정값보다도 커졌다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 상태가 되고 나서 소정 시간이 경과하였는지 여부를 판정한다(스텝 S107). 연료 전지용 컨트롤러(10)는 소정 시간이 될 때까지는 스텝 S106 및 S107의 처리를 반복한다.
그리고, 소정 시간이 되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)를 통상의 구동 제어, 즉, DC 링크 전압으로 승압하는 제어를 실행하고, 이 리플 억제 처리를 종료한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)은 부하가 되는 구동 모터(2)[구동 인버터(3)를 포함함]에 접속되는 연료 전지 스택(1)(연료 전지)과, 연료 전지 스택(1)과 구동 인버터(3) 사이에 접속되며, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)(연료 전지용 컨버터)와, 구동 모터(2)에 대하여 연료 전지 스택(1)과 병렬로 접속되며, 연료 전지 스택(1)과는 상이한 전력 공급원인 고압 배터리(이차 전지)(20)(배터리)와, 배터리(20)와 구동 인버터(3) 사이에 접속되며, 배터리(20)의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)(배터리용 컨버터)를 구비하고 있다. 또한, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)은 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압과 DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하는 전압 조정부(14)와, 배터리(20)의 출력 전압보다도 DC 링크 전압이 높은 상황에 있어서, DC/DC 컨버터(8)에 의해 DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시키는 리플 억제부(12)를 더 구비하고 있다. 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)은 상기와 같은 구성을 구비하고 있으므로, 이하와 같은 작용ㆍ효과를 발휘한다.
배터리(20)의 출력 전압보다도 DC 링크 전압이 높은 상황, 즉, 배터리(20)의 출력 전압을 DC/DC 컨버터(8)에 의해 승압하고 있는 상황에 있어서는, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)에 의해 DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시키도록 구성하였다. 이에 의해, 그와 같은 상황에 있어서, DC 링크 전압의 리플 성분이 억제되므로, 구동 모터(2)의 토크 변동을 억제할 수 있다. 또한, DC 링크 전압이 과도해지는 것을 억제할 수 있으므로, DC 링크측[DC/DC 컨버터(5) 및 DC/DC 컨버터(8)의 출력측]의 전기 부품의 내압 제한을 완화할 수 있다. 이에 의해, 전력 조정 시스템(100) 전체의 제조 비용을 저감할 수 있다.
본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에서는, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)는 복수의 상(본 실시 형태에서는, 2상)으로 구성되어 있고, 2상의 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 각 상인 a상 및 b상은, 각각, 승압용 스위칭 소자(84a, 84b)와, 강압용 스위칭 소자(82a, 82b)를 포함한다. 그리고, 리플 억제부(12)는 1상의 배터리용 컨버터(본 실시 형태에서는, b상 컨버터)의 승압용 스위칭 소자(84b)와, 다른 상의 배터리용 컨버터(본 실시 형태에서는, a상 컨버터)의 강압용 스위칭 소자(82a)를 포함하여 구성된다. 리플 억제부(12)는 b상 컨버터의 승압용 스위칭 소자(84b)의 온 듀티비(본 실시 형태에서는, 50％)와, a상 컨버터의 강압용 스위칭 소자(82a)의 온 듀티비(본 실시 형태에서는, 50％)의 합계(본 실시 형태에서는, 100％)가, 각 상에 있어서의 승압용 스위칭 소자(84a 또는 84b)의 온 듀티비(본 실시 형태에서는, 45％ 또는 50％) 및 강압용 스위칭 소자(82a 또는 82b)의 온 듀티비(본 실시 형태에서는, 50％ 또는 45％)의 합계(본 실시 형태에서는, 95％)보다도 커지도록, b상 컨버터의 승압용 스위칭 소자(84b)와, a상 컨버터의 강압용 스위칭 소자(82a)의 각 듀티비를 설정하도록 구성된다. PWM 신호의 듀티비를 이와 같이 설정함으로써, DC/DC 컨버터(8)의 승강압의 전환 시에 있어서, 불감대 영역을 좁게 할 수 있으므로, DC 링크 전압의 리플 성분의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 구동 모터(2)의 토크 변동을 억제할 수 있다.
본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에서는, 리플 억제부(12)는 b상 컨버터의 승압용 스위칭 소자(84b)의 온 듀티비(본 실시 형태에서는, 50％)와, a상 컨버터의 강압용 스위칭 소자(82a)의 온 듀티비(본 실시 형태에서는, 50％)의 합계를 100％로 설정하도록 구성된다. 각 ON 듀티비를 이와 같이 설정함으로써, 불감대 영역에서의 제어를 설정하지 않고, DC/DC 컨버터(8)의 승강압의 전환을 실행할 수 있다. 이에 의해, DC 링크 전압의 리플 성분의 생성을 대폭 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에서는, a상 컨버터 및 b상 컨버터에서는, 승압용 스위칭 소자(84a, 84b)와, 강압용 스위칭 소자(82a, 82b) 사이에 무효 시간(본 실시 형태에서는, ON 듀티비의 5％)이 설정되도록 구성된다. 이에 의해, DC/DC 컨버터(8)의 승강압의 전환 시에, 단락하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같은 방법에 의해, PWM 신호를 생성함으로써, 특별한 하드웨어를 사용하지 않고, 간단하게 PWM 신호를 생성할 수 있다.
본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에서는, 리플 억제부(12)는 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 통과 전류의 크기(절댓값)가 소정값 미만일 때, DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시키는 리플 억제 처리를 실행하도록 구성된다. 이와 같은 조건에 기초하여, 리플 억제 처리를 실행함으로써, 보다 적절한 타이밍에 DC 링크 전압의 리플 성분의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 이 통과 전류의 크기는, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이, 2개의 리액터(81a, 81b)와, 배터리(20) 사이에 설치된 전류 센서(71)에 의해 검출된다. 이에 의해, 각 리액터(81a, 81b)간의 전류의 배분 변동의 영향을 받지 않으므로, DC 링크측 전기 부품의 내성 요구가 완화되어, 전력 조정 시스템(100) 전체의 제조 비용을 저감할 수 있다.
본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에서는, 리플 억제부(12)는 연료 전지 스택(1)의 출력 전류의 크기가 소정값 미만일 때, DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시키도록 구성되어도 된다. 이와 같은 상황 하에서도 DC 링크 전압의 리플 성분의 발생이 우려되므로, 보다 적절한 타이밍에 DC 링크 전압의 리플 성분의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
상술한 제1 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)용의 3상을 포함하는 DC/DC 컨버터(5)와, 배터리(20)용의 2상을 포함하는 DC/DC 컨버터(8)를 사용한 경우를 일례로서 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 구성에 한정되지 않는다. 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)는 3상 이외의 다상의 DC/DC 컨버터여도 되고, 단상의 DC/DC 컨버터여도 된다. 또한, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)는 3상 이상의 복수의 상을 포함하는 DC/DC 컨버터여도 된다. 이 경우, 상술한 리플 억제 처리를 실행하기 위해서는, 3상 이상의 복수의 상으로부터 적당히 2개의 상을 선택하고, 그 중 1상의 승압용 스위칭 소자(84x)(x는 그 상이 x상을 의미함)와, 타상의 강압용 스위칭 소자(82y)(y는 그 상이 y상을 의미함)에 의해, 리플 억제부(12)가 구성되면 된다.
또한, 다른 형태에 있어서의 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)은, 부하가 되는 구동 모터(2)[구동 인버터(3)를 포함함]에 접속되는 연료 전지 스택(1)(연료 전지)과, 연료 전지 스택(1)과 구동 인버터(3) 사이에 접속되며, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)(연료 전지용 컨버터)와, 구동 모터(2)에 대하여 연료 전지 스택(1)과 병렬로 접속되며, 연료 전지 스택(1)과는 상이한 전력 공급원인 고압 배터리(이차 전지)(20)(배터리)와, 배터리(20)와 구동 인버터(3) 사이에 접속되며, 배터리(20)의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)(배터리용 컨버터)와, DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압과 DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하는 전압 조정부(14)를 구비하고 있다. 또한, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)은 a상과 b상을 포함하는 복수 상의 DC/DC 컨버터(8)의 각 상은, 승압용 스위칭 소자(84a, 84b)와, 강압용 스위칭 소자(82a, 82b)를 포함하고, b상의 DC/DC 컨버터의 승압용 스위칭 소자(84b)의 온 듀티비(50％)와, a상의 DC/DC 컨버터의 강압용 스위칭 소자(82a)의 온 듀티비(50％)의 합계(100％)는, 각 상에 있어서의 승압용 스위칭 소자(84a, 84b)의 온 듀티비 및 강압용 스위칭 소자(82a, 82b)의 온 듀티비의 합계(95％)보다도 커지도록 설정된다. 이와 같이 구성함으로써, 불감대 영역에서의 제어를 설정하지 않고, DC/DC 컨버터(8)의 승강압의 전환을 실행할 수 있다. 이에 의해, DC 링크 전압의 리플 성분의 생성을 대폭 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)의 제어 방법은, 상기와 같은 구성을 구비하는 전력 조정 시스템(100)을 제어하기 위한 방법이며, 연료 전지용 컨버터의 출력 전압과 배터리용 컨버터의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, 해당 배터리용 컨버터의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하는 스텝과, 1상의 배터리용 컨버터의 승압용 스위칭 소자의 온 듀티비와, 다른 상의 배터리용 컨버터의 강압용 스위칭 소자의 온 듀티비의 합계가, 각 상에 있어서의 승압용 스위칭 소자의 온 듀티비 및 강압용 스위칭 소자의 온 듀티비의 합계보다도 커지도록, 각 상의 승압용 스위칭 소자 및 강압용 스위칭 소자의 온 듀티비를 설정하는 스텝을 포함하고 있다. 이와 같은 전력 조정 시스템(100)의 제어 방법에 따르면, 상술한 바와 같은 본 실시 형태의 효과를 발휘할 수 있다.
(제1 실시 형태의 변형예)
이하, 제1 실시 형태의 변형예에 대하여, 제1 실시 형태와의 상위점을 주로 하여 설명한다. 본 변형예에서는, 전술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 기능을 하는 부분에는, 동일한 부호를 사용하고 중복되는 설명을 적절히 생략한다.
상기 제1 실시 형태에서는, 승압용 스위칭 소자 및 강압용 스위칭 소자의 양쪽을 구비한 2상(복수의 상)의 DC/DC 컨버터에 의해, 본 발명의 리플 억제부가 구성되는 경우에 대하여 설명하였다. 본 변형예에서는, 각 상이 승압용 스위칭 소자 및 강압용 스위칭 소자 중 어느 한쪽을 구비한 2상의 DC/DC 컨버터에 의해, 본 발명의 리플 억제부가 구성되는 경우에 대하여 설명한다.
도 6은 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지 스택(1)용 전력 조정 시스템(100)의 변형예의 전체 구성을 도시하는 도면이다. 본 변형예의 전력 조정 시스템(101)은 배터리(20)용 DC/DC 컨버터의 구성이 제1 실시 형태와는 상이하다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 변형예에 있어서의 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8')는, 강압용 a상 컨버터와, 승압용 b상 컨버터의 2상을 포함하는 컨버터이다.
a상 컨버터는 리액터(81a)와, 강압측 스위칭 소자(82a)와, 정류 다이오드(83a)를 구비한다. 또한, b상 컨버터는 리액터(81b)와, 승압측 스위칭 소자(84b)와, 환류 다이오드(85b)를 구비한다. 스위칭 소자(82a)는 정류 다이오드(83a)와 역병렬 접속되고, 스위칭 소자(84b)는 환류 다이오드(85b)와 역병렬 접속되어 있다.
리액터(81a)는 그 일단이 배터리(20)의 정극측 출력 단자에 접속되고, 타단이 스위칭 소자(82a) 및 정류 다이오드(83a)의 일단과, 배터리(20)의 부극측 출력 단자와, 구동 인버터(3)의 부극측 입력 단자에 접속된다. 리액터(81b)는, 그 일단이 배터리(20)의 정극측 출력 단자에 접속되고, 타단이 스위칭 소자(82a) 및 정류 다이오드(83a)의 타단과, 구동 인버터(3)의 정극측 입력 단자에 접속된다.
다음에, 본 변형예에 있어서의 전력 조정 시스템(101)의 동작을 설명한다. 도 7은 제1 실시 형태의 변형예에 있어서의 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8')의 각 스위칭 소자(82a, 84b)에 출력해야 할 PWM 신호의 파형이다. 또한, 본 변형예에서는, DC/DC 컨버터(8')가 배터리(20)의 출력 전압을 2배로 승압하는 경우에 대하여 설명한다.
도 7의 (a)는 스위칭 소자(82a)에 출력되는 PWM 신호의 파형이며, 도 7의 (c)는 스위칭 소자(82b)에 출력되는 PWM 신호의 파형이다. 이들 2개의 PWM 신호는 50％의 ON 듀티비의 신호이다.
본 변형예에서는, 이와 같이, 강압용 a상 컨버터와, 승압용 b상 컨버터를 구비하는 DC/DC 컨버터(8')에 있어서, 각 상의 ON 듀티의 합계가 100％가 되도록 설정된다. 본 변형예에서는, 이와 같이 구성함으로써, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 변형예에서는, 특히 DC/DC 컨버터(8')를 각 소자로부터 구축하는 경우에는, 스위칭 소자와 다이오드의 수를 저감시킬 수 있으므로, DC/DC 컨버터(8')의 제조 비용을 저감할 수 있다.
(제2 실시 형태)
이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 대하여, 제1 실시 형태와의 상위점을 주로 하여 설명한다. 본 변형예에서는, 전술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 기능을 하는 부분에는, 동일한 부호를 사용하고 중복되는 설명을 적절히 생략한다.
상기 제1 실시 형태에서는, 복수의 상으로 구성되는 DC/DC 컨버터를 구비하고, 소정의 조건 하에서, 1상의 승압용 스위칭 소자의 ON 듀티비와, 다른 상의 강압용 스위칭 소자의 ON 듀티비의 합계가 100％가 되도록 설정함으로써, DC 링크 전압의 리플 성분의 발생을 억제하였다. 본 실시 형태에서는, 소정의 조건 하에서, 보조 기기류의 소비 전력 및 연료 전지 스택(1)의 발전 전력 중 적어도 한쪽을 증감함으로써, DC 링크 전압의 리플 성분의 발생을 억제하는 것이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지 스택(1)용 전력 조정 시스템(102)의 전체 구성을 도시하는 도면이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(102)은 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8")가 단상인 점에서, 제1 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)과는 그 구성이 상이하다.
이 DC/DC 컨버터(8")는, 도 8에 도시한 바와 같이, 리액터(81)와, 강압측 스위칭 소자(82)와, 정류 다이오드(83)와, 승압측 스위칭 소자(84)와, 환류 다이오드(85)를 구비한다. 스위칭 소자(82)는 정류 다이오드(83)와 역병렬 접속되고, 스위칭 소자(84)는 환류 다이오드(85)와 역병렬 접속되어 있다. 이들 스위칭 소자(82, 84)는 예를 들어 IGBT로 구성된다.
리액터(81)는 그 일단이 배터리(20)의 정극측 출력 단자에 접속되고, 타단이 스위칭 소자(82) 및 정류 다이오드(83)의 일단과, 스위칭 소자(84) 및 환류 다이오드(85)의 일단에 접속된다. 스위칭 소자(82) 및 정류 다이오드(83)의 타단은, 구동 인버터(3)의 정극측 입력 단자에 접속된다. 또한, 스위칭 소자(84) 및 환류 다이오드(85)의 타단은, 배터리(20)의 부극측 출력 단자와, 구동 인버터(3)의 부극측 입력 단자에 접속된다.
다음에, 도 9 및 도 10의 흐름도를 참조하여, 본 실시 형태에 있어서의 전력 조정 시스템(102)의 동작을 설명한다. 도 9는 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 제1 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다. 도 10은 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 제2 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다. 본 실시 형태에서는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 소정의 시간 간격으로 이 제1 및 제2 리플 억제 처리를 연속하여 실행하면 된다.
제1 리플 억제 처리에서는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 전류 센서(71)를 사용하여, DC/DC 컨버터(8")를 통과하는 통과 전류를 검출한다(스텝 S201). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 검출한 통과 전류의 절댓값(어느 방향으로 흐르고 있는지는 불문함)이 소정값 미만인지 여부를 판정한다(스텝 S202). 통과 전류의 절댓값이 소정값 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 제1 리플 억제 처리를 종료한다.
한편, 통과 전류의 절댓값이 소정값 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 미리 설정되어 있는 조정 보조 기기가 OFF되었는지 여부를 판정한다(스텝 S203). 여기서, 「조정 보조 기기」란, 본 실시 형태에 있어서, 소정의 조건 하에서 그 ON/OFF가 전환되는 보조 기기이며, 보조 기기류(30)의 일부를 구성한다. 「조정 보조 기기」는, 예를 들어 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(102)을 탑재한 차량의 앞유리나 뒷유리의 흐림 방지용 히터이다. 이와 같이, 조정 보조 기기는, 연료 전지 스택(1)의 제어에 관계가 없는 것인 편이 바람직하다.
조정 보조 기기가 ON되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 제1 리플 억제 처리를 종료한다. 한편, 조정 보조 기기가 OFF되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 상태가 되고 나서 소정 시간이 경과하였는지 여부를 판정한다(스텝 S204). 연료 전지용 컨트롤러(10)는 소정 시간이 될 때까지는 스텝 S204에서 대기한다.
그리고, 소정 시간이 되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 그 조정 보조 기기를 ON하고(스텝 S205), 이 제1 리플 억제 처리를 종료한다. 또한, 제1 리플 억제 처리에서는, DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류가 소정값 미만인 상태가 소정 시간 계속되는 것을 트리거로 하여, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 조정 보조 기기를 ON함으로써, 적극적으로 보조 기기류(30)의 소비 전력을 증가시키고 있다. 이에 의해, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류량이 증가하므로, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류의 방향이 빈번하게 전환되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
연료 전지용 컨트롤러(10)는, 계속해서, 제2 리플 억제 처리를 실행한다. 제2 리플 억제 처리에서는, 제1 리플 억제 처리와는 반대의 판정을 행함으로써, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류가 소정값 미만인 경우에 대처할 수 있다.
제2 리플 억제 처리에서는, 제1 리플 억제 처리와 마찬가지로, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 전류 센서(71)를 사용하여, DC/DC 컨버터(8")를 통과하는 통과 전류를 검출한다(스텝 S301). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 검출한 통과 전류의 절댓값(어느 방향으로 흐르고 있는지는 불문함)이 소정값 미만인지 여부를 판정한다(스텝 S302). 통과 전류의 절댓값이 소정값 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 제2 리플 억제 처리를 종료한다.
한편, 통과 전류의 절댓값이 소정값 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 미리 설정되어 있는 조정 보조 기기가 ON되었는지 여부를 판정한다(스텝 S303).
조정 보조 기기가 OFF되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 제2 리플 억제 처리를 종료한다. 한편, 조정 보조 기기가 ON되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 상태가 되고 나서 소정 시간이 경과하였는지 여부를 판정한다(스텝 S304). 연료 전지용 컨트롤러(10)는 소정 시간이 될 때까지는 스텝 S304에서 대기한다.
그리고, 소정 시간이 되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 그 조정 보조 기기를 OFF하고(스텝 S305), 이 제2 리플 억제 처리를 종료한다. 또한, 제2 리플 억제 처리에서는, DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류가 소정값 미만인 상태가 소정 시간 계속되는 것을 트리거로 하여, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 조정 보조 기기를 OFF함으로써, 적극적으로 보조 기기류(30)의 소비 전력을 감소시키고 있다. 이에 의해, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류량이 증가하므로, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류의 방향이 빈번하게 전환되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
여기서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 제1 리플 억제 처리 및 제2 리플 억제 처리를 실행하는 대신에, 그것들을 조합한 제3 리플 억제 처리를 실행해도 된다. 도 11은 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 제3 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다.
이 제3 리플 억제 처리에서는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 전류 센서(71)를 사용하여, DC/DC 컨버터(8")를 통과하는 통과 전류를 검출한다(스텝 S401). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 검출한 통과 전류의 절댓값(어느 방향으로 흐르고 있는지는 불문함)이 소정값 미만인지 여부를 판정한다(스텝 S402). 통과 전류의 절댓값이 소정값 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 제3 리플 억제 처리를 종료한다.
한편, 통과 전류의 절댓값이 소정값 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 상태가 되고 나서 소정 시간이 경과하였는지 여부를 판정한다(스텝 S403). 연료 전지용 컨트롤러(10)는 소정 시간이 될 때까지는 스텝 S402 및 S403의 처리를 반복한다.
그리고, 소정 시간이 되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 조정 보조 기기가 OFF인지 여부를 판정한다(스텝 S404). 조정 보조 기기가 OFF라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 그 조정 보조 기기를 ON하고(스텝 S405), 이 제3 리플 억제 처리를 종료한다.
한편, 조정 보조 기기가 ON이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 그 조정 보조 기기를 OFF하고(스텝 S406), 이 제3 리플 억제 처리를 종료한다.
이와 같이, 제3 리플 억제 처리에서는, DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류가 소정값 미만인 상태가 소정 시간 계속되는 것을 트리거로 하여, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 조정 보조 기기의 ON/OFF를 전환함으로써, 적극적으로 보조 기기류(30)의 소비 전력을 증가 또는 감소시키고 있다. 이에 의해, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류량이 감소 또는 증가하므로, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류의 방향이 빈번하게 전환되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(102)은 부하가 되는 구동 모터(2)[구동 인버터(3)를 포함함]에 접속되는 연료 전지 스택(1)(연료 전지)과, 연료 전지 스택(1)과 구동 인버터(3) 사이에 접속되며, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)(연료 전지용 컨버터)와, 구동 모터(2)에 대하여 연료 전지 스택(1)과 병렬로 접속되며, 연료 전지 스택(1)과는 상이한 전력 공급원인 고압 배터리(이차 전지)(20)(배터리)와, 배터리(20)와 구동 인버터(3) 사이에 접속되며, 배터리(20)의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8")(배터리용 컨버터)를 구비하고 있다. 또한, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(102)은, DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압과 DC/DC 컨버터(8")의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, DC/DC 컨버터(8")의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하는 전압 조정부(14)와, 배터리(20)의 출력 전압보다도 DC 링크 전압이 높은 상황에 있어서, 연료 전지 스택(1)의 발전 전력 및 구동 모터(2)의 요구 전력에 기초하여, DC/DC 컨버터(8")에 의해 DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시키는 리플 억제부(12)를 더 구비하고 있다. 그리고, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(102)은, 리플 억제부(12)가, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류의 크기가 소정값 미만에 머무르지 않도록, 보조 기기류(30) 중 조정 보조 기기의 소비 전력 및 연료 전지 스택(1)의 발전 전력 중 적어도 한쪽을 증감하도록 구성된다. 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(102)은 상기와 같은 구성을 구비하고 있으므로, 이하와 같은 작용ㆍ효과를 발휘한다.
즉, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(102)에 따르면, DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류를 감시한다는 간단한 구성에 의해, 상술한 제1 실시 형태의 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(102)의 제어 방법은, 상기와 같은 구성을 구비하는 전력 조정 시스템(102)을 제어하기 위한 방법이며, 전류 센서(71)를 사용하여 DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류의 크기를 검출하는 스텝과, 검출한 DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류의 크기가 소정값 미만이 되는지 여부를 판정하는 스텝과, DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류의 크기가 소정값 미만이 된다고 판정한 경우에는, 보조 기기류(30)의 소비 전력 또는 연료 전지 스택(1)의 발전 전력 중 적어도 한쪽을 증감하는 스텝을 포함하고 있다. 이와 같은 전력 조정 시스템(102)의 제어 방법에 따르면, 상술한 바와 같은 본 실시 형태의 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)용의 3상을 포함하는 DC/DC 컨버터(5)와, 배터리(20)용의 단상을 포함하는 DC/DC 컨버터(8")를 사용한 경우를 일례로서 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 구성에 한정되지 않는다. 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)는 3상 이외의 다상의 DC/DC 컨버터여도 되고, 단상의 DC/DC 컨버터여도 된다. 또한, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8")는 2상 이상의 다상의 DC/DC 컨버터여도 된다.
(제2 실시 형태의 변형예)
이하, 제2 실시 형태의 변형예에 대하여, 제2 실시 형태와의 상위점을 주로 하여 설명한다. 또한, 전력 조정 시스템(102)의 전체 구성은 전술한 제2 실시 형태와 마찬가지이므로, 본 변형예에서는 도 8을 사용하여 설명한다.
상기 제2 실시 형태에서는, 제1∼제3 리플 억제 처리에 있어서, 소정의 조건 하에서는, 조정 보조 기기의 ON/OFF를 전환함으로써, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 통과하는 통과 전류를 증감시켰다. 본 변형예에서는, 조정 보조 기기의 ON/OFF 대신에, 연료 전지 스택(1)의 발전 전력을 증가시킴으로써, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 통과하는 통과 전류를 증가시키는 것이다.
도 12 및 도 13의 흐름도를 참조하여, 본 변형예에 있어서의 전력 조정 시스템(102)의 동작을 설명한다. 도 12는 제2 실시 형태의 변형예에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 제1 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다. 도 13은 제2 실시 형태의 변형예에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 제2 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다. 본 변형예에 있어서도, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 소정의 시간 간격으로 이 제1 및 제2 리플 억제 처리를 연속하여 실행하면 된다.
제1 리플 억제 처리에서는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 전류 센서(71)를 사용하여, DC/DC 컨버터(8")를 통과하는 통과 전류를 검출한다(스텝 S501). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 검출한 통과 전류의 절댓값(어느 방향으로 흐르고 있는지는 불문함)이 소정값 미만인지 여부를 판정한다(스텝 S502). 통과 전류의 절댓값이 소정값 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 제1 리플 억제 처리를 종료한다.
한편, 통과 전류의 절댓값이 소정값 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 미리 설정되어 있는 연료 전지 스택(1)의 발전 설정 모드인 발전 UP 기능이 OFF되었는지 여부를 판정한다(스텝 S503). 여기서, 「발전 UP 기능」이란, 본 실시 형태에 있어서, 소정의 조건 하에서 연료 전지 스택(1)의 발전 전력을 증가시키는 기능이다. 연료 전지 스택(1)의 발전 전력을 증가시킴으로써, 잉여분의 전력은 DC/DC 컨버터(8")를 통해 배터리(20)에 축전된다.
발전 UP 기능이 ON되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 제1 리플 억제 처리를 종료한다. 한편, 발전 UP 기능이 OFF되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 상태가 되고 나서 소정 시간이 경과하였는지 여부를 판정한다(스텝 S504). 연료 전지용 컨트롤러(10)는 소정 시간이 될 때까지는 스텝 S504에서 대기한다.
그리고, 소정 시간이 되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 발전 UP 기능을 ON하고(스텝 S505), 이 제1 리플 억제 처리를 종료한다. 또한, 제1 리플 억제 처리에서는, DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류가 소정값 미만인 상태가 소정 시간 계속되는 것을 트리거로 하여, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 발전 UP 기능을 ON함으로써, 적극적으로 배터리(20)를 충전하고 있다. 이에 의해, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류량이 증가하므로, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류의 방향이 빈번하게 전환되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
연료 전지용 컨트롤러(10)는, 계속해서, 제2 리플 억제 처리를 실행한다. 제2 리플 억제 처리에서는, 제1 리플 억제 처리와는 반대의 판정을 행함으로써, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류가 소정값 미만인 경우에 대처할 수 있다.
제2 리플 억제 처리에서는, 제1 리플 억제 처리와 마찬가지로, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 전류 센서(71)를 사용하여, DC/DC 컨버터(8")를 통과하는 통과 전류를 검출한다(스텝 S601). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 검출한 통과 전류의 절댓값(어느 방향으로 흐르고 있는지는 불문함)이 소정값 미만인지 여부를 판정한다(스텝 S602). 통과 전류의 절댓값이 소정값 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 제2 리플 억제 처리를 종료한다.
한편, 통과 전류의 절댓값이 소정값 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 미리 설정되어 있는 발전 UP 기능이 ON되었는지 여부를 판정한다(스텝 S603).
발전 UP 기능이 OFF되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 제2 리플 억제 처리를 종료한다. 한편, 발전 UP 기능이 ON되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 상태가 되고 나서 소정 시간이 경과하였는지 여부를 판정한다(스텝 S604). 연료 전지용 컨트롤러(10)는 소정 시간이 될 때까지는 스텝 S604에서 대기한다.
그리고, 소정 시간이 되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 발전 UP 기능을 OFF하고(스텝 S605), 이 제2 리플 억제 처리를 종료한다. 또한, 제2 리플 억제 처리에서는, DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류가 소정값 미만인 상태가 소정 시간 계속되는 것을 트리거로 하여, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 발전 UP 기능을 OFF함으로써, 적극적으로 배터리(20)로부터 방전하고 있다. 이에 의해, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류량이 증가하므로, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류의 방향이 빈번하게 전환되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
다음에, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 제1 리플 억제 처리 및 제2 리플 억제 처리를 실행하는 대신에, 그것들을 조합한 제3 리플 억제 처리를 실행해도 된다. 도 14는 제2 실시 형태의 변형예에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 제3 리플 억제 처리를 나타내는 흐름도이다.
이 제3 리플 억제 처리에서는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 전류 센서(71)를 사용하여, DC/DC 컨버터(8")를 통과하는 통과 전류를 검출한다(스텝 S701). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 검출한 통과 전류의 절댓값(어느 방향으로 흐르고 있는지는 불문함)이 소정값 미만인지 여부를 판정한다(스텝 S702). 통과 전류의 절댓값이 소정값 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 제3 리플 억제 처리를 종료한다.
한편, 통과 전류의 절댓값이 소정값 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 이 상태가 되고 나서 소정 시간이 경과하였는지 여부를 판정한다(스텝 S703). 연료 전지용 컨트롤러(10)는 소정 시간이 될 때까지는 스텝 S702 및 S703의 처리를 반복한다.
그리고, 소정 시간이 되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 발전 UP 기능이 OFF인지 여부를 판정한다(스텝 S704). 발전 UP 기능이 OFF라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 발전 UP 기능을 ON하고(스텝 S705), 이 제3 리플 억제 처리를 종료한다.
한편, 발전 UP 기능이 ON이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 발전 UP 기능을 OFF하고(스텝 S706), 이 제3 리플 억제 처리를 종료한다.
이와 같이, 제3 리플 억제 처리에서는, DC/DC 컨버터(8")의 통과 전류가 소정값 미만인 상태가 소정 시간 계속되는 것을 트리거로 하여, 연료 전지용 컨트롤러(10)는 연료 전지 스택(1)의 발전 UP 기능의 ON/OFF를 전환함으로써, 적극적으로 배터리(20)를 충방전시키고 있다. 이에 의해, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류량이 증가하므로, DC/DC 컨버터(8")의 리액터(81)를 흐르는 전류의 방향이 빈번하게 전환되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 설명한 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정한다는 취지는 아니다.
상술한 제1 및 제2 실시 형태에서는, 배터리(20)의 출력 전압을 DC/DC 컨버터(8, 8', 8")에 의해 2.0배로 승압하는 경우, 즉, 각 스위칭 소자의 ON 듀티비가 50％인 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 1상의 강압용 스위칭 소자의 ON 듀티비와, 다른 상의 승압용 스위칭 소자의 ON 듀티비의 합계가 100％가 되도록 제어하는 한, 본 발명의 효과를 발휘하면서, 부하의 요구 전력에 따라서, 수배로도 승압하는 것이 가능하다.
또한, 상술한 제1 실시 형태에서는, 전력 조정 시스템(100)의 연료 전지용 컨트롤러(10)는, DC/DC 컨버터(8)의 통과 전류의 절댓값이 소정값 미만인 경우에, 리플 억제용 PWM 신호를 생성하는 처리를 행하는 것을 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 상황으로만 한정되지는 않는다. 예를 들어, 전력 조정 시스템(100)의 통상 운전 상태에 있어서도, 리플 억제용 PWM 신호를 생성하고, 2상의 DC/DC 컨버터(8)의 각 상을 구동하도록 해도 된다. 이와 같이 구성함으로써, 상술한 바와 같은 본 발명의 효과를 충분히 발휘할 수 있다. 그것에 더하여, DC/DC 컨버터(8)의 통과 전류의 절댓값이 커진 경우라도, 2상의 컨버터의 2개의 리액터에서 통과 전류를 분담할 수 있으므로, 단상의 경우에 비해, 리플 성분의 발생을 억제할 수 있다.

Claims (11)

  1. 부하에 접속되는 연료 전지와,
    상기 연료 전지와 상기 부하 사이에 접속되며, 해당 연료 전지의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지용 컨버터와,
    상기 부하에 대하여 상기 연료 전지와 병렬로 접속되며, 상기 연료 전지와는 상이한 전력 공급원인 배터리와,
    상기 배터리와 상기 부하 사이에 접속되며, 해당 배터리의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리용 컨버터와,
    상기 연료 전지용 컨버터의 출력 전압과 상기 배터리용 컨버터의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, 해당 배터리용 컨버터의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하는 전압 조정부와,
    상기 배터리의 출력 전압보다도 상기 DC 링크 전압이 높은 상황에 있어서, 상기 배터리용 컨버터에 의해 상기 DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시키는 리플 억제부
    를 구비하는 전력 조정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리용 컨버터는, 복수의 상으로 구성되어 있고,
    상기 복수 상의 배터리용 컨버터의 각 상은, 승압용 스위칭 소자와, 강압용 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 리플 억제부는, 1상의 배터리용 컨버터의 승압용 스위칭 소자와, 다른 상의 배터리용 컨버터의 강압용 스위칭 소자를 포함하여 구성되고,
    상기 리플 억제부는, 상기 1상의 배터리용 컨버터의 승압용 스위칭 소자의 온 듀티비와, 상기 다른 상의 배터리용 컨버터의 강압용 스위칭 소자의 온 듀티비의 합계가, 상기 각 상에 있어서의 상기 승압용 스위칭 소자의 온 듀티비 및 상기 강압용 스위칭 소자의 온 듀티비의 합계보다도 커지도록, 상기 1상의 배터리용 컨버터의 승압용 스위칭 소자와, 상기 다른 상의 배터리용 컨버터의 강압용 스위칭 소자의 각 듀티비를 설정하는 전력 조정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리플 억제부는, 상기 1상의 배터리용 컨버터의 승압용 스위칭 소자의 온 듀티비와, 상기 다른 상의 배터리용 컨버터의 강압용 스위칭 소자의 온 듀티비의 합계를 100％로 설정하는 전력 조정 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 각 상의 배터리용 컨버터에서는, 상기 승압용 스위칭 소자와 상기 강압용 스위칭 소자 사이에 무효 시간이 설정되는 전력 조정 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리플 억제부는, 상기 배터리용 컨버터의 통과 전류의 크기가 소정값 미만일 때, 상기 DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시키는 전력 조정 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리플 억제부는, 상기 연료 전지의 출력 전류의 크기가 소정값 미만일 때, 상기 DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시키는 전력 조정 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 또는 부하를 동작시키기 위한 보조 기기류를 더 구비하고,
    상기 리플 억제부는, 상기 배터리용 컨버터의 통과 전류의 크기가 소정값 미만에 머무르지 않도록, 상기 보조 기기류의 소비 전력 및 상기 연료 전지의 발전 전력 중 적어도 한쪽을 증감하는 전력 조정 시스템.
  8. 부하에 접속되는 연료 전지와,
    상기 연료 전지와 상기 부하 사이에 접속되며, 해당 연료 전지의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지용 컨버터와,
    상기 부하에 대하여 상기 연료 전지와 병렬로 접속되며, 상기 연료 전지와는 상이한 전력 공급원인 배터리와,
    상기 배터리와 상기 부하 사이에 접속됨과 함께, 복수의 상으로 구성되며, 해당 배터리의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리용 컨버터와,
    상기 연료 전지용 컨버터의 출력 전압과 상기 배터리용 컨버터의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, 해당 배터리용 컨버터의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하는 전압 조정부
    를 구비하고,
    상기 복수 상의 배터리용 컨버터의 각 상은, 승압용 스위칭 소자와, 강압용 스위칭 소자를 포함하고,
    1상의 배터리용 컨버터의 승압용 스위칭 소자의 온 듀티비와, 다른 상의 배터리용 컨버터의 강압용 스위칭 소자의 온 듀티비의 합계는, 상기 각 상에 있어서의 상기 승압용 스위칭 소자의 온 듀티비 및 상기 강압용 스위칭 소자의 온 듀티비의 합계보다도 커지도록 설정되는 전력 조정 시스템.
  9. 부하에 접속되는 연료 전지와,
    상기 연료 전지와 상기 부하 사이에 접속되며, 해당 연료 전지의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지용 컨버터와,
    상기 부하에 대하여 상기 연료 전지와 병렬로 접속되며, 상기 연료 전지와는 상이한 전력 공급원인 배터리와,
    상기 배터리와 상기 부하 사이에 접속되며, 해당 배터리의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리용 컨버터와,
    상기 연료 전지용 컨버터의 출력 전압과 상기 배터리용 컨버터의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, 해당 배터리용 컨버터의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하는 전압 조정부와,
    상기 배터리의 출력 전압보다도 상기 DC 링크 전압이 높은 상황에 있어서, 상기 연료 전지의 발전 전력 및 상기 부하의 요구 전력에 기초하여, 상기 배터리용 컨버터에 의해 상기 DC 링크 전압의 리플 성분을 억제시키는 리플 억제부와,
    상기 연료 전지를 동작시키기 위한 보조 기기류
    를 구비하고,
    상기 리플 억제부는, 상기 배터리용 컨버터의 통과 전류의 크기가 소정값 미만에 머무르지 않도록, 상기 보조 기기류의 소비 전력 또는 상기 연료 전지의 발전 전력 중 적어도 한쪽을 증감하도록 구성되는 전력 조정 시스템.
  10. 부하에 접속되는 연료 전지와,
    상기 연료 전지와 상기 부하 사이에 접속되며, 해당 연료 전지의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지용 컨버터와,
    상기 부하에 대하여 상기 연료 전지와 병렬로 접속되며, 상기 연료 전지와는 상이한 전력 공급원인 배터리와,
    상기 배터리와 상기 부하 사이에 접속되며, 해당 배터리의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리용 컨버터
    를 구비하는 전력 조정 시스템의 제어 방법이며,
    상기 배터리용 컨버터는, 복수의 상으로 구성되고,
    상기 제어 방법은,
    상기 연료 전지용 컨버터의 출력 전압과 상기 배터리용 컨버터의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, 해당 배터리용 컨버터의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하는 스텝과,
    1상의 배터리용 컨버터의 승압용 스위칭 소자의 온 듀티비와, 다른 상의 배터리용 컨버터의 강압용 스위칭 소자의 온 듀티비의 합계가, 상기 각 상에 있어서의 상기 승압용 스위칭 소자의 온 듀티비 및 상기 강압용 스위칭 소자의 온 듀티비의 합계보다도 커지도록, 상기 각 상의 승압용 스위칭 소자 및 강압용 스위칭 소자의 온 듀티비를 설정하는 스텝
    을 포함하는 전력 조정 시스템의 제어 방법.
  11. 부하에 접속되는 연료 전지와,
    상기 연료 전지와 상기 부하 사이에 접속되며, 해당 연료 전지의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지용 컨버터와,
    상기 부하에 대하여 상기 연료 전지와 병렬로 접속되며, 상기 연료 전지와는 상이한 전력 공급원인 배터리와,
    상기 배터리와 상기 부하 사이에 접속되며, 해당 배터리의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리용 컨버터와,
    상기 연료 전지용 컨버터의 출력 전압과 상기 배터리용 컨버터의 출력 전압을 동기시키는 DC 링크 전압을 생성하기 위해, 해당 배터리용 컨버터의 출력 전압을 소정 전압으로 조정하는 전압 조정부와,
    상기 연료 전지를 동작시키기 위한 보조 기기류
    를 구비하는 전력 조정 시스템의 제어 방법이며,
    상기 배터리용 컨버터의 통과 전류의 크기를 검출하는 스텝과,
    상기 검출한 배터리용 컨버터의 통과 전류의 크기가 소정값 미만이 되는지 여부를 판정하는 스텝과,
    상기 배터리용 컨버터의 통과 전류의 크기가 소정값 미만이 된다고 판정한 경우에는, 상기 보조 기기류의 소비 전력 또는 상기 연료 전지의 발전 전력 중 적어도 한쪽을 증감하는 스텝
    을 포함하는 전력 조정 시스템의 제어 방법.
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