KR20180027634A - 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 전력 조정 시스템은, 부하에 접속되는 연료 전지와, 연료 전지와 부하 사이에 접속되어, 해당 연료 전지의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지용 컨버터와, 부하에 대하여 연료 전지와 병렬로 접속되어, 해당 연료 전지와는 다른 전력 공급원인 배터리와, 배터리와 부하 사이에 접속되어, 해당 배터리의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리용 컨버터를 구비한다. 전력 조정 시스템은, 그 기동 시에, 연료 전지용 컨버터의 입력측과 출력측을 직결 상태로 하는 컨버터 직결부와, 연료 전지의 기동 시에 산화제 가스를 공급함으로써, 연료 전지의 출력 전압을 소정 전압까지 상승시키는 연료 전지 출력 전압 상승부를 구비한다.

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, 부하에 대하여 연료 전지와 병렬로 고압 배터리(이하, 「배터리」라고 함)가 설치된다. 연료 전지의 출력 전압과 배터리의 출력 전압을 동기(링크)시키기 위해, 각각의 출력측에 그 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 DC/DC 컨버터가 설치되는 트윈 컨버터 방식이 알려져 있다.
트윈 컨버터 방식에서는, 배터리용 DC/DC 컨버터의 출력 전압과, 연료 전지용 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 DC 링크 전압으로 설정하는 제어가 행해진다. 여기서, 전력 조정 시스템(연료 전지)의 기동 시에는, DC 링크 전압이 소정값으로 되도록, 배터리용 DC/DC 컨버터에 의해 제어된다.
JP5434197B에는, 배터리용 승강압 컨버터를 구비하는 연료 전지 시스템의 기동 시의 제어가 개시된다. 이 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지의 내구성이나 배터리의 열화를 고려하여, 개회로 전압보다도 낮은 고전위 회피 전압으로 연료 전지의 출력 전압을 제어하고 있다.
그런데, 트윈 컨버터 방식에 있어서도, 동일한 제어를 행하는 것을 생각할 수 있다. 이 경우, 배터리용 DC/DC 컨버터 및 연료 전지용 DC/DC 컨버터를 통해, 연료 전지를 기동하여, 시스템에 연결하기 전에, 연료 전지의 출력측의 전압을 소정 전압(예를 들어, 고전위 회피 전압)으로 되도록 제어하도록 구성되면 된다.
그러나, 연료 전지용 DC/DC 컨버터의 입력측, 즉, 연료 전지의 출력측을 소정 전압으로 제어하는 경우에는, 연료 전지의 시스템으로의 연결 후, 연료 전지의 출력 전류가 증가하는 타이밍에 있어서, DC 링크 전압이 설정된 소정값을 오버슈트하는 경우가 있다. 그 경우, 연료 전지용 DC/DC 컨버터는, 출력측의 전압을 낮추기 위해, 입력측의 전압을 낮추도록 동작한다.
이러한 동작에서는, 연료 전지의 출력 전류가 헌팅될 가능성이 있다. 그리고, DC 링크 전압의 상승에 의해, 전력 조정 시스템의 전기 부품의 내압을 초과하여, 그 전기 부품이 손상될 가능성이 있다는 문제가 있다. 또한, 연료 전지의 출력 전류가 과잉으로 출력되거나, 헌팅을 하거나 함으로써, 연료 가스의 결핍에 의해 애노드 전극이 열화되어버린다는 문제도 있다.
본 발명은, 이러한 문제점에 착안하여 이루어진 것이며, 전력 조정 시스템의 기동 시에, 연료 전지의 출력측의 전압을 소정 전압으로 설정함으로써, DC 링크 전압이 오버슈트나 언더슈트되는 것을 억제할 수 있는 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 의하면, 본 발명의 전력 조정 시스템은, 부하에 접속되는 연료 전지와, 연료 전지와 부하 사이에 접속되어, 해당 연료 전지의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지용 컨버터와, 부하에 대하여 연료 전지와 병렬로 접속되어, 해당 연료 전지와는 다른 전력 공급원인 배터리와, 배터리와 부하 사이에 접속되어, 해당 배터리의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리용 컨버터를 구비한다. 전력 조정 시스템은, 전력 조정 시스템의 기동 시에, 연료 전지용 컨버터의 입력측과 출력측을 직결 상태로 하는 컨버터 직결부와, 연료 전지의 기동 시에 산화제 가스를 공급함으로써, 연료 전지의 출력 전압을 소정 전압까지 상승시키는 연료 전지 출력 전압 상승부를 구비한다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 전력 조정 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는, 도 1의 연료 전지용 컨트롤러의 기능적 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러 및 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러에 의해 실행되는 시스템 기동 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 4는, 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 배터리 접속 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 5는, 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 FCC 직결 명령 출력 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 6은, 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 7은, 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 연료 전지 접속 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 8은, 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 FC 컨버터 제어 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 9는, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러에 의해 실행되는 FCC 전압 제어 처리를 나타내는 제어 블록도이다.
도 10은, 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 배터리 컨버터 제어 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 11은, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러에 의해 실행되는 BC 전압 제어 처리를 나타내는 제어 블록도이다.
도 12는, 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러 및 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러에 의해 실행되는 시스템 기동 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 13은, 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 FC 컨버터 목표 전압 연산 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 14는, 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 15는, 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러에 의해 실행되는 산화제 가스 공급 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 16은, 제2 실시 형태에 있어서의 FC 컨버터 제어 처리 및 배터리 컨버터 제어 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)」이라고 함)의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 본 발명의 전력 조정 시스템(100)은, 적어도 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(5)와, 강전(强電) 배터리(20)(이하, 간단히 「배터리(20)」라고 함)와, 보조 기계류(30)와, 배터리(20)용 DC/DC 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. 추가로, 전력 조정 시스템(100)은, 부하로서의 구동 모터(2)와, 연료 전지 스택(1) 및 배터리(20)로부터 입력되는 직류 전력을 구동 모터(2)로의 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 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 승압 또는 강압하기 위한 승강압 컨버터이다.
본 실시 형태에서는, DC/DC 컨버터(5)는, 연료 전지 스택(1)의 출력측으로부터 구동 인버터(3)의 입력측 방향으로 승강압하는 단상의 컨버터로 구성된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 설명의 용이성을 위해, DC/DC 컨버터(5)가 단상인 경우를 일례로서 설명하지만, 본 발명은 이와 같은 구성에 제한하지 않는다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(5)는, 복수의 층으로 구성된 다상 컨버터여도 되고, 또는 구동 인버터(3)의 입력측으로부터 연료 전지 스택(1)의 출력측 방향으로도 승강압 가능한 쌍방향 DC/DC 컨버터여도 된다.
DC/DC 컨버터(5)는, 리액터(51)와, 강압측 스위칭 소자(52)와, 정류 다이오드(53)와, 승압측 스위칭 소자(54)와, 환류 다이오드(55)를 구비한다. 스위칭 소자(52)는 정류 다이오드(53)와 역병렬 접속되고, 스위칭 소자(54)는 환류 다이오드(55)와 역병렬 접속되어 있다. 이들 스위칭 소자(52, 54)는, 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors)로 구성된다.
리액터(51)는, 그 일단부가 전류 센서(61)를 통해 연료 전지 스택(1)의 정극측 출력 단자에 접속되고, 타단부가 스위칭 소자(52) 및 정류 다이오드(53)의 일단부와, 스위칭 소자(54) 및 환류 다이오드(55)의 일단부에 접속된다. 스위칭 소자(52) 및 정류 다이오드(53)의 타단부는, 구동 인버터(3)의 정극측 입력 단자에 접속된다. 또한, 스위칭 소자(54) 및 환류 다이오드(55)의 타단부는, 연료 전지 스택(1)의 부극측 출력 단자와, 구동 인버터(3)의 부극측 입력 단자에 접속된다.
연료 전지 스택(1)의 출력 단자 사이에는, 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. 본 실시 형태에서는, 콘덴서(63)는, 전력 조정 시스템(100)을 탑재한 차량의 기동 시에, 배터리(20)의 축전 전력을 이용하여 충전되는 것이다.
또한, DC/DC 컨버터(5)의 출력 단자 사이에는, 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.
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 수백장의 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.
연료 전지 스택(1)의 출력 단자 사이에는, 연료 전지 스택(1)에 의해 발전한 전기 에너지의 DC/DC 컨버터(5)로의 출력을 단절 및 접속할 수 있는 제1 단절 및 접속기(41)가 설치된다. 이 제1 단절 및 접속기(41)는, 연료 전지 스택(1)의 정극측의 전력선에 설치되는 제1 정(正) 릴레이(42)와, 연료 전지 스택(1)의 부극측의 전력선에 설치되는 제1 부(負) 릴레이(43)에 의해 구성된다.
후술하는 전력 조정 시스템(100)의 시스템 기동 처리에서는, 제1 단절 및 접속기(41)는, 연료 전지 스택(1)의 출력 전류가 안정될 때까지, 제1 정 릴레이(42) 및 제1 부 릴레이(43)를 OFF함으로써, 연료 전지 스택(1)과 후단의 접속을 끊도록 구성된다. 그리고, 제1 단절 및 접속기(41)는, 연료 전지 스택(1)의 출력 전류가 안정되면, 제1 정 릴레이(42) 및 제1 부 릴레이(43)를 ON함으로써, 연료 전지 스택(1)을 후단에 접속하도록 구성된다.
연료 전지 스택(1)에는, 제1 단절 및 접속기(41)와는 다른 전력선에, 연료 전지 스택(1)의 출력 전류를 검출하는 전류 센서(71)와, 소정의 저항(72)이 직렬로 설치된다. 이 전류 센서(71)는, 연료 전지의 기동 중(즉, 제1 단절 및 접속기(41)가 후단과의 접속을 끊은 상태)에 있어서, 연료 전지 스택(1)의 출력 전류를 검출하는 것이다.
본 실시 형태에서는, 저항(72)의 저항값은, 연료 전지 스택(1)으로부터 DC/DC 컨버터(5)측을 보았을 때의 합성 저항의 저항값에 비해, 충분히 커지도록 구성된다. 이에 의해, 제1 단절 및 접속기(41)가 연료 전지 스택(1)과 후단을 접속하고 있는 경우에는, 이 저항(72)에는 거의 전류가 흐르지 않는다.
또한, 본 실시 형태에서는, 저항(72) 대신에 개폐 스위치를 설치해도 된다. 이 개폐 스위치는, 제1 단절 및 접속기(41)와 역연동하도록 구성되면 된다. 즉, 제1 단절 및 접속기(41)가 연료 전지 스택(1)과 후단의 접속을 끊었을 때에는, 개폐 스위치가 폐쇄로 되고, 제1 단절 및 접속기(41)가 연료 전지 스택(1)과 후단을 접속하고 있을 때, 개폐 스위치가 개방으로 되도록 제어된다.
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, 변환된 교류 전력을 구동 모터(2)에 공급하는 것이다. 구동 모터(2)는, 구동 인버터(3)에 의해 공급되는 교류 전력에 의해 회전 구동하고, 그 회전 에너지를 후단에 공급한다. 또한, 도시하지 않지만, 구동 모터(2)는, 디퍼렌셜 및 샤프트를 통해 차량의 구동륜에 연결되어 있다.
차량의 내리막 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)로 출력된다.
배터리(20)는 충방전 가능한 이차 전지이며, 예를 들어 300V(볼트)의 리튬 이온 배터리이다. 배터리(20)는 보조 기계류(30)에 접속되고, 보조 기계류(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 기계류(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)의 출력 단자 사이에는, 배터리에 축전된 전기 에너지의 DC/DC 컨버터(8)로의 출력을 단절 및 접속할 수 있는 제2 단절 및 접속기(44)가 설치된다. 이 제2 단절 및 접속기(44)는, 배터리(20)의 정극측의 전력선에 설치되는 제2 정 릴레이(45)와, 배터리(20)의 부극측의 전력선에 설치되는 제2 부 보조 릴레이(46) 및 보조 저항(47) 그리고 제2 부 릴레이(48)에 의해 구성된다.
후술하는 전력 조정 시스템(100)의 시스템 기동 처리에서는, 제2 단절 및 접속기(44)는, 전력 조정 시스템(100)을 탑재한 차량의 유저가 이그니션 키(기동 버튼)를 ON시키면, 제2 정 릴레이(45) 및 제2 부 보조 릴레이(46)를 ON시킴으로써, 보조 저항(47)을 통해 배터리(20)와 후단을 접속하게 구성된다. 그리고, 제2 단절 및 접속기(44)는, 소정의 조건이 충족되면, 제2 부 보조 릴레이(46)를 OFF시키고, 제2 정 릴레이(45) 및 제2 부 릴레이(48)를 ON시킴으로써, 보조 저항(47)을 통하는 일 없이 배터리(20)와 후단을 접속하도록 구성된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 상기 「소정의 조건」이란, 예를 들어 전압 센서(69)에 의해 검출되는 DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압이 소정값 이상으로 되고 나서 소정 시간을 경과했을 때이다. 이러한 상황에서는, DC 링크 전압이 안정되어 있으므로, 배터리(20)로부터의 출력을 줄일 필요가 없다.
배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)는, 도 1에 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 일단부가 배터리(20)의 정극측 출력 단자에 접속되고, 타단부가 스위칭 소자(82) 및 정류 다이오드(83)의 일단부와, 스위칭 소자(84) 및 환류 다이오드(85)의 일단부에 접속된다. 스위칭 소자(82) 및 정류 다이오드(83)의 타단부는, 구동 인버터(3)의 정극측 입력 단자에 접속된다. 또한, 스위칭 소자(84) 및 환류 다이오드(85)의 타단부는, 배터리(20)의 부극측 출력 단자와, 구동 인버터(3)의 부극측 입력 단자에 접속된다.
DC/DC 컨버터(8)의 출력 단자 사이에는, DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압을 평활화하기 위한 콘덴서(70)와, DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압(구동 인버터(3)의 입력 전압)을 검출하기 위한 전압 센서(69)가 접속된다.
보조 기계류(30)는, 주로 연료 전지 스택(1)에 부속되는 부품이며, 상술한 바와 같이 캐소드 가스 급배 장치 및 애노드 가스 급배 장치나, 도시하지 않은 캐소드 컴프레서, 냉각 펌프 등을 포함한다. 또한, 보조 기계류(30)의 각종 부품이 약전 기기인 경우, 배터리(20)와 대상이 되는 보조 기계류(30) 사이에 도시하지 않은 강압 DC/DC 컨버터를 설치하면 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 명령을 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)와 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)로 각각 출력한다.
연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는, 연료 전지용 컨트롤러(10)로부터의 명령에 기초하여, DC/DC 컨버터(5)를 제어하는 것이다. 구체적으로는, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는, 본 실시 형태에서는, 연료 전지용 컨트롤러(10)로부터의 명령에 기초하여, 소정의 조건 하에서, 강압측 스위칭 소자(52)를 100％의 ON 듀티로써 DC/DC 컨버터(5)를 작동시킨다. 이에 의해, DC/DC 컨버터(5)는 직결 상태로 된다.
여기서, 본 실시 형태에서는, DC/DC 컨버터(5)의 「직결 상태」란, 강압측 스위칭 소자(52)를 ON으로 한 그대로의 상태를 말한다. 그 대신에, 도시를 생략하지만, 스위칭 소자(52) 및 정류 다이오드(53)를 바이패스하는 경로를 설치하고, 그 경로 상에 개폐 스위치를 설치해도 된다. 그리고, 「직결 상태」란, 이 개폐 스위치가 폐쇄가 되고, 스위칭 소자(52) 및 정류 다이오드(53)를 바이패스하고 있는 상태도 포함한다.
연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)에는, 전압 센서(62)에 의해 검출된 연료 전지 스택(1)의 출력 전압값과, 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 명령값으로 되도록, DC/DC 컨버터(5)의 각 스위칭 소자를 스위칭 제어한다.
또한, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는, 전력 조정 시스템(100)의 통상 운전 시에는, 구동 모터(2)로부터의 전압 요구에 기초하여, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 구동 인버터(3)의 입력 전압(DC 링크 전압)으로 승압 또는 강압하도록, DC/DC 컨버터(5)를 제어한다.
배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는, 연료 전지용 컨트롤러(10)로부터의 명령에 기초하여, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)를 제어하는 것이다.
배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에는, 전압 센서(67)에 의해 검출된 배터리(20)의 출력 전압값과, 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 명령값으로 되도록, DC/DC 컨버터(8)의 각 스위칭 소자를 스위칭 제어한다. 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4) 및 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는, 구동 인버터(3)로의 입력 전압이 동일해지도록, DC/DC 컨버터(5)에 의한 전압비 및 DC/DC 컨버터(8)에 의한 전압비를 각각 제어한다.
도 2는, 도 1에 나타내는 연료 전지용 컨트롤러(10)의 기능적 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 제어부(11)와, 출력 전류 판정부(12)와, 캐소드 가스 제어부(13)와, 연료 전지 출력 전압 상승부(14)와, 컨버터 직결부(15)와, 컨버터 입력 전압 조정부(16)를 포함한다.
제어부(11)는, 본 실시 형태의 동작에 필요한 명령을 각 부로 출력하는 것이다. 제어부(11)는, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에는, 먼저, 컨버터 입력 전압 조정부(16)와, 컨버터 직결부(15)를 제어한다. 그리고, 제어부(11)는, 적당한 타이밍에 캐소드 가스 제어부(13)와, 연료 전지 출력 전압 상승부(14)를 제어한다.
출력 전류 판정부(12)는, 연료 전지 스택(1)의 기동 후, 전류 센서(71)에 의해 검출한 연료 전지 스택(1)의 출력 전류가 소정값 이상으로 증가했는지 여부를 판정하는 것이다. 여기서, 출력 전류의 「소정값」이란, 본 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)으로부터 출력 전류가 약간이라도 흐를 때의 값이며, 예를 들어 전류 센서(71)의 센싱 능력(검지 능력)의 최솟값이다. 그리고, 출력 전류 판정부(12)는 판정 결과를 제어부(11)로 출력한다.
캐소드 가스 제어부(13)는, 제어부(11)의 명령에 기초하여, 도시하지 않은 캐소드 급배 장치 내의 캐소드 가스 컴프레서를 제어한다. 본 실시 형태에서는, 전력 조정 시스템(100)의 기동 중에, 연료 전지 스택(1)의 기동을 개시할 때, 캐소드 컴프레서의 회전수 등 공급 명령을 캐소드 급배 장치로 출력한다.
연료 전지 출력 전압 상승부(14)는, 캐소드 가스 제어부(13)의 제어에 기초하여, 연료 전지 스택(1)의 기동 시에 연료 전지 스택(1)에 산화제 가스를 공급함으로써, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 소정 전압까지 상승시키는 것이다.
여기서, 본 실시 형태에 있어서, 「소정 전압」이란, 개회로 전압보다도 낮으며, 연료 전지 스택(1)의 내구성을 담보하기 위해, 연료 전지 스택(1)으로부터의 발전이 가능한 미리 정해진 운전 전압을 의미한다. 「소정 전압」으로서는, 예를 들어 개회로 전압의 90％ 정도의 전압으로 설정된다.
컨버터 직결부(15)는, 본 실시 형태에서는, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에, DC/DC 컨버터(5)의 입력측과 출력측을 직결 상태로 하는 것이다. 이와 같이, DC/DC 컨버터(5)를 직결 상태로 함으로써, DC/DC 컨버터(5)가 없는 경우와 동일한 회로 구성이 된다. 따라서, 도 1에 도시한 바와 같이, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 출력에 대하여, 각 콘덴서(70, 64, 63)가 병렬로 접속되어 있는 상태가 된다. 이에 의해, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에는, DC/DC 컨버터(8)의 승강압 동작에 기초하여, 각 콘덴서(70, 64, 63)가 충전되어, 연료 전지 스택(1)을 제외한 전력 조정 시스템 전체가 소정 전압으로 되도록 제어된다.
컨버터 입력 전압 조정부(16)는, 연료 전지 출력 전압 상승부(14)에 의해 연료 전지 스택(1)의 출력 전압이 소정 전압까지 상승하기 전에, 콘덴서(63)를 충전함으로써, DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압을 소정 전압으로 조정하는 것이다. 즉, 본 실시 형태에서는, 컨버터 입력 전압 조정부(16)는, DC/DC 컨버터(8)의 승강압 동작과 컨버터 직결부(15)에 의한 DC/DC 컨버터(5)의 직결 동작에 의해, 배터리(20)의 축전 전력을 사용하여, 콘덴서(63)를 충전하여, DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압을 소정 전압으로 조정하고 있다.
또한, 컨버터 입력 전압 조정부(16)는, DC/DC 컨버터(5)가 쌍방향 승강압 컨버터인 경우에는, 컨버터 직결부(15)의 기능을 정지시키고, DC/DC 컨버터(5)가 작동 가능한 상태로 하고, DC/DC 컨버터(8)의 승강압 동작과 DC/DC 컨버터(5)의 역방향으로의 승강압 동작에 의해, 배터리(20)의 축전 전력을 사용하여, 콘덴서(63)를 충전하여, DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압을 소정 전압으로 조정해도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 출력 전류 판정부(12)에 의해 연료 전지 스택(1)의 출력 전류가 소정값 이상으로 증가했다고 판정한 경우에는, 제어부(11)는, 상기 출력 전류가 소정값 미만인 경우에 비해, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 전압 제어 게인을 높이도록 구성된다. 전류 센서(71)에 의해 연료 전지 스택(1)의 출력 전류가 검출된다는 것은, 연료 전지 스택(1)의 기동이 개시된 것을 의미한다. 그리고, 연료 전지 스택(1)이 기동하면, 연료 전지 스택(1)으로부터의 출력 전류가 DC/DC 컨버터(5)를 통해 구동 인버터(3)로 충분히 흐르게 된다. 그 때문에, DC 링크 전압을 설정하고 있는 DC/DC 컨버터(8)의 전압 제어 게인을 높여, 제어 스피드를 높였다고 해도, 전력 조정 시스템(100) 전체적으로 대응할 수 있다.
여기서, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에는, DC/DC 컨버터(8)의 전압 제어 게인을 낮추는 이유에 대하여 간단하게 설명한다. DC/DC 컨버터(8)의 전압 제어 게인은, 횡축을 주파수(Hz)로 하고, 종축을 게인(dB)으로 한 보드 선도로 나타낼 수 있다. 그리고, 연료 전지 스택(1)을 전력 조정 시스템(100)으로부터 전기적으로 분리하였을 때, 전력 조정 시스템(100)에 탑재되는 DC/DC 컨버터(8)의 게인 특성은, 실기 레벨의 장치 구성에 기초하여, 2개의 공진점을 갖는 것이 알려져 있다.
도 1을 사용하여 설명하면, 연료 전지 스택(1)을 전력 조정 시스템(100)으로부터 전기적으로 분리한 경우, DC/DC 컨버터(8)의 리액터(81)와, 2개의 콘덴서(70, 64)로 LC 회로가 구성된다. 이 LC 회로의 공진 주파수는, 100Hz 오더에서 첫번째 공진점을 갖는다. 이 공진점 근방에서는, DC/DC 컨버터(8)의 임피던스가 작아짐으로써, 전압 제어 게인이 통상 운전 시와 동일하다면, 급격하게 대전류가 흘러버려, 배터리(20)를 열화시킬 가능성이 있다.
한편, 전압 제어 게인을 필요 이상으로 낮춰버리면, DC 링크 전압에 있어서의 전압 제어의 추종성이 저하되어버린다. 따라서, 연료 전지 스택(1)을 DC/DC 컨버터(5)에 접속하지 않은 상태에서는, 전압 제어의 추종성의 향상과, 공진점에 의한 게인 피크의 억제를 양립시키기 위해, 공진 주파수대의 제어 게인을 미리 낮게 설정하고 있다.
또한, 종래의 전력 조정 시스템에 있어서, 연료 전지 스택(1)에 산화제 가스 및 연료 가스를 공급한 경우에는, 연료 전지 스택(1)으로부터 출력 전류가 흐르고 있으므로, 연료 전지 스택(1)의 출력측에 있는 콘덴서(63)가 충전되어, DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압이 상승한다. DC/DC 컨버터(5)가 쌍방향 DC/DC 컨버터인 경우에는, 이러한 상황이 되면, DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압을 소정값(목표 전압)으로 낮추기 위해, DC/DC 컨버터(5)는, 승압 동작을 행한다. 따라서, DC 링크 전압을 한층 상승시켜버린다는 문제가 있었다.
본 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)를 직결 상태로 함으로써, DC/DC 컨버터(5)의 승압 동작을 시키지 않으므로, 이러한 문제가 발생하는 것을 충분히 억제할 수 있다.
이어서, 도 3의 흐름도를 참조하여, 본 실시 형태에 있어서의 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에 있어서의 동작을 설명한다. 또한, 도 3의 흐름도는, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에 있어서의 전체적인 동작을 나타내는 것이지만, 필요에 따라서, 추가의 스텝이 포함되어도 된다. 또한, 본 발명의 전력 조정 시스템(100)의 제어 방법은, 시스템 기동 시의 전체적인 동작의 일부를 구성하는 것이다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 전력 조정 시스템(100)의 연료 전지용 컨트롤러(10), 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4) 및 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 의해 실행되는 시스템 기동 처리를 나타내는 흐름도(메인 처리 플로우)이다.
이 흐름도에 관한 제어는, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에 실행된다. 여기서, 「전력 조정 시스템(100)의 기동 시」란, 연료 전지 스택(1)을 포함하는 전력 조정 시스템(100)의 기동 시뿐만 아니라, 차량의 신호 대기 등의 차량의 정지 시에 실행되는 아이들 스톱으로부터의 복귀 시도 포함된다. 또한, 각 스텝은, 모순이 발생하지 않는 범위에서, 그 순서가 변경되어도 된다.
먼저, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 전력 조정 시스템(100)에 있어서 배터리(20)를 접속하기 위한 배터리 접속 처리를 실행한다(스텝 S1). 이어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)를 직결하기 위한 FC 컨버터 직결 명령 출력 처리를 실행한다(스텝 S2).
계속해서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 목표 전압을 연산하기 위한 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리를 실행함과 함께(스텝 S3), 연료 전지 스택(1)을 DC/DC 컨버터(5)에 접속하기 위한 연료 전지 접속 처리를 실행한다(스텝 S4).
이어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)를 직결 상태로 함과 함께, 전력 조정 시스템(100)의 기동 후에는 통상 운전 모드에서 DC/DC 컨버터(5)를 제어하기 위한 FC 컨버터 제어 처리를 실행한다(스텝 S5). 이어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시 또는 기동 후에 있어서 DC/DC 컨버터(8)를 제어하기 위한 배터리 컨버터 제어 처리를 실행한다(스텝 S6).
그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10), 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4) 및 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는, 도 3에 나타내는 본 실시 형태에 있어서의 시스템 기동 처리를 종료한다.
이어서, 도 3의 각 서브루틴에 대해서, 흐름도를 참조하여 각각 설명한다.
도 4는, 도 3의 스텝 S1에 대응하는 서브루틴이며, 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 배터리 접속 처리를 나타내는 흐름도이다.
이 배터리 접속 처리에 있어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 먼저, 전력 조정 시스템(100)을 탑재한 차량의 기동 스위치가 ON되었는지 여부를 판정한다(스텝 S101). 또한, 상술한 바와 같이, 기동 스위치가 아니라, 이그니션 키가 사용되는 차량에 있어서는, 이그니션 키가 ON되었는지 여부를 판정하면 된다.
기동 스위치가 ON되지 않았다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 배터리 접속 완료 플래그를 OFF로 하여(스텝 S108), 이 배터리 접속 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다. 한편, 기동 스위치가 ON되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 단절 및 접속기(44)의 제2 정 릴레이(45) 및 제2 부 보조 릴레이(46)를 ON으로 한다(스텝 S102). 이에 의해, 배터리(20)는, 보조 저항(47)을 통해, DC/DC 컨버터(8)에 전기적으로 접속된다. 그 때문에, DC/DC 컨버터(8)의 입력측 전압은, 콘덴서(68)가 충전됨으로써, 서서히 상승하게 된다.
계속해서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 전압 센서(69)를 사용하여, DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압을 검출한다(스텝 S103).
그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 검출한 출력 전압이 소정 전압 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S104). 출력 전압이 소정 전압 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 배터리 접속 완료 플래그를 OFF로 하여(스텝 S108), 이 배터리 접속 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
한편, 출력 전압이 소정 전압 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 처음으로 소정 전압 이상으로 되고 나서의 시간이 소정 시간을 경과했는지 여부를 판정한다(스텝 S105). 그 시간이 소정 시간을 경과하지 않았다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 그 시간이 소정 시간이 될 때까지, 스텝 S103 내지 S105의 처리를 반복한다.
그 시간이 소정 시간을 경과했다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 단절 및 접속기(44)의 제2 부 보조 릴레이(46)를 OFF로 함과 함께, 제2 부 릴레이(48)를 ON으로 한다(스텝 S106). 소정 시간이 경과함으로써, DC/DC 컨버터(8)의 입력측 전압은, 배터리(20)의 축전 전압이 된다. 이에 의해, 보조 저항(47)을 통하지 않고, 배터리(20)의 축전 전력이 후단에 공급 가능하게 되므로, 전압 제어의 추종성을 높일 수 있다.
이어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 배터리 접속 완료 플래그를 ON으로 하여(스텝 S107), 이 배터리 접속 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
도 5는, 도 3의 스텝 S2에 대응하는 서브루틴이며, 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 FCC 직결 명령 출력 처리를 나타내는 흐름도이다.
이 FCC 직결 명령 출력 처리에 있어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 먼저, 배터리 접속 완료 플래그에 기초하여, 배터리(20)의 후단에의 접속이 완료되었는지 여부를 판정한다(스텝 S201). 배터리(20)의 접속이 완료되지 않았다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 FCC 직결 명령 출력 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
한편, 배터리(20)의 접속이 완료되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압을 검출한다(스텝 S202).
그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 검출한 출력 전압이 소정 전압 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S203). 출력 전압이 소정 전압 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 FCC 직결 명령 출력 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
한편, 출력 전압이 소정 전압 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 처음으로 소정 전압 이상으로 되고 나서의 시간이 소정 시간을 경과했는지 여부를 판정한다(스텝 S204). 그 시간이 소정 시간을 경과하지 않았다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 그 시간이 소정 시간이 될 때까지, 스텝 S202 내지 S204의 처리를 반복한다.
그 시간이 소정 시간을 경과했다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)로 FCC 직결 명령을 출력하여(스텝 S205), 이 FCC 직결 명령 출력 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다. 여기서, 「FCC 직결 명령」이란, 상술한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)를 직결 상태로 시키기 위한 명령이다. 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는, 이 FCC 직결 명령에 기초하여, DC/DC 컨버터(5)의 스위칭 소자(52)의 100％ ON 듀티의 PWM 신호를 출력하고, 이에 의해, 스위칭 소자(52)는 상시 ON 상태로 된다.
도 6은, 도 3의 스텝 S3에 대응하는 서브루틴이며, 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리를 나타내는 흐름도이다.
이 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리에 있어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 우선, FCC 직결 명령 출력 처리의 스텝 S205에 있어서, FCC 직결 명령이 출력되었는지 여부를 판정한다(스텝 S301). FCC 직결 명령이 출력되지 않았다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
한편, FCC 직결 명령이 출력되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 목표 전압(목표 출력 전압)을 소정 전압으로 설정하여(스텝 S302), 이 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
도 7은, 도 3의 스텝 S4에 대응하는 서브루틴이며, 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 연료 전지 접속 처리를 나타내는 흐름도이다.
이 연료 전지 접속 처리에 있어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 먼저, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 입력 전압을 검출한다(스텝 S401). 여기서, FC 컨버터 직결 명령 출력 처리에 있어서 이미 직결 명령이 출력된 경우에는, DC/DC 컨버터(8) 및 리액터(51)를 통해, 배터리(20)의 축전 전력을 콘덴서(63)에 도입하고 있다. 그 때문에, 콘덴서(63)의 양쪽 단자간 전압, 즉, DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압은, 상승하게 된다.
계속해서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 입력 전압이 소정 전압 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S402). 입력 전압이 소정 전압 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 연료 전지 접속 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
한편, 입력 전압이 소정 전압 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 제1 단절 및 접속기(41)의 제1 정 릴레이(42) 및 제1 부 릴레이(43)를 각각 ON으로 한다(스텝 S403). 이에 의해, 연료 전지 스택(1)은 후단에 전기적으로 접속되어, 콘덴서(63)를 충전하게 된다. 또한, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에는, 제1 정 릴레이(42) 및 제1 부 릴레이(43)는 OFF된 상태이며, 연료 전지 스택(1)은 후단과는 전기적으로 절단된 상태로 되어 있다.
이어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 도시하지 않은 애노드 급배 장치 및 캐소드 급배 장치에 의해, 연료 전지 스택(1)으로의 연료 가스 및 산화제 가스의 공급을 개시하며(스텝 S404), 이 연료 전지 접속 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다. 또한, 연료 전지 스택(1)의 발전 제어는, 부하가 되는 구동 모터(2)의 요구 전력이나 연료 전지 스택(1) 내의 도시하지 않은 전해질막의 습윤 상태에 기초하여, 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 행해진다.
도 8은, 도 3의 스텝 S5에 대응하는 서브루틴이며, 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 FC 컨버터 제어 처리를 나타내는 흐름도이다.
이 FC 컨버터 제어 처리에 있어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 먼저, FCC 직결 명령 출력 처리의 스텝 S205에 있어서, FCC 직결 명령이 출력되었는지 여부를 판정한다(스텝 S501).
FCC 직결 명령이 출력되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, DC/DC 컨버터(5)의 스위칭 소자(52)에 대하여, 100％ ON 듀티 명령을 출력함과 함께(스텝 S502), 스위칭 소자(54)에 대하여, 0％ ON 듀티 명령을 출력한다(스텝 S503). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 FC 컨버터 제어 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
한편, FCC 직결 명령이 출력되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압을 검출한다(스텝 S504). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 출력 전압이 소정 전압 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S505). 출력 전압이 소정 전압 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 FC 컨버터 제어 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
한편, 출력 전압이 소정 전압 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)에 FCC 전압 제어 처리를 실행시켜(스텝 S506), 이 FC 컨버터 제어 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 도 8에 나타내는 FC 컨버터 제어 처리를 실행하는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 구성에 제한되지 않는다. 예를 들어, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)가 직접적으로 이 FC 컨버터 제어 처리를 실행해도 된다.
도 9는, 도 8의 스텝 S506에 대응하는 서브루틴이며, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)에 의해 실행되는 FCC 전압 제어 처리를 나타내는 제어 블록도이다. 도 9에 도시한 바와 같이, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는, 제1 입력을 제2 입력으로 감산하는 감산기(4A)와, 입력값을 PI 제어하는 PI 제어기(4B)와, 제1 입력을 제2 입력으로 제산하는 제산기(4C)와, 입력값을 소정 범위 내의 값로 제한하는 제한기(4D)와, 제1 입력을 제2 입력으로 감산하는 감산기(4E)를 구비한다.
먼저, 감산기(4A)에 의해, DC/DC 컨버터(5)의 승강압해야 할 목표 전압으로부터 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 검출하는 전압 센서(62)에 의해 검출한 제어 전압량을 제산한다. 이어서, PI 제어기(4B)에 의해, 감산기(4A)의 출력값을 PI 제어하고, 얻어진 값이 제산기(4C)로 출력된다.
계속해서, 제산기(4C)에 의해, DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압을 검출하는 전압 센서(65)에 의해 검출한 FCC 출력 전압으로, PI 제어기(4B)의 출력값을 제산하여, 그 결과를 제한기(4D)로 출력한다.
여기서, DC/DC 컨버터(5)에 의해 연료 전지 스택(1)의 출력 전압이 승압된 경우에는, 제산기(4C)의 출력값은 1 이하가 된다. 한편, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압이 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압보다도 큰 경우에는, 제산기(4C)의 출력값은 1 이상이 된다. 본 실시 형태의 제한기(4D)는, 0 미만의 값을 0으로 제한함과 함께, 1보다 큰 값을 1로 제한하는 것이다. 제한기(4D)는, 얻어진 값을 후단에 출력한다.
마지막으로 감산기(4E)에 의해, 1로부터 제한기(4D)의 출력값이 감산된다. 그리고, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는, PWM 신호로서 감산기(4E)의 출력값(0 내지 1의 값)을 스위칭 소자(54)로 출력함과 함께, PWM 신호로서 제한기(4D)의 출력값(0 내지 1의 값이며, 감산기(4E)의 출력값과 가산하면 1이 되는 값)을 스위칭 소자(52)로 출력한다.
본 실시 형태에서는, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는, 상기 연산 처리에 기초하여, 스위칭 소자(52, 54)용 PWM 신호를 연산하여, 스위칭 제어한다. 또한, 이 연산 처리를 실행하기 위해, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는, 하드웨어 구성에 의한 아날로그 회로를 구비하고 있어도 되고, 그 대신에, 도시하지 않은 메모리에 저장된 소프트웨어 프로그램을 실행함으로써, PWM 신호를 연산해도 된다.
도 10은, 도 3의 스텝 S6에 대응하는 서브루틴이며, 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 배터리 컨버터 제어 처리를 나타내는 흐름도이다.
이 배터리 컨버터 제어 처리에 있어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 먼저, FCC 직결 명령 출력 처리의 스텝 S205에 있어서, FCC 직결 명령이 출력되었는지 여부를 판정한다(스텝 S601).
FCC 직결 명령이 출력되었다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, DC/DC 컨버터(5)의 입력 전압을 제어 전압량으로 설정한다(스텝 S602). 한편, FCC 직결 명령이 출력되지 않았다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압을 제어 전압량으로 설정한다(스텝 S603).
이어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 전류 센서(71) 또는 전류 센서(61)를 사용하여, 연료 전지 스택(1)의 출력 전류를 검출한다(스텝 S604). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 검출한 출력 전류값이 소정값 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S605). 또한, 이 「소정값」이란, 상술한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)으로부터 출력 전류가 약간이라도 흐를 때의 값이며, 예를 들어 전류 센서(71, 61)의 센싱 능력(검지 능력)의 최솟값이다.
검출한 출력 전류값이 소정값 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 후술하는 공진 제거 필터의 기능을 OFF로 한다(스텝 S606). 한편, 검출한 출력 전류값이 소정값 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 그대로 스텝 S607로 이행한다.
이어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 BC 전압 제어 처리를 실행시켜(스텝 S607), 이 배터리 컨버터 제어 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 도 10에 나타내는 배터리 컨버터 제어 처리를 실행하는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 구성에 제한하지 않는다. 예를 들어, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)가 직접적으로 이 FC 컨버터 제어 처리를 실행해도 된다.
도 11은, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 의해 실행되는 BC 전압 제어 처리를 나타내는 제어 블록도이다. 도 11에 도시한 바와 같이, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는, 제1 입력을 제2 입력으로 감산하는 감산기(7A)와, 입력값을 PI 제어하는 PI 제어기(7B)와, 제1 입력을 제2 입력으로 제산하는 제산기(7C)와, 입력값을 소정 범위 내의 값으로 제한하는 제한기(7D)와, 공진 제거 필터(7E)와, 제1 입력을 제2 입력으로 감산하는 감산기(7F)를 구비한다.
여기서, 공진 제거 필터(7E)는, 예를 들어 이동 평균 필터 등의 저역 통과 필터로 구성된다. 공진 제거 필터(7E)는, DC/DC 컨버터(8)의 리액터(81) 및 콘덴서(64, 70)에 의해 구성되는 공진 회로의 공진 주파수대에 있어서의 게인 특성을 낮추기 위한 부재이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 도 10의 흐름도에서 나타낸 바와 같이, 연료 전지 스택(1)의 출력 전류가 소정값 이상으로 되면, 공진 제거 필터의 기능을 OFF로 하고 있다.
먼저, 감산기(7A)에 의해, DC/DC 컨버터(8)의 승강압해야 할 목표 전압으로부터 스텝 S602 또는 S603에 있어서 설정한 제어 전압량인 DC/DC 컨버터(8)의 입력 전압 또는 출력 전압을 제산한다. 이어서, PI 제어기(7B)에 의해, 감산기(7A)의 출력값을 PI 제어하여, 얻어진 값이 제산기(7C)로 출력된다.
이어서, 제산기(7C)에 의해, DC/DC 컨버터(8)의 출력 전압을 검출하는 전압 센서(69)에 의해 검출한 배터리 C 출력 전압으로, PI 제어기(7B)의 출력값을 제산하여, 그 결과를 제한기(7D)로 출력한다.
제한기(7D)는, 0 미만의 값을 0으로 제한함과 함께, 1보다 큰 값을 1로 제한하고, 얻어진 값을 후단에 출력한다. 공진 제거 필터(7E)는, 제한기(7D)의 출력에 있어서의 고주파 성분을 제거한다.
마지막으로 감산기(7F)에 의해, 1로부터 공진 제거 필터(7E)의 출력값이 감산된다. 그리고, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는, PWM 신호로서 감산기(7F)의 출력값(0 내지 1의 값)을 스위칭 소자(84)로 출력함과 함께, PWM 신호로서 공진 제거 필터(7E)의 출력값(0 내지 1의 값이며, 감산기(7F)의 출력값과 가산하면 1이 되는 값)을 스위칭 소자(82)로 출력한다.
본 실시 형태에서는, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는, 상기 연산 처리에 기초하여, 스위칭 소자(82, 84)용 PWM 신호를 연산하고, 스위칭 제어한다. 또한, 이 연산 처리를 실행하기 위해, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는, 하드웨어 구성에 의한 아날로그 회로를 구비하고 있어도 되고, 그 대신에, 도시하지 않은 메모리에 저장된 소프트웨어 프로그램을 실행함으로써, PWM 신호를 연산해도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)은, 2개의 컨버터를 구비하는 전력 조정 시스템이며, 부하로서의 구동 모터(2)에 접속되는 연료 전지 스택(1)(연료 전지)과, 연료 전지 스택(1)과 구동 모터(2) 사이에 접속되어, 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 접속되어, 연료 전지 스택(1)과는 다른 전력 공급원인 배터리(20)와, 배터리(20)와 구동 모터(2) 사이에 접속되어, 배터리(20)의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)(배터리용 컨버터)를 구비한다. 또한, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)은, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 입력측과 출력측을 직결 상태로 하는 컨버터 직결부(15)와, 연료 전지 스택(1)의 기동 시에 산화제 가스를 공급함으로써, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 소정 전압까지 상승시키는 연료 전지 출력 전압 상승부(14)를 더 구비하도록 구성하였다. 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에 의하면, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에 DC/DC 컨버터(5)를 직결 상태로 함으로써, DC/DC 컨버터(5)의 승강압 기능을 발휘시키지 않는다. 그리고, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)를 통해, DC 링크 전압을 조정할 때, 직결한 DC/DC 컨버터(5)를 통과하여 콘덴서(63)를 충전함으로써, 연료 전지 스택(1)의 출력측에 있어서의 전압을 DC 링크 전압과 동일한 소정 전압으로 할 수 있다. 그 상태에 있어서, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 이 소정의 전압이 되도록 상승시켜가므로, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에 종래 발생하던 DC 링크 전압의 오버슈트나 그 반동으로 일어나는 언더슈트를 효과적으로 저감시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에서는, 그 기동 시에, DC/DC 컨버터(5)를 직결 상태로 하고 있으므로, DC/DC 컨버터(5)는, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압의 승압 동작을 행하는 경우가 없다. 따라서, 가령 DC 링크 전압이 소정 전압보다도 높아지거나, 또는 DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압이 소정 전압보다도 상승했다고 해도, DC/DC 컨버터(5)에 의한 헌팅 동작을 방지할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 공급이나 캐소드 가스 공급에 악영향을 주는 일이 없고, 출력 전류가 DC/DC 컨버터(5)의 요구에 따라서 많이 인출되는 일이 없으므로, 연료 전지 스택(1) 내의 각 전극이나 전해질막을 손상시키는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에서는, 연료 전지 출력 전압 상승부(14)에 의해 연료 전지 스택(1)의 출력 전압이 소정 전압까지 상승하기 전에, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압을 소정 전압으로 조정하는 컨버터 입력 전압 조정부(16)를 더 구비하게 구성된다. 이에 의해, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에 종래 발생하던 DC 링크 전압의 오버슈트나 그 반동으로 일어나는 언더슈트를 더 효과적으로 저감시킬 수 있다.
본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에서는, 컨버터 입력 전압 조정부(16)는, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)와 컨버터 직결부(15)에 의해, 배터리(20)의 축전 전력을 사용하여, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압을 소정 전압으로 조정하도록 구성된다. 이 경우, DC/DC 컨버터(8)의 제어량, 즉, 소정의 요구 전압비에 대응하는 출력측의 전압값을 DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압(연료 전지 스택(1)의 출력측 전압)으로 설정해도 된다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 고전위 회피 전압을 목표로 하여 제어하게 되므로, DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압을 신속하게 소정 전압으로 되도록 제어할 수 있다. 이에 의해, DC/DC 컨버터(5)의 출력측 전압의 오버슈트량을 더 억제할 수 있고, 그 결과, 상술한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)의 열화를 더 효과적으로 억제할 수 있다.
본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에서는, 컨버터 입력 전압 조정부(16)는, 컨버터 직결부(15)의 기능을 정지시키고, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)와 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)에 의해, 배터리(20)의 축전 전력을 사용하여, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압을 소정 전압으로 조정하도록 구성되어도 된다. 특히, DC/DC 컨버터(5)가 쌍방향 승강압 컨버터인 경우에는, DC/DC 컨버터(5)의 직결 상태가 아니며, DC/DC 컨버터(5)의 동작에 의해, DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압을 소정 전압으로 보다 신속하게 조정할 수 있다.
본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에서는, 연료 전지 스택(1)의 기동 중에 있어서의 연료 전지 스택(1)의 출력 전류를 검출하는 전류 센서(71)와, 연료 전지 스택(1)의 기동 후, 전류 센서(71)에 의해 검출한 출력 전류가 소정값 이상으로 증가했는지 여부를 판정하는 출력 전류 판정부(12)를 더 구비하고, 출력 전류 판정부(12)에 의해 출력 전류가 소정값 이상으로 증가했다고 판정한 경우에는, 출력 전류가 소정값 미만인 경우에 비해, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 전압 제어 게인을 높이도록 구성하였다. 이렇게 구성함으로써, 연료 전지 스택(1)으로부터 DC/DC 컨버터(5)로 전류의 출력이 개시되는 타이밍을 판단할 수 있고, 출력 개시의 타이밍에서, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 전압 제어 게인을 높게 설정하고 있다. 이에 의해, DC/DC 컨버터(5)의 출력측 전압의 오버슈트를 억제하면서, DC 링크 전압의 확립, 응답성의 제어 스피드를 높일 수 있다.
본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에서는, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에는, 컨버터 직결부(15)는, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)를 직결 상태로 하고, 배터리(20)의 축전 전력을 사용하여, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압 및 출력측 전압을 동시에 소정 전압까지 승압시키도록 구성하였다. 이렇게 구성함으로써, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에 있어서, DC/DC 컨버터(5)의 입력측 콘덴서(63) 및 출력측의 콘덴서(64)을 동시에 충전함으로써, 입력측 전압 및 출력측 전압을 상승시킬 수 있다. 이에 의해, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에 소정 전압의 확립을 신속하게 할 수 있으므로, 연료 전지 스택(1)으로의 산화제 가스 및 연료 가스의 공급까지의 시간을 단축시킬 수 있다. 따라서, 전력 조정 시스템(100) 전체의 기동 시간을 단축시킬 수 있다.
(제2 실시 형태)
이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서, 제1 실시 형태와의 상위점을 주로 설명한다. 또한, 전력 조정 시스템(100)의 전체 구성 및 연료 전지용 컨트롤러(10)의 기능적 구성은 동일하므로, 도 1 및 도 2를 사용하여 설명한다.
상기 제1 실시 형태에서는, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에, 연료 전지 스택(1)의 출력측 전압을 소정 전압으로 하기 위해, 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4) 및 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)를 제어하도록 구성하고 있었다. 본 실시 형태에서는, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4) 및 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 대한 특수한 제어 모드를 필요로 하지 않고, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에, 연료 전지 스택(1)의 출력측 전압을 소정 전압으로 하는 것이다.
도 12는, 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러(10), 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4) 및 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 의해 실행되는 시스템 기동 처리를 나타내는 흐름도(메인 처리 플로우)이다. 제1 실시 형태와 동일한 스텝에는 동일한 스텝 번호를 붙였다.
이 흐름도에 관한 제어는, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에 실행된다. 여기서, 「전력 조정 시스템(100)의 기동 시」란, 제1 실시 형태의 경우와 동일하게, 연료 전지 스택(1)을 포함하는 전력 조정 시스템(100)의 기동 시뿐만 아니라, 차량의 신호 대기 등의 차량의 정지 시에 실행되는 아이들 스톱으로부터의 복귀 시도 포함된다. 또한, 각 스텝은, 모순이 발생하지 않는 범위에 있어서, 그 순서가 변경되어도 된다.
먼저, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 전력 조정 시스템(100)에 있어서 배터리(20)를 접속하기 위한 배터리 접속 처리를 실행한다(스텝 S1). 이어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 목표 전압을 연산하기 위한 FC 컨버터 목표 전압 연산 처리를 실행한다(스텝 S7).
계속해서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 목표 전압을 연산하기 위한 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리를 실행한다(스텝 S8). 이어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에 있어서의 산화제 가스를 공급하기 위한 산화제 가스 공급 처리를 실행한다(스텝 S9).
계속해서, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)는, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시 또는 기동 후에 있어서 DC/DC 컨버터(5)를 제어하기 위한 FC 컨버터 제어 처리를 실행함과 함께(스텝 S10), 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는 전력 조정 시스템(100)의 기동 시 또는 기동 후에 있어서 DC/DC 컨버터(8)를 제어하기 위한 배터리 컨버터 제어 처리를 실행한다(스텝 S11).
그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10), 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4) 및 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)는, 도 12에 나타내는 본 실시 형태에 있어서의 시스템 기동 처리를 종료한다.
이어서, 도 12의 각 서브루틴 중 제1 실시 형태와 상이한 것에 대해서, 흐름도를 참조하여 각각 설명한다.
도 13은, 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 FC 컨버터 목표 전압 연산 처리를 나타내는 흐름도이다. 본 실시 형태에서는, 전력 조정 시스템(100)의 기동 시에, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)를 직결하지 않고, 통상의 기동 처리에 의해, 연료 전지 스택(1)의 출력측 전압을 소정 전압으로 하는 것이다.
이 FC 컨버터 목표 전압 연산 처리에 있어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 먼저, 전압 센서(65)를 사용하여, DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압을 검출한다(스텝 S701). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 그 출력 전압이 소정 전압 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S702). 출력 전압이 소정 전압 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 FC 컨버터 목표 전압 연산 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
한편, 출력 전압이 소정 전압 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 추가로, 산화제 가스의 공급 시간이 소정 시간 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S703). 산화제 가스의 공급 시간이 소정 시간 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 FC 컨버터 목표 전압 연산 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
한편, 산화제 가스의 공급 시간이 소정 시간 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, DC/DC 컨버터(5)의 목표 전압(목표 출력 전압)을 소정 전압+α로 설정하여(스텝 S704), 이 FC 컨버터 목표 전압 연산 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
여기서, 마진 α에 대하여 간단하게 설명한다. 스텝 S704의 판정 스텝에 있어서의 마진 α는, DC/DC 컨버터(5)의 출력측의 전압 센서(65)나 DC/DC 컨버터(8)의 출력측의 전압 센서(69)의 검출 오차나, DC/DC 컨버터(5)의 제어 응답성 등을 고려하여 실험 등에 의해 미리 결정되는 것이다. 본 실시 형태에서는, 마진 α는, 예를 들어 10V이다.
도 14는, 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리를 나타내는 흐름도이다.
이 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리에 있어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 먼저, 전압 센서(67)를 사용하여, DC/DC 컨버터(8)의 입력측 전압(입력 전압)을 검출한다(스텝 S801). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 입력 전압이 소정 전압 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S802).
입력 전압이 소정 전압 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리를 종료한다. 한편, 입력 전압이 소정 전압 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 산화제 공급 시간이 소정 시간 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S803).
산화제 가스의 공급 시간이 소정 시간 이상이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 연료 전지 스택(1)이 기동한 것으로 판단하여, 이 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
한편, 산화제 가스의 공급 시간이 소정 시간 미만이라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)의 목표 전압(목표 출력 전압)을 소정 전압으로 설정하여, 이 배터리 컨버터 목표 전압 연산 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다.
도 15는, 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 산화제 가스 공급 처리를 나타내는 흐름도이다.
이 산화제 가스 공급 처리에 있어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 먼저, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 입력 전압을 검출한다(스텝 S901). 그리고, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 그 입력 전압이 소정 전압 이하인지 여부를 판정한다(스텝 S902).
입력 전압이 소정 전압보다도 크다고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 이 산화제 가스 공급 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다. 한편, 입력 전압이 소정 전압 이하라고 판정한 경우에는, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 연료 전지 스택(1) 내의 산화제 가스가 부족한 것으로 판단하여, 연료 전지 스택(1)에 대하여 산화제 가스를 단시간 공급하여(스텝 S903), 이 산화제 가스 공급 처리를 종료하고, 메인 처리 플로우로 복귀된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 산화제 가스에 착안하여, 각 제어에 대하여 설명하였지만, 전력 조정 시스템(100)에서는, 필요에 따라서, 연료 가스(애노드 가스)의 공급도 행하고 있다.
도 16은, 제2 실시 형태에 있어서의 FCC 전압 제어 처리 및 BC 전압 제어 처리를 나타내는 흐름도이다. 도 16의 (a)는, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)에 의해 실행되는 FC 컨버터 제어 처리를 나타내는 흐름도이다.
본 실시 형태에서는, 제1 실시 형태의 경우와 달리, 이 FC 컨버터 제어 처리에 있어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 연료 전지용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(4)에 의한 FCC 전압 제어 처리만을 실행한다(스텝 S506). 또한, 이 FCC 전압 제어 처리에 대해서는, 제1 실시 형태에서 설명한 도 9의 처리와 동일하므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.
도 16의 (b)는, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 의해 실행되는 배터리 컨버터 제어 처리를 나타내는 흐름도이다. FC 컨버터 제어 처리와 마찬가지로, 본 실시 형태에서는, 이 배터리 컨버터 제어 처리에 있어서, 연료 전지용 컨트롤러(10)는, 배터리용 DC/DC 컨버터 컨트롤러(7)에 의한 BC 전압 제어 처리만을 실행한다(스텝 S607). 또한, 이 BC 전압 제어 처리에 대해서는, 제1 실시 형태에서 설명한 도 11의 처리와 동일하므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)은, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)가, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 승압 및 강압하기 위한 복수의 스위칭 소자(52, 54)를 포함하고, 컨버터 직결부(15)는, 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)에 의해 이 DC/DC 컨버터(8)의 출력측 전압을 소정 전압으로 설정하고, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)에 의해 DC/DC 컨버터(5)의 출력측 전압(전압 센서(65)에 의해 검출한 전압)보다도 입력측 전압(전압 센서(62)에 의해 검출한 전압)을 높은 전압값으로 설정함으로써, 연료 전지용 컨버터를 직결 상태로 하도록 구성하였다. 본 실시 형태의 전력 조정 시스템(100)에 의하면, 이와 같이 구성되어 있으므로, DC/DC 컨버터(5)는, 강압측 스위칭 소자(52)의 ON 듀티가 100％가 됨으로써, DC/DC 컨버터(5)는 직결 상태가 된다.
본 실시 형태에서는, 전력 조정 시스템(100)을 이렇게 구성함으로써, 제1 실시 형태와는 달리, 특별한 제어 모드를 필요로 하지 않고, 제1 실시 형태와 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예 일부를 나타낸 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지가 아니다.
상기 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5) 및 배터리(20)용 DC/DC 컨버터(8)로서, 단상의 일방향 DC/DC 컨버터를 사용한 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 구성에 제한되지 않는다. DC/DC 컨버터(5, 8)로서, 예를 들어 쌍방향의 단상 DC/DC 컨버터를 사용해도 되고, 일방향 또는 쌍방향의 다상 DC/DC 컨버터를 사용해도 된다. 연료 전지 스택(1)의 기동에 맞추어, DC/DC 컨버터(5)의 입력측 전압을 소정 전압으로 조정함으로써, 상술한 바와 같이 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 상기 제1 실시 형태에서는, 배터리(20)의 출력 전압을 DC/DC 컨버터(8)에 의해 소정의 전압으로 승압함으로써, 연료 전지 스택(1)용 DC/DC 컨버터(5)의 출력측에 있는 콘덴서(64)를 소정의 전압까지 충전하고(스텝 S203), DC/DC 컨버터(5)의 출력측 전압, 즉, 이 콘덴서(64)의 충전 전압이 소정의 전압 이상으로 되고 나서 소정 시간 경과 후에(스텝 S204), DC/DC 컨버터(5)를 직결 상태로 함으로써(스텝 S301, S302), DC/DC 컨버터(5)의 입력측에 있는 콘덴서(63)를 소정의 전압까지 충전하고(스텝 S402), 전력 조정 시스템(100)에 연료 전지 스택(1)을 접속함과 함께, 연료 가스 및 산화제 가스를 연료 전지 스택(1)에 공급하였다. 즉, 제1 실시 형태에서는, 전력 조정 시스템(100)의 기동 후로서, DC/DC 컨버터(5)의 입력 전압이 소정의 전압으로 된 후, 연료 전지 스택(1)으로의 연료 가스 및 산화제 가스의 공급을 개시하여, 연료 전지 스택(1)을 기동하였다.
그러나, 본 발명은, 이러한 기동의 타이밍에 제한되지 않는다. 예를 들어, 전력 조정 시스템(100)의 기동 후, 산화제 가스를 연료 전지 스택(1)에 공급하기 위한 캐소드 컴프레서가 작동함으로써, 연료 전지 스택(1)으로의 연료 가스 및 산화제 가스의 공급을 개시하여, 전력 조정 시스템(100)의 기동과 거의 동시에, 연료 전지 스택(1)을 기동해도 된다. 이 경우에 있어서도, DC/DC 컨버터(5)가 직결 상태로 되어 있음으로써, DC/DC 컨버터(5)의 승압 동작을 행하지 않으므로, 상술한 바와 같은 DC/DC 컨버터(5)에 의한 헌팅 동작을 방지할 수 있다.

Claims (8)

  1. 2개의 컨버터를 구비하는 전력 조정 시스템이며,
    부하에 접속되는 연료 전지와,
    상기 연료 전지와 상기 부하 사이에 접속되어, 해당 연료 전지의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지용 컨버터와,
    상기 부하에 대하여 상기 연료 전지와 병렬로 접속되어, 해당 연료 전지와는 다른 전력 공급원인 배터리와,
    상기 배터리와 상기 부하 사이에 접속되어, 해당 배터리의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리용 컨버터와,
    상기 전력 조정 시스템의 기동 시에, 상기 연료 전지용 컨버터의 입력측과 출력측을 직결 상태로 하는 컨버터 직결부와,
    상기 연료 전지의 기동 시에 산화제 가스를 공급함으로써, 상기 연료 전지의 출력 전압을 소정 전압까지 상승시키는 연료 전지 출력 전압 상승부
    를 구비하는 전력 조정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 출력 전압 상승부에 의해 상기 연료 전지의 출력 전압이 상기 소정 전압까지 상승하기 전에, 상기 연료 전지용 컨버터의 입력측 전압을 상기 소정 전압으로 조정하는 컨버터 입력 전압 조정부를 더 구비하는,
    전력 조정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컨버터 입력 전압 조정부는, 상기 배터리용 컨버터와 상기 컨버터 직결부에 의해, 상기 배터리의 축전 전력을 사용하여, 상기 연료 전지용 컨버터의 입력측 전압을 상기 소정 전압으로 조정하는,
    전력 조정 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 컨버터 입력 전압 조정부는, 상기 컨버터 직결부의 기능을 정지시키고, 상기 배터리용 컨버터와 상기 연료 전지용 컨버터에 의해, 상기 배터리의 축전 전력을 사용하여, 상기 연료 전지용 컨버터의 입력측 전압을 상기 소정 전압으로 조정하는,
    전력 조정 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 기동 중에 있어서의 해당 연료 전지의 출력 전류를 검출하는 전류 센서와,
    상기 연료 전지의 기동 후, 상기 전류 센서에 의해 검출한 출력 전류가 소정값 이상으로 증가했는지 여부를 판정하는 출력 전류 판정부
    를 더 구비하고,
    상기 출력 전류 판정부에 의해 상기 출력 전류가 소정값 이상으로 증가했다고 판정한 경우에는, 상기 출력 전류가 소정값 미만인 경우에 비해, 상기 배터리용 컨버터의 전압 제어 게인을 높이는,
    전력 조정 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 조정 시스템의 기동 시에는, 상기 컨버터 직결부는, 상기 연료 전지용 컨버터를 상기 직결 상태로 하고, 상기 배터리의 축전 전력을 사용하여, 상기 연료 전지용 컨버터의 입력측 전압 및 출력측 전압을 동시에 상기 소정 전압까지 승압시키는,
    전력 조정 시스템.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지용 컨버터는, 상기 연료 전지의 출력 전압을 승압 및 강압하기 위한 복수의 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 컨버터 직결부는, 상기 배터리용 컨버터에 의해 상기 연료 전지용 컨버터의 출력측 전압을 상기 소정 전압으로 설정하고, 상기 연료 전지용 컨버터에 의해 해당 연료 전지용 컨버터의 출력측 전압보다도 입력측 전압을 높은 전압값으로 설정함으로써, 해당 연료 전지용 컨버터를 상기 직결 상태로 하는,
    전력 조정 시스템.
  8. 부하에 접속되는 연료 전지와,
    상기 연료 전지와 상기 부하 사이에 접속되어, 해당 연료 전지의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 연료 전지용 컨버터와,
    상기 연료 전지와는 다른 전력 공급원인 배터리와,
    상기 배터리와 상기 부하 사이에 접속되어, 해당 배터리의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 변환하는 배터리용 컨버터
    를 구비하는 전력 조정 시스템의 제어 방법이며,
    상기 연료 전지용 컨버터의 입력측과 출력측을 직결 상태로 하는 스텝과,
    상기 연료 전지의 기동 시에 산화제 가스를 공급함으로써, 상기 연료 전지의 출력 전압을 소정 전압까지 상승시키는 스텝
    을 포함하는,
    전력 조정 시스템의 제어 방법.
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