WO2005076433A1 - ハイブリッド燃料電池システム及びその電圧変換制御方法 - Google Patents

ハイブリッド燃料電池システム及びその電圧変換制御方法 Download PDF

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Tetsuhiro Ishikawa
Tsuyoshi Yano
Hiroshi Yoshida
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a hybrid fuel cell system and its voltage conversion control method.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-189879 describes a maximum output ratio between a fuel cell and a battery. It is disclosed that the fuel cell is set within the range of 65 to 80 ⁇ 1 ⁇ 2 of the total output to suppress the loss in the DC-DC converter / heater. Disclosure of the invention
  • the efficiency is determined by the overall effect of reactor copper loss, which is lost due to the reactor component, element loss, which is caused by the operation of switching elements such as IGBTs, and reactor iron loss, which is lost due to the reactor component. Is due.
  • the number of phases can be changed in accordance with the equivalent value of the power passing through the voltage converter, for example, the input / output conversion energy amount or the operating work amount. Depending on the value, the number of phases with higher efficiency can be selected for voltage conversion, and the efficiency of the voltage converter can be greatly improved.
  • the “power storage device” is not limited, and is, for example, one or a plurality of stacked nickel-metal hydride batteries or lead storage batteries.
  • the voltage converter switches between a multi-phase operation that operates with a plurality of phases and a single-phase operation that operates with a single phase.
  • the equivalent value is larger than the first value. It is preferable to switch to single-phase operation when it becomes smaller, and to switch to multi-phase operation when the equivalent value exceeds a second value that is larger than the first value during single-phase operation. .
  • first value and second value are set to correspond to the values at which the efficiency of the entire voltage converter is reversed between multi-phase operation and single-phase operation. There is no need to change the settings, and settings can be changed as appropriate in consideration of operational stability and other circumstances.
  • FIG. 1 Block diagram of the hybrid fuel cell system according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a control method of the hybrid fuel cell system according to the present embodiment.
  • FIG. 3 Diagram showing operation hysteresis of the hybrid fuel cell system
  • Embodiments of the present invention apply the present invention to a fuel cell system mounted on an electric vehicle.
  • FIG. 1 shows an overall system diagram of the hybrid fuel cell system 1.
  • the hybrid fuel cell system 1 includes a DC-DC converter 20, a secondary battery 21, a fuel cell 22, a backflow prevention diode 23, an inverter 24, a three-phase motor 25, and a deceleration device 26. , A shaft 27, wheels 29, a power control unit 10, and a travel control unit 11.
  • the secondary battery 21 is a power storage device of the present invention, and outputs a predetermined voltage by stacking a plurality of battery units such as a chargeable and dischargeable nickel-hydrogen battery and connecting them in series.
  • the output terminal of the rechargeable battery 21 is provided with a / computer 14 capable of communicating with the power supply control unit 10 and the control signal Cb, and the charged state of the rechargeable battery 21 is maintained. In addition to maintaining appropriate values that do not lead to charging or overdischarging, it operates so as to maintain safety in the event that an abnormality occurs in the secondary battery.
  • the output of the secondary battery 21 can be actually measured by a current sensor 15 and a voltage sensor 16.
  • the DC-DC converter 20 is a voltage converter that converts power input to the primary side into a voltage value different from that of the primary side and outputs the converted voltage value.
  • the DC output voltage (for example, about 200 V) of the secondary battery 21 is boosted to a higher DC voltage (for example, about 500 V), so that the three-phase motor 25 has a small current and a high current. It is possible to drive with voltage, suppress power loss due to power supply, and increase the output of the three-phase motor 25.
  • the DC-DC converter 20 employs a three-phase operation system, and has a specific circuit configuration as a three-phase bridge-type converter.
  • the three-phase bridge-type converter includes a circuit part similar to an inverter that temporarily converts an input DC voltage into an AC, and a part that rectifies the AC again and converts the AC into a different DC voltage. Minutes are combined.
  • the converter has a three-phase structure (P1, P2) in which two parallel-connected structures of a switching element Tr and a rectifier D are stacked between primary input terminals and secondary output terminals. P2, P3) It is configured by connecting in parallel. The intermediate point of each of the two-stage stacked structures of the primary side and the secondary side is connected by a reactor L.
  • an IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • a diode can be used as the rectifier.
  • the DC-DC converter 20 is switched at a timing adjusted so that the phase difference between the phases becomes every 120 degrees (2 volts / 3). Each phase is configured to be independently operable based on a control signal C c from the power supply control unit 10.
  • the output of the DC-DC converter 20 can be actually measured by a current sensor 17 and a voltage sensor 18.
  • the input current value of the DC-DC converter 20 is 15 current sensors, the output current value is from the current sensor 17, the input voltage value is from the voltage sensor 16, and the output voltage value is 18 , And can be output to the power control unit 10 respectively.
  • the DC-DC converter 20 During light load operation or braking operation, the DC-DC converter 20 generates electric power using the three-phase motor 25 as a generator in reverse, and lowers the DC voltage from the secondary side of the converter to the primary side, so that the secondary battery The regenerative operation for charging the battery 21 is enabled.
  • the fuel cell stack 22 is configured by stacking a plurality of single cells and connecting them in series.
  • a single cell is a separator for supplying a fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas air (oxygen) to a structure in which a polymer electrolyte membrane or the like is narrowed by two electrodes, a fuel electrode and an air electrode. It has a sandwiched structure.
  • the fuel electrode has a fuel electrode catalyst layer provided on a porous support layer, and the air electrode has an air electrode catalyst layer provided on a porous support layer.
  • the fuel cell stack 22 includes a known fuel gas supply system (not shown) and an empty system. There is a system that provides air and a system that provides cooling water.By controlling the amount of fuel gas and air supplied by these systems, it is possible to generate electricity at an arbitrary amount of power. Has become.
  • the inverter 24 converts the high-voltage DC boosted by the DC-DC converter 20 into a three-phase AC whose phases are shifted by 120 degrees.
  • the current of the inverter 24 is controlled by a control signal C i from the power supply control unit 10 as in the case of the converter 20.
  • the three-phase motor 25 is the main motive power of the electric vehicle, and also generates regenerative power during deceleration.
  • the speed reducer 26 is a so-called differential, and reduces the high-speed rotation of the three-phase motor 25 to a predetermined number of revolutions and rotates the wheels 29.
  • the shaft 27 is provided with a wheel speed sensor 28 so as to output a wheel speed pulse Sr to the traveling control unit 19.
  • the traveling control unit 11 is a computer system for traveling state control, and supplies a regeneration request value of the three-phase motor 25 to a power control unit 10 based on a brake position signal Sb from a brake pedal and a wheel speed pulse Sr. Output.
  • the regenerative request value may be output based on detection signals from other steering angle sensors, auto & G sensors, master cylinder pressure sensors, and wheel cylinder pressure sensors.
  • the power control unit 10 is a computer system for power control, and includes, for example, a central processing unit (CPU) 101, a RAMI 02, a ROM 103, and the like.
  • the power control unit 10 receives the accelerator position signal S a ⁇ the shift position signal S s and signals from various other sensors, and outputs the power generation amount and the fuel cell stack 22 according to the operation state.
  • the torque in the phase motor 25 is obtained, and the power balance of the fuel cell stack 22, the three-phase motor 25, and the secondary battery 21 is calculated by the converter 20 and the inverter 24. It is programmed to perform overall control of the power supply with the added loss.
  • the operation of the hybrid fuel cell system 1 of the present embodiment will be described. First, the loss that occurs in the DC-DC converter 20 will be described.
  • the power lost in the converter fluctuates depending on the power passing through the voltage converter (the amount of input / output conversion energy, the equivalent of the amount of working work).
  • the number of phases with higher efficiency sometimes fluctuated between the efficiency in the case of multi-phase driving and the efficiency in the case of driving with fewer phases.
  • FIG. 4 the DC- DC converter; 2 as shown in D Figure 4 that a there is shown a loss characteristic view occurring in the three-phase Buritsu di type converter as 0, losses in three-phase bridge type converter, reactor Sung: Reactor copper loss lost by ⁇ , what about the operation of switching elements such as IGBTs?
  • Reactor Copper loss is due to the coil and increases as the passing power increases, and is greater in single-phase operation than in three-phase operation. Module loss also increases as the passing power increases, and is larger in single-phase operation than in three-phase operation ⁇ ) ⁇ .
  • the reactor iron loss caused by the magnetic material of reactor L hardly changes even if the power applied to the reactor increases or decreases.Thus, three-phase operation is better than single-phase operation: ⁇ Good.
  • Figure 5 shows the relationship between total converter loss and converter conversion efficiency when these losses are added.
  • the rate of change between the reactor copper loss and the ⁇ E joule loss and the reactor iron loss because the magnitude relationship between the losses in the single-phase and the three-phase is reversed.
  • the loss in the single-phase operation is lower.
  • the reversal phenomenon occurs because the loss is smaller.
  • the efficiency of single-phase operation is higher than that of three-phase operation. Therefore, in the present invention, single-phase operation with a small number of phases is used in the region where the passing power is relatively small, and when the passing power becomes large, the operation is switched to three-phase operation with a large number of phases to operate. I do.
  • the number of operating phases can be switched depending on whether the magnitude of the total loss for each phase is greater or less than the passing power P th, which is reversed.
  • passing power should be detected based on measured values. Takes time.
  • the higher the passing power the more inconvenience such as hunting caused by switching tends to increase.
  • control is performed so as to switch between a single phase and a three phase in a region of a somewhat lower passing power.
  • a first power value P1 and a second power value P2 are set as thresholds for switching the number of phases.
  • the passing power is smaller than the first power value P 1 (for example, 4 kW).
  • control is performed to switch to single-phase operation.
  • control is performed to switch to three-phase operation when the passing power exceeds a second power value (for example, 5 kW) larger than the first power value.
  • the reason for having two threshold values in this way is to prevent hunting (an unstable phenomenon such as oscillation) that may occur during switching operation. That is, as shown in FIG. 3, such an operation sequence forms a hysteresis loop.
  • the power supply control unit 10 includes a hydrogen pressure sensor (not shown) (for example, a fuel cell ⁇
  • the output current of the fuel cell stack 22 is determined by referring to the detection signal from a temperature sensor (for example, the one provided at the coolant outlet of the fuel cell stack). Specify the output voltage (IV) characteristics (S1).
  • a temperature sensor for example, the one provided at the coolant outlet of the fuel cell stack.
  • IV output voltage
  • S1 the output voltage characteristics
  • the ROM 103 stores a data table that specifies such a relationship between the temperature and the I-V characteristic for each hydrogen supply pressure, and the power supply control unit 10 refers to this table to perform detection.
  • the power supply control unit 10 refers to the accelerator position signal Sa (acceleration request value) and the shift position signal S s (forward, reverse, and gear ratio request values). Then, the required torque (load) for the three-phase motor 25 is calculated (S 3). The amount of this torque becomes the effective power of the three-phase AC power that the inverter 24 should output.
  • the power control unit 10 also determines the required output power Pr required for the entire system, taking into account the power loss generated in the inverter 24 and the converter 20 (S4).
  • the target power generation amount Pfc of the fuel cell stack 22 that compensates for the required output power Pr is obtained from the output current-output voltage characteristics (S5), and the power generation amount Pfc can be output.
  • the secondary voltage of converter 20 is controlled by control signal Cc so as to be the output terminal voltage. If the amount of power generated by the fuel cell stack 22 cannot cover all of the required output power Pr by merely changing the secondary voltage, the power control unit 10 changes the amount of fuel gas and air supplied. To change the I-V characteristic and power Control to make up for the shortfall of
  • the power supply control unit 10 performs the power balance calculation to determine the power that must be supplied from the secondary battery 21 to the inverter 24, that is, the power passing through the converter / power converter.
  • the power control unit 10 changes the threshold for switching the number of phases depending on whether or not the DC-DC converter 20 is operating in three phases (S8). In other words, if the vehicle is currently in third-run operation (S8: YES), as can be seen from Fig. 5, the efficiency is higher if the passing power is relatively high, and the efficiency decreases as the passing power becomes lower.
  • the power control unit 10 compares the first power value P1 with the passing power Pc (S10), and if the passing power Pc is larger than the first power value P1, (NO ), The three-phase operation is continued, but if the passing power Pc falls below the first power value P1 (YES), efficient single-phase operation is performed when the passing power is relatively small.
  • the control signal C c for switching is output (S 11).
  • the control section 10 compares the second power value P2 with the passing power Pc (S12), and if the passing power Pc is smaller than the second power value P2 (NO), the single-phase operation is performed as it is. If the passing power Pc exceeds the second power value P2 (YES), the control signal CG for switching to the efficient three-phase operation is output when the passing power is relatively high. (S13).
  • the power balance was estimated and the power passing through the computer was calculated.
  • the primary power of the converter 20 was measured from the current sensor 15 and the voltage sensor 16 and the current sensor 17 was measured.
  • the secondary-side power may be actually measured from the voltage sensor 18 and the power passing through the converter 20 may be calculated from the difference.
  • the number of phases with high power efficiency is selected according to the power value of the passing power Pc of the DC-DC converter 20, and the operation based on the number of phases is performed.
  • an efficient hybrid fuel cell system 1 that takes into account the operation of the converter can be provided.
  • the present invention can be variously modified and applied other than the above embodiment.
  • three-phase operation and single-phase operation are switched.
  • different combinations for example, control for switching between three-phase operation and two-phase operation or switching between two-phase operation and single-phase operation It may be.
  • the three-phase bridge type converter is illustrated, but the invention is not limited to the circuit configuration.
  • the present invention can be applied to any voltage converter that is driven by a plurality of phases (two or more phases) and that can independently switch phases, and can be operated to achieve the effects and advantages of the present invention.
  • the converter is switched between the single-phase operation and the three-phase operation. Alternatively, it may be continuously switched in any number of stages from multiple phases to a single phase. Further, in the above-described embodiment, in addition to using a narrowly defined power value that is a product of a passing current and a terminal voltage as a passing power of the converter, a current value under a constant condition, an equivalent value of an input / output conversion energy, an operation work amount, and the like. The configuration may be such that the number of phases can be converted based on a voltage value or the like.
  • the present invention relates to a system in which the passing power of a voltage converter is frequently changed, for example, a fuel cell mounted on a moving object such as a vehicle, a ship, an aircraft, a robot, and an electronic device such as a portable electronic terminal. Suitable for the system.

Abstract

　コンバータにおける効率改善を図るハイブリッド燃料電池システムを提供する。燃料電池（２２）と蓄電装置（２１）とを電圧変換器（２０）を介して接続するハイブリッド燃料電池システム（１）において、電圧変換器（２０）は複数相（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）を備えるものであって、電圧変換器（２０）を通過するパワーに応じて運転する相数を変更可能に構成されている。電圧変換器（２０）を通過するパワーに応じて相数を変更可能に構成されているので、通過パワーに応じて、より効率の高い相数を選択して電圧変換することができ、電圧変換器（２０）における効率を大幅に改善することができる。

Description

明細書
ハイブリッド燃料電池システム及びその電圧変換制御方法 技術分野
本発明は、 ハイブリッド燃料電池システムに係り、 特に高圧コンバータの効率 を高めることが可能な燃料電池システムに関する。
背景技術
電気自動車等に搭載される燃料電池システムでは燃料電池の発電応答性では追 従できないような負荷変動に対応する等のため、 バッテリの出力を昇圧しまたは 降圧して燃料電池の出力端子に接続するハイプリッドシステムを利用する場合が あ
このようなハイブリツド燃料電池システムにおいて、 その運転効率を考慮した 技術として、 例えば、 特開 2 0 0 2—1 1 8 9 7 9号公報には、 燃料電池とパッ テリとの最大出力比を、 燃料電池が全体出力の 6 5〜 8 0 <½になる範囲で設定し、 D C— D Cコン/くータでの損失を抑制することが開示されている。 発明の開示
しかしながら、 上記技術ではコンバータそのものについての利用方法によって 効率改善をする点が考慮されていなかった。 そのため必ずしも効率が良い条件で コンバータが利用されているとは限らず、 全体的には最善の効率が追求されては いなかった。
そこで本発明は、 コンバータにおける効率改善を図ったハイプリッド燃料電池 システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、 本発明は、 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を 介して接続するハイブリツド燃料電池システムにおいて、 電圧変換器は複数ネ目を 備えるものであって、 電圧変換器を通過するパワーの相当値に応じて、 使用させ る該相の数を変更する制御部を備える。
また本発明は、 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイプリ ッド燃料電池システムにおいて、 電圧変換器は複数相を備えるものであって、 電 圧変換器の入出力変換エネルギー量または作動仕事量の相当値に応じて運転する 相数を変更可能に構成されていること、 を特徴とする。
さらに本発明は、 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイブ リツド燃料電池システムの電圧変換制御方法において、 電圧変換器が複数相を備 えている場合に、 電圧変換器を通過するパワーの相当値を検出し、 検出された該 相当値に対応させて、 使用させる該相の数を変更する。
複数相を備えた電圧変換器は当該変換器の入出力変換エネルギー量または作動 仕事量の相当値に応じて変換効率が変化する。 一般に、 複数相を備える電圧変換 器では、 電圧変換器を通過するパワーの相当値、 例えば、 入出力変換エネルギー 量または作動仕事量によって変換器中で失われるエネルギー、 すなわち損失力《変 動する。 ここで、 複数相駆動の場合の効率とそれより少ない相で駆動した場合の 効率とでは、 効率の良い相数が変動する場合がある。 これは、 リアク卜ル成分に よって失われるリアクトル銅損、 I G B T等のスイッチング素子の動作に纏わり 発生する素子損失、 リアクトル成分により失われるリアクトル鉄損等が総合的に 作用して効率が定まることに起因している。 上記構成によれば、 電圧変換器を通 過するパワーの相当値、 例えば入出力変換エネルギー量または作動仕事量のネ目当 値に応じて相数を変更可能に構成されているので、 これら相当値に応じて、 より 効率の高い相数を選択して電圧変換することができ、 電圧変換器における効率を 大幅に改善することができる。 ここで本発明において 「蓄電装置」 には限定はなく、 例えば、 ニッケル一水素 電池や鉛蓄電池を単数または複数積層したものである。
また 「電圧変換器」 は複数相から構成される直流電圧変換機能を有するコンパ ータ （D C— D Cコンバータ） である。
さらに 「電圧変換器の入出力変換エネルギー量または作動仕事量の相当値」 と は、 電圧変換器において電圧変換にかかるエネルギー量や仕事量に対応するもの で、 具体的には電力値、 電流値、 その他のパラメータが相当する。 電圧変換器の 変換効率が好適な相数を選択するための指標になるものならば特に限定はない。 例えば電圧変換器は三相プリッジ形コンバータであり、 当該電圧変換器の入出 力変換エネルギー量または作動仕事量の相当値に応じて運転する相数を変更する よう制御される。 三相プリッジ形の回路構成を備えたコンバータが該当する。 すなわち、 上記構成において、 相当値が所定値より少ない場合には、 当該相当 値が当該所定値より以上の場合に運転する相数より少ない相数で運転することは 好ましい。 具体的には、 入出力変換エネルギー量や作動仕事量をゼロから上昇さ せていくと、 リアクトル銅損や素子損失が上昇していく一方、 リアクトル鉄損は 入出力変換エネルギー量や作動仕事量の大小に関わらずほぼ一定であり、 複数相 より単相の方がリアクトル鉄損は多い。 これらの損失を合計で判断した場合、 全 体としての効率は、 ある値より高い入出力エネルギー量や作動仕事量の相当値で は、 複数相駆動の方が単相駆動より高いが、 この値より低い相当値の区間では単 相駆動の方が、 効率が高くなるという逆転現象を生じる。 当該構成によれば、 入 出力変換エネルギー量や作動仕事量の相当値が相対的に高い領域では複数相で駆 動されるが、 全体の損失の逆転が生じる領域においては、 複数相より少ない相数 で駆動されるため、 常に最善の効率で運転されるようになつている。
ここで 「所定値 J は電圧変換器全体の効率が逆転する値に対応させて設定する 力 必ずしもこの値である必要はなく、 動作の安定性その他の事情を鑑みて適宜 設定変更が可能である。
また本発明において、 電圧変換器は、 複数の相数で運転する複数相運転と単相 で運転する単相運転とを切り換えるものであって、 複数相運転時には、 相当値が 第 1の値より小さくなつた場合に単相運転に切り換え、 単相運転時には、 相当値 が第 1の値よリ大きい第 2の値を超えた場合に複数相運転に切リ換えるように構 成することは好ましい。
上記構成によれば、 運転する相数を切り換える動作シーケンスはヒステリシス ループを形成するようになるため、 相数の切り換え後に元の相数に戻ったりする 不安定なハンチング状態を除去することが可能である。
ここで 「第 1の値」 及び 「第 2の値」 は複数相運転とそれより単相運転とで電 圧変換器全体の効率が逆転する値に対応させて設定するが、 必ずしもこの値であ る必要はなく、 動作の安定性その他の事情を鑑みて適宜設定変更が可能である。 図面の簡単な説明
図 1 本実施形態に係るハイプリッド燃料電池システムのブロック図
図 2 本実施形態に係るハイプリッド燃料電池システムの制御方法を説明するフ 口一チヤ一卜
図 3 本ハイプリッド燃料電池システムの動作ヒステリシスを示す図
図 4 三相プリッジ形コンバータにおける各種損失特性図
図 5 三相プリッジ形コンバ一タにおける全効率の説明図 発明を実施するための最良の形態
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、 図面を参照しながら説明する。 本発明の実施形態は、 電気自動車に搭載する燃料電池システムに本発明を適用 したものである。
図 1に本ハイプリッド燃料電池システム 1のシステム全体図を示す。 当該ハイ ブリッド燃料電池システム 1は、 D C— D Cコンパータ 2 0、 二次電池 2 1、 燃 料電池 2 2、 逆流防止用ダイオード 2 3、 インバータ 2 4、 三相モータ 2 5、 減 速装置 2 6、 シャフト 2 7、 車輪 2 9、 電源制御部 1 0、 走行制御部 1 1を備え ている。
二次電池 2 1は本発明の蓄電装置であり、 充放電自在なニッケル一水素電池等 のバッテリーュニットを複数積層し直列接続することによって所定の電圧を出力 するようになつている。 二次電池 2 1の出力端子には電源制御部 1 0と制御信号 C bによつて通信可能な/くッテリコンピュータ 1 4が設けられておリ、 二次電池 2 1の充電状態を過充電や過放電に至らない適正な値に維持するとともに、 万が —二次電池に異常が生じた場合に安全を保つように動作するようになっている。 当該二次電池 2 1の出力は電流センサ 1 5及び電圧センサ 1 6により実測可能に なっている。
D C— D Cコンバータ 2 0は、 一次側に入力された電力を、 一次側と異なる電 圧値に変換して出力する電圧変換器である。 当該実施形態では、 二次電池 2 1の 直流出力電圧 （例えば約 2 0 0 V ) をさらに高い直流電圧 （例えば約 5 0 0 V ) に昇圧することによって三相モータ 2 5を小電流■高電圧で駆動することを可能 とし、 電力供給による電力損失を抑制し、 三相モータ 2 5の高出力化を可能とし ている。 当該 D C— D Cコンバータ 2 0は三相運転方式を取っており、 具体的な 回路方式としては三相プリッジ形コンバータとしての回路構成を備えている。 当 該三相プリッジ形コンバータは、 入力された直流電圧を一旦交流に変換するイン バータ類似の回路部分とその交流を再び整流して、 異なる直流電圧に変換する部 分とが組み合わされている。 図 1に示すように、 当該コンバータは一次入力端子 間及び二次側出力端子間のそれぞれに、 スイッチング素子 T r及び整流器 Dの並 列接続構造を二段重ねしたものを三相 （P 1、 P2、 P3) 並列接続して構成さ れている。 そして一次側と二次側とのそれぞれの二段重ね構造の中間点同士をリ ァクトル Lで連結した構造をしている。 スイッチング素子 T rとしては、 例えば I GBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) を利用可能であり、 整流器 と してはダイォードを利用可能である。 当該 DC— DCコンバータ 20は相間の位 相差が 1 20度 （2兀 /3) ごとになるように調整されたタイミングでスィッチ ングされるようになつている。 各々の相は、 電源制御部 1 0からの制御信号 C c に基づいて独立して運転可能に構成されている。 当該 DC— DCコンバータ 20 の出力は電流センサ 1 7及び電圧センサ 1 8により実測可能になっている。 また DC— DCコンバータ 20の入力電流値は電流センサ 1 5力、ら、 出力電流値は電 流センサ 1 7から、 また、 入力電圧値は電圧センサ 1 6から、 出力電圧値は電圧 センサ 1 8から、 それぞれ電源制御部 1 0に出力可能になっている。
なお、 この DC— DCコンバータ 20は軽負荷運転時やブレーキ動作時には、 三相モータ 25を逆にジェネレータとして発電を行い、 コンバータの二次側から 一次側へ直流電圧を降圧して、 二次電池 21に充電を行う回生動作が可能なよう になっている。
燃料電池スタック 22は、 複数の単セルをスタックし、 直列接続して構成され ている。 単セルは、 高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の二つの電極で狭み込 んだ構造物を燃料ガス （水素） と酸化ガスである空気 （酸素） とを供給するため のセパレータで挟み込んだ構造をしている。 燃料極は燃料極用触媒層を多孔質支 持層上に設けてあり、 空気極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。 燃料電池スタック 22には、 図示しない、 公知の燃料ガスを供給する系統と空 気を提供する系統と、 冷却水を提供する系統とが設けられており、 これらの系統 によつて燃料ガスの供給量や空気の供給量を制御することにより、 任意の発電量 で発電可能になっている。
インバータ 2 4は、 D C— D Cコンバータ 2 0によって昇圧された高圧直流を 互いの位相が 1 2 0度ずれた三相交流に変換するようになっている。 当該インパ ータ 2 4は、 コンパータ 2 0と同様に電源制御部 1 0からの制御信号 C i によつ て電流制御がされるようになつている。
三相モータ 2 5は、 本電気自動車の主動力となるものであり、 減速時には回生 電力を発生するようにもなつている。 減速装置 2 6はいわゆるディファレンシャ ルであり、 三相モータ 2 5の高速回転を所定の回転数に減速し、 車輪 2 9を回転 させる。 シャフト 2 7には車輪速センサ 2 8が設けてあり、 車輪速パルス S rを 走行制御部 1 9に出力するようになっている。
走行制御部 1 1は、 走行状態制御用のコンピュータシステムであり、 ブレーキ ペダルからのブレーキ位置信号 S bと車輪速パルス S rに基づいて三相モータ 2 5の回生要求値を電源制御部 1 0に出力するようになっている。 この回生要求値 はその他ステアリング舵角センサ、 ョ一レート & Gセンサ、 マスタシリンダ圧力 センサ、 ホイールシリンダ圧力センサからの検出信号にも基づいて出力されても よい。
電源制御部 1 0は、 電源制御用のコンピュータシステムであり、 例えば中央処 理装置 （C P U ) 1 0 1、 R A M I 0 2、 R O M 1 0 3等を備えている。 当該電 源制御部 1 0は、 アクセル位置信号 S aゃシフト位置信号 S s、 その他の各種セ ンサからの信号を入力して、 運転状態に応じた燃料電池スタック 2 2の発電量及 び三相モータ 2 5におけるトルクを求めて、 燃料電池スタック 2 2、 三相モータ 2 5、 及び二次電池 2 1の電力収支にコンバータ 2 0やインバータ 2 4における 損失を加算した電源の全体制御を行うようにプログラムされている。 次に本実施形態のハイプリッド燃料電池システム 1の動作を説明する。 まず、 D C— D Cコンバータ 2 0において発生する損失について説明する。
一般に、 複数相を備える電圧変換器では、 電圧変換器 通過するパワー （入出 力変換エネルギー量、 作動仕事量の相当値） によって変換器中で失われる電力、 すなわち損失が変動する。 ここで、 複数相駆動の場合の効率とそれより少ない相 で駆動した場合の効率とでは、 効率のより良い相数が変動する場合があることが 分かった。 例えば、 図 4は、 当該 D C— D Cコンバータ； 2 0のような三相ブリツ ジ形コンバータにおいて生じる損失特性図を示してある D 図 4に示すように、 三 相ブリッジ形コンバータにおける損失は、 リアクトル成:^によって失われるリア クトル銅損、 I G B T等のスイッチング素子の動作に纏？ リ発生するモジュール 損失、 リアクトル成分により失われるリアクトル鉄損等 7¾《存在する。 リアクトル 銅損はコイルに起因するもので、 通過するパワーが増大するに連れて増加し、 三 相運転時よりも単相運転時の方が大きい。 モジュール損 も、 通過パワーが増大 するに連れて増大し、 三相運転時よりも単相運転時の方^)《大きい。 これに対し、 リアクトル Lの磁性体に起因するリアク卜ル鉄損は、 通 3 ^するパワーが増減して も殆ど変化が無く、 三相運転時の方が単相運転時よリも:^きい。
図 5にこれらの損失を加算した場合のコンバータ全損 とコンバータ変換効率 との関係を示す。 上述したように、 リアクトル銅損及び^ Eジュール損失とリアク トル鉄損とでは、 単相と三相とで損失の大小関係が逆転しておリ、 変化率の相違 がある。 このため、 比較的通過パワーの大きな領域ではヰ目数の大きな三相運転の 方が単相運転より損失が小さくなつているが、 所定の通 ©パワー P t h以下の領 域では単相運転の方が三相運転よリ損失が小さくなつておリ、 逆転現象が生じて いる。 これをコンバータ全体の変換効率で見ると、 相対 勺に小さい通過パワーの 場合には三相運転の効率より単相運転の効率の方が高くなつている。 そこで本発 明では比較的通過パワーの小さい領域においては相数の少ない単相運転とし、 通 過パワーが大きくなつた場合には、 相数の大きな三相運転に切り換えて運転する ことを特徴とする。
ここで、 相ごとの全損失の大小関係が逆転している通過パワー P t hより大き いか小さいかで運転する相数を切り換えることができるが、 このような通過パヮ 一を実測値により検出することには手間がかかる。 また、 通過パワーが高いほど 切り換えに生ずるハンチング等の不都合が大きくなる傾向にある。 このようなこ とから、 本実施形態では、 ある程度小さな通過パワーの領域で単相と三相とを切 リ換えるように制御する。 例えば、 図 5に示すように、 第 1電力値 P 1と第 2電 力値 P 2を相数切換のしきい値とする。
すなわち、 図 3に示すように、 本実施形態では、 D C— D Cコンバータ 2 0を 三相で運転している場合には、 通過パワーが第 1電力値 P 1 (例えば 4 k W) よ リ小さくなつた場合に単相運転に切り換えるように制御する。 また、 単相運転時 には、 通過パワーが第 1電力値より大きい第 2電力値 （例えば 5 k W) を超えた 場合に三相運転に切リ換えるように制御する。 このように二つのしきい値を持た せるのは、 切り換え動作時に生じうるハンチング （発振のような不安定な現象） を防止するためである。 すなわち、 図 3に示すように、 このような動作シーゲン スは、 ヒステリシスループを形成するようになる。 このため一旦運転する相数が 変更されると安定状態に入リ、 相数の切リ換え後に元の相数に戻ったリまた切リ 換わったりする不安定なハンチング状態を除去することが可能となるからである。 次に、 図 2のフローチャートを参照して、 本ハイプリッド燃料電池システム 1 の電源制御動作を説明する。
まず、 電源制御部 1 0は、 図示しない水素圧センサ （例えば、 燃料電池スタツ クのアノード側ガス通路に設けたもの） ■温度センサ （例えば、 燃料電池スタツ クの冷却液出口に設けられたもの） からの検出信号を参照して、 燃料電池スタツ ク 2 2の出力電流一出力電圧 （ I—V ) 特性を特定する （S 1 ) 。 燃料ガスであ る水素の供給圧が一定である場合、 燃料電池の出力電流と出力電圧との関係は一 義的に定まる。 またこの関係は燃料電池の温度にも影響を受ける。 R O M 1 0 3 等には水素の供給圧ごとに、 このような温度と I—V特性との関係を特定するデ ータテーブルが格納されており、 電源制御部 1 0はこのテーブルを参照して検出 された温度に対応する出力電流一出力電圧特性を決定することができる。 検出さ れた温度に対応するデータテーブルが存在しない場合にはその前後の温度につい てのデータテーブルを参照して、 それぞれのデータテーブル上の特性値を検出さ れた温度で加重平均して近似した出力電流一出力電圧特性を計算する。
次に当該ハイプリッド燃料電池システム 1における負荷量を求めるため、 電源 制御部 1 0はアクセル位置信号 S a (加速要求値） 及びシフト位置信号 S s (前 進、 後進、 変速比要求値） を参照し （S 2 ) 、 三相モータ 2 5に必要なトルク (負荷） を計算する （S 3 ) 。 このトルクの量はインバータ 2 4が出力すべき三 相交流電力の実効電力となる。 また、 インバータ 2 4やコンバータ 2 0で生ずる 電力損失も加味して、 電源制御部 1 0はシステム全体に要求される要求出力パヮ 一 P rを決定する （S 4 ) 。
負荷量が小さい場合、 要求出力パワー P rを補うような燃料電池スタック 2 2 の目標発電量 P f cが出力電流一出力電圧特性から求められ （S 5 ) 、 その発電 量 P f cを出力可能な出力端子電圧となるよう、 コンバータ 2 0の二次側電圧が 制御信号 C cによって制御される。 二次側電圧の変更のみでは、 燃料電池スタツ ク 2 2による発電量では要求出力パワー P rの総てを賄いきれない場合には、 電 源制御部 1 0は燃料ガスや空気供給量を変化させて I一 V特性を変更してパワー の不足分を補うように制御する。
ところが、 始動時や加速時等、 急激に負荷量が上がる場合、 燃料電池の 答性 や出力制限が原因で、 燃料ガスや空気供給量の増加によっては急激に変化した負 荷量を一時補い切れない場合がある。 このような場合には、 二次電池 2 1 、ら電 力がコンバータ 20経由で二次側に供給されるようになる。 このような場合に本 発明の制御が必要となる。
電源制御部 1 0は、 電力収支計算を実施することによって、 二次電池 2 1 から インバータ 24に供給しなければならない電力、 すなわちコンバータ通過/ ヮー
P cを計算する （S 6) 。 負荷量が小さい場合にはこの電力収支計算の結栗は電 力収支が均衡している、 すなわちコンバータ通過パワー P cがほぼゼロで るこ とになる。
一方、 電力収支計算の結果、 一部の電力を二次電池 21から補わなけれ Iまなら ない場合、 コンバータ通過パワー P cは電力収支の差分に相当する値になる。 電源制御部 1 0は、 DC— DCコンバータ 20が三相運転中であるか否かによ つて、 相数を切り換えるしきい値を変化させる （S 8) 。 すなわち現在三 目運転 中である場合 （S 8 ： YES) 、 図 5から判るように、 比較的高い通過パワーで あれば効率が良く、 低い通過パワーになるほど効率が落ちる。 このため、 電源制 御部 1 0は、 第 1電力値 P 1と通過パワー P cとを比較し （S 1 0) 、 第 1電力 値 P 1より通過パワー P cが大きい場合には （NO) 、 そのまま三相運転を続け るが、 第 1電力値 P 1以下に通過パワー P cがなつた場合には （Y ES) 、 相対 的に小さい通過パワーの場合に効率がよい単相運転に切り換える制御信号 C cを 出力する （S 1 1 ) 。
一方、 現在すでに単相運転である場合 （S 8 ： NO) 、 比較的低い通過パワー であれば効率が良いが高い通過パワーになると効率が落ちる。 このため、 電源制 御部 1 0は、 第 2電力値 P 2と通過パワー P cとを比較し （S 1 2 ) 、 第 2電力 値 P 2より通過パワー P cが小さい場合には （N O ) そのまま単相運転を続ける 力 第 2電力値 P 2以上に通過パワー P cがなつた場合には （Y E S ) 、 相対的 に高い通過パワーの場合に効率が良い三相運転に切り換えるための制御信号 C G を出力する （S 1 3 ) 。
なお、 上記動作において、 電力収支を推定してコン/ ータ通過パワーを算出し ていたが、 電流センサ 1 5及び電圧センサ 1 6からコンバータ 2 0の一次側電力 を実測し、 電流センサ 1 7及び電圧センサ 1 8から二次側電力を実測して、 その 差からコンバータ 2 0の通過パワーを算出するようにしてもよい。
以上、 本実施形態の処理によれば、 D C— D Cコン / ータ 2 0の通過パワー P cの電力値に応じてその電力値で効率が良い相数が選択され、 その相数による運 転が実行されるので、 コンバータの動作まで考慮した効率のよいハイブリツド燃 料電池システム 1を提供することができる。
(その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。 例えば、 上記実施形態では三相運転と単相運転とを切り換えたが、 異なる組合 せ、 例えば三相運転と二相運転とを切り換えたり、 二相運転と単相運転とを切り 換えたりする制御であってもよい。
また上記実施形態では、 三相ブリッジ形コンバータを例示したが、 当該回路構 成に限定されるわけではない。 複数相 （二相以上） によって駆動され、 独立して 相を切リ換え可能な電圧変換器であれば本発明を適用可能であり、 本発明の作用 効果を奏するように運転可能である。
また上記実施形態では、 コンバータを単相運転と三相運転との間で切リ替えて いたが、 通過パワーに対応させて、 単相から複数相まで何段階にも連続的に切り 替えたり、 複数相から単相まで何段階も連続的に切り替えたりしてもよい。 また上記実施形態では、 コンバータの通過パワーとして、 通過電流と端子電圧 との積である狭義の電力値を用いる他、 入出力変換エネレギ一量や作動仕事量の 相当値や一定条件における電流値や電圧値等に基づいて相数を変換可能に構成さ れていてもよい。
(産業上の利用可能性）
以上本発明によれば、 電圧変換器を通過するパワーの t目当値に応じて運転する 相数を変更可能に構成されているので、 電圧変換器の効寒の良い相数を適宜選択 することによって全体的な効率改善を図ることが可能である。 このため、 本発明 は、 電圧変換器の通過パワーが頻繁に変更されるようなシステム、 例えば車両、 船舶、 航空機等の移動体、 ロポット、 携帯電子端末等の電子機器に搭載される燃 料電池システムに適する。

Claims

請求の範囲
1 . 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイプリッド燃料電 池システムにおいて、
該電圧変換器は複数相を複数備えるものであって、
該電圧変換器を通過するパワーの相当値に応じて、 該電圧変換器で使用させる 該相の数を変更する制御部を備える、 ハイブリツド燃料電池システム。
2 . 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイプリッド燃料電池 システムにおいて、
前記電圧変換器は複数相を備えるものであって、
前記電圧変換器の入出力変換エネルギー量または作動仕事量の相当値に応じて 運転する相数を変更可能に構成されていること、 を特徴とするハイブリツド燃料 電池システム。
3. 前記相当値が所定値よリ少ない場合には、 当該相当値が当該所定値よリ以 上の場合に運転する相数より少ない相数で運転される、 請求項 1または 2に記載 のハイプリッド燃料電池システム。
4 . 前記電圧変換器は、 複数の相数で運転する複数相運転と単相で運転する単 相運転とを切り換えるものであって、
前記複数相運転時には、 前記相当値が第 1の値よリ小さくなった場合に前記単 相運転に切り換え、
前記単相運転時には、 前記相当値が前言 B第 1の値より大きい第 2の値を超えた 場合に前記複数相運転に切り換える、 請求項 1または 2に記載のハイプリッド燃 料電池システム。
5 . 前記電圧変換器は三相ブリッジ形コンバータであり、 前記相当値に応じて 運転する相数を変更するよう制御される、 請求項 1乃至 3のいずれか一項に記載 のハイプリッド燃料電池システム。
6 . 燃料電池と蓄電装置とを電圧変換器を介して接続するハイプリッド燃料電 池システムの電圧変換制御方法において、
該電圧変換器が複数相を備えている場合に、
該電圧変換器を通過するパワーの相当値を検出し、
検出された該相当値に対応させて、 使用する該相の数が変更される、 ハイプリ ッド燃料電池システムの電圧変換制御方法。
7 . 前記相当値が所定値よリ少ない場合には、 当該相当値が当該所定値よリ以 上の場合に運転する相数よリ少ない相数が使用される、 請求項 6に記載のハイブ リッド燃料電池システムの電圧変換制御方法。
8 . 前記電圧変換器が、 複数の相数で運転する複数相運転と単相で運転する単 相運転とを切り換え可能な場合に、
前記複数相運転時には、 前記相当値が第 1の値より小さくなつた場合に前記単 相運転に切り換え、
前記単相運転時には、 前記相当値が前記第 1の値よリ大きい第 2の値を超えた 場合に前記複数相運転に切リ換えられる、 請求項 6または 7に記載のハイプリッ ド燃料電池システムの電圧変換制御方法。
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