(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のためのＤＣ／ＤＣコンバータであって、
前記燃料電池からＤＣ供給電力を受け取るための入力ノードと、
ＤＣ出力電圧を提供するための出力ノードと、
第１の端子及び第２の端子を備え、前記第１の端子が前記燃料電池から前記ＤＣ供給電力を受け取るための前記入力ノードに結合されているインダクタであって、インダクタ電流に関して変化するインダクタンスを有するインダクタと、
前記インダクタの前記第２の端子とアースとの間に結合されたスイッチと、
前記スイッチを開位置と閉位置とに切換えるための制御回路と、
を具備し、
前記スイッチが前記開位置及び前記閉位置に切換えられたときにリップル電流が生成され、
前記インダクタを流れる前記インダクタ電流の増加と共に前記インダクタのインダクタンスが減少する
ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記インダクタの前記インダクタンスが、前記インダクタを通るインダクタ電流に関して、一定ではない率で変化する、請求項１に記載のコンバータ。
【請求項３】
前記インダクタが、最小インダクタ電流において最大のインダクタンスを有する、請求項１に記載のコンバータ。
【請求項４】
前記スイッチが閉位置に置かれたとき、前記インダクタの前記インダクタンスが増加してリップル電流量を減少させる、請求項１に記載のコンバータ。
【請求項５】
前記出力ノードとアースとの間に結合された第１のコンデンサを備える、請求項１に記載のコンバータ。
【請求項６】
前記第１のコンデンサから前記インダクタの前記第２の端子へ電流が流れるのを防ぐため、前記第２の端子と前記出力ノードとの間に結合された第１のダイオードを備える、請求項５に記載のコンバータ。
【請求項７】
前記入力ノードとアースとの間に結合された第２のコンデンサを備える、請求項５に記載のコンバータ。
【請求項８】
前記スイッチがトランジスタである、請求項１に記載のコンバータ。
【請求項９】
前記制御回路がマイクロコントローラである、請求項１に記載のコンバータ。
【請求項１０】
昇圧回路を有する、燃料電池のためのＤＣ／ＤＣコンバータであって、
第１の端子及び第２の端子を備え、前記燃料電池からＤＣ供給電力を受け取るインダクタであって、インダクタ電流に関して変化するインダクタンスを有するインダクタと、
前記インダクタの前記第２の端子とアースとの間に結合されたスイッチと、
前記スイッチを開位置と閉位置とに切換えるための制御回路と、
を具備し、
前記スイッチが前記開位置及び前記閉位置に繰り返し切換えられたときにリップル電流が生成され、
前記インダクタを流れる前記インダクタ電流の増加と共に前記インダクタのインダクタンスが減少する
ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１１】
前記インダクタの前記インダクタンスが、前記インダクタを通る前記インダクタ電流に関して、一定でない率で変化する、請求項１０に記載のコンバータ。
【請求項１２】
前記インダクタが、最小インダクタ電流において最大のインダクタンスを有する、請求項１０記載のコンバータ。
【請求項１３】
前記スイッチが閉位置に置かれたとき、前記インダクタの前記インダクタンスが増加してリップル電流量を減少させる、請求項１０に記載のコンバータ。
【請求項１４】
前記スイッチがトランジスタである、請求項１０に記載のコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＤＣ／ＤＣコンバータに関するもので、特に、燃料電池のためのＤＣ／ＤＣコンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は多くの応用において電源として使用されている。燃料電池は、電気自動車用動力装置において、内熱機関に代わるものとして使用するために提案されている。典型的には、燃料電池は単一の供給電力を提供するよう積み重ねられ又は配列される。しかし、ほとんどの電気動力自動車は、最大燃料電池スタックによって提供される供給電圧より大きな動作電圧を必要とする。結果として、積み重ねられた燃料電池からの電圧を必要とされる動作電圧レベルまで増加つまりブーストするために、ＤＣ／ＤＣブースト・コンバータが必要とされる。
【０００３】
そのような燃料電池の応用において使用される既知のＤＣ／ＤＣコンバータは、典型的には、インダクタ及びスイッチング手段を含んでいる。今までは、インダクタは、該インダクタを通る電流が低負荷状態から高負荷状態に変化するときにも、インダクタンスが比較的一定であるように設計されてきた。この型のインダクタは、一般的には線形インダクタと言われる。図１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ中で使用される典型的な既知の線形インダクタのインダクタンスと電流との実質的に線形な関係を示すグラフである。
【０００４】
線形インダクタは、燃料電池スタックから供給電力を受け取るための第１の端子と、スイッチング手段によってアースに接続される第２の端子とを備える。スイッチング手段は開位置と閉位置とを持つ。閉位置においては、スイッチング手段はインダクタの第２の端子とアースとの間に電気経路を形成する。開位置では、スイッチング手段はインダクタの第２の端子とアースとの間の電気経路を開く、換言すると、開回路を形成する。スイッチング手段は、インダクタの周りに交互にインダクタンス磁場を発生又は崩壊させ且つ出力コンデンサを充電するために、切換え周波数で開位置と閉位置の間で切換えられる、即ちトグルされる。このようにして、コンバータは増加された出力電圧を提供する。
【０００５】
線形インダクタを含む既知のＤＣ／ＤＣコンバータにおいては、開位置と閉位置の間でスイッチング手段を繰り返して切換え又はトグルすると、ＡＣリップル電流が発生する。リップル電流は、スイッチング手段が閉じられたときの燃料電池スタックにおける、公称引き出し電流に対する引き出し電流の増加である。ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて典型的に使用される線形インダクタは、低負荷状態及び高負荷状態の期間には一定のＡＣリップル電流を発生する。リップル電流は、燃料セルから引き出される有効電流すなわちＲＭＳ電流を増加させ、それによって燃料電池スタックの抵抗損を増加させ且つ燃料電池の効率を低下させることにより、燃料電池スタックに悪影響を与える。典型的には、燃料電池によって発生される電圧量は、該燃料電池の効率の尺度として使用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
リップル電流の影響を減少又は制限する一つの方法はスイッチング手段の切換え周波数を増加させることである。しかし、切換え周波数を高くすると、コンバータ内の半導体（即ちトランジスタ及びダイオード）の切換え損失を増加させる結果となる。従って、先行技術の欠点を克服するＤＣ／ＤＣコンバータを提供することが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池のためのＤＣ／ＤＣコンバータである。該コンバータは燃料電池からＤＣ供給電力を受け取るための入力ノードを含む。出力ノードはＤＣ出力電圧を提供する。インダクタは、インダクタ電流に関して変化するインダクタンスを有する。インダクタは第１の端子及び第２の端子を含む。第１の端子は燃料電池からＤＣ供給電力を受け取るための入力ノードに結合される。スイッチがインダクタの第２の端子とアースとの間に結合される。制御回路は開位置と閉位置とにスイッチを切換える。
【０００８】
本発明のコンバータは、（１）燃料電池の効率を改善するためにリップル電流を最小化し、（２）コンバータの効率を改善するためにスイッチの切換え周波数を最小化し、又は、（３）既知のＤＣ／ＤＣコンバータと比較して、コンバータのリップル電流及び切換え周波数を低くするようになされる。
【０００９】
本発明の様々な特徴、利点及び他の効果は、以下の説明及び図面を参照することにより一層明らかになるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明に係る燃料電池１２のためのＤＣ／ＤＣコンバータ１０の電気的な概略図である。燃料電池という用語は、典型的には、前後関係により単一の電池又は複数の電池（スタック）を指すよう使用される。低負荷状態つまり部分的負荷状態においては、本発明のコンバータ１０はリップル電流を最小化し、切換え周波数を最小化する、即ち、既知のＤＣ／ＤＣコンバータと比較してリップル電流及び切換え周波数を低くする。
【００１１】
コンバータ１０は入力ノード１４、出力ノード１６、インダクタ１７、スイッチ２０、制御回路２２、ダイオード２４及び第１のコンデンサ２６を含む。入力ノード１４は燃料電池１２からＤＣ供給電力を受け取る。出力ノード１６は、図２においてＶｏｕｔで表されるＤＣ出力電力を提供する。ＤＣ出力電力は、車両に必要とされる動作電圧に適合するように発生されることが好ましい。
【００１２】
インダクタ１７は、第１の端子３０及び第２の端子３２を有する巻線又はコイル１８を含む。巻線１８の第１の端子３０は、燃料電池１２からＤＣ供給電力を受け取るための入力ノード１４と結合されている。スイッチ２０は巻線１８の第２の端子３２とアースとの間に結合されている。制御回路２２は開位置と閉位置とにスイッチ２０を切換える。
【００１３】
第１のコンデンサつまり出力コンデンサ２６は、出力ノード１６とアースとの間に結合される。ダイオード２４は、電流が第１のコンデンサ２６から巻線１８の第２の端子又はスイッチ２０へ流れることを防止するように、巻線１８の第２の端子３２と出力ノード１６との間に結合される。オプションとして、コンバータ１０は巻線１８の第１の端子３０への電流を緩衝又は平滑するために、入力ノード１４とアースとの間に結合された第２のコンデンサつまり入力コンデンサ２８を備えてもよい。
【００１４】
コンバータ１０は連続的なサイクルで動作し、所望の一定のＤＣ出力電力を出力ノード１６に提供する。コンバータ１０の動作サイクルは、スイッチ２０の位置に関係して最も良く記述される。動作サイクルの第１の部分の期間には、スイッチ２０は制御回路２２によって開かれ、燃料電池１２からの電流はブースト用のインダクタ１７及びダイオード２４を通って出力ノード１６へ流れる。この動作サイクル部分の期間に、出力コンデンサ２６は電圧で充電され、インダクタ１７を通る電流によって巻線１８の周りに発生されるインダクタンス磁場は減少又は崩壊する。巻線１８の周りのインダクタンス磁場の減少又は崩壊は、出力ノード１６における電圧を所望のＤＣ出力電圧まで増加させる。
【００１５】
動作サイクルの第２の部分の期間に、スイッチ２０は制御回路２２によって閉じられ、燃料電池１２からの電流はインダクタ１７及びスイッチ２０を通ってアースへ流れる。この期間に、巻線１８の周りのインダクタンス磁場は強まり又は増大し、出力コンデンサ２６に蓄積された電圧は部分的に放電される。出力コンデンサ２６からの部分的な電圧の放電は、出力ノード１６における電圧を所望のＤＣ出力電圧へ緩衝又は維持する。その結果、出力ノード１６のＤＣ出力電圧は、全動作サイクルを通して比較的一定に維持される。動作時、コンバータ１０は連続的にこの動作サイクルを繰り返す。
【００１６】
スイッチ２０が開位置と閉位置との間で繰り返して切換え又はトグルされると、ＡＣリップル電流成分が、燃料電池１２によって供給されたＤＣ電流に付加される。前述したように、リップル電流は燃料電池１２に悪影響を与える。
【００１７】
好適な実施の形態においては、スイッチ２０はトランジスタである。制御回路２２は、コンバータ１０を通って出力ノード１６に与えられるＤＣ供給電力をパルス幅変調（ＰＷＭ）するよう上記トランジスタをオンとオフとに切換えるためのマイクロコントローラである。コンバータ１０の電圧差、換言すると、ＤＣ供給電圧とＤＣ出力電圧との間の電圧差は、ＰＷＭ率すなわちデューティ・サイクルの関数である。例えば、５０％のＰＷＭ率（すなわち、トランジスタのオン時間がトランジスタのオフ時間に等しい場合）は、ＤＣ供給電圧の二倍に等しいＤＣ出力電圧を発生させる。このように、ＤＣ出力電圧は、ＰＷＭ率を変化させることによって、任意の所望の電圧レベルに最も適合するように発生され得る。当該技術における当業者は理解するように、ＰＷＭ率並びにインダクタ１７及び出力コンデンサ２６の値／大きさは、前述の機能を実行し、前述の結果を達成するよう選択される。
【００１８】
燃料電池の応用において使用される既知のＤＣ／ＤＣコンバータとは異なり、本発明のコンバータ１０は、インダクタ１７を通る電流に関して非線形に、すなわち、一定でない率で変化するインダクタンスを持つインダクタ１７を含む。そのような訳で、インダクタ１７は、適切なことに、非線形インダクタと呼ばれる。図３は、本発明に係る非線形インダクタを通る電流とインダクタンスとの例示的な非線形な関係を示すグラフである。インダクタ１７は、最小インダクタ電流の範囲において最大のインダクタンスを持ち、そのインダクタンスはインダクタ電流、換言すると、インダクタを通る電流が増加するにつれて減少することが好ましい。このように、インダクタンス値は低負荷状態すなわち部分的負荷状態において最大である。
【００１９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ内で、リップル電流はスイッチング手段が開位置と閉位置とに繰り返して切換えられ又はトグルされたときに発生される。発生されたリップル電流の量又は大きさは、スイッチング手段の切換え周波数の逆関数である。つまり、切換え周波数が減少すると、発生されるリップル電流の量が増し、切換え周波数が増すと、発生されるリップル電流の量が減少する。リップル電流の発生率、換言すると、リップル電流が発生される率は、インダクタのインダクタンス値に逆比例する。このように、インダクタンスが大きければ大きいほど、リップル電流の発生率が小さくなり、インダクタンスが小さければ小さいほど、リップル電流の発生率は大きくなる。
【００２０】
低い負荷状態すなわち部分的負荷状態においては、図３に示すように、非線形インダクタのインダクタンス値は、図１に示した既知の線形インダクタのインダクタンス値よりも大きい。このように、低い負荷状態すなわち部分的負荷状態の期間に、本発明の非線形インダクタ１７によって発生されるリップル電流の量は、既知の線形インダクタによって発生されるリップル電流の量よりも小さい。このように、本発明のコンバータはリップル電流を最小化又は低下させて燃料電池の効率を改善する。
【００２１】
代替的に、本発明のコンバータ１０は低い切換え周波数を考慮するよう適応され得る。しかし、切換え周波数を減少させることは、発生されるリップル電流の量を増加させることになる。非線形インダクタ１７によって発生される低減されたリップル電流を利用すると、本発明と既知のコンバータによって発生されるリップル電流の全体量、つまり、リップル電流の燃料電池に対する効果を同じに維持したまま、本発明のコンバータ１０の切換え周波数は既知のコンバータと比較して減少され得る。このように、本発明のコンバータ１０は、最小又はより低い切換え周波数を考慮に入れて、コンバータの効率を改善する。
【００２２】
要するに、本発明のコンバータ１０は、（１）燃料電池の効率を改善するためにリップル電流を最小化し、（２）コンバータの効率を改善するためにスイッチ２２の切換え周波数を最小化し、又は、（３）既知のＤＣ／ＤＣコンバータと比較してリップル電流とコンバータ１０の切換え周波数とを低くするようになされ得る。
【００２３】
本発明は、特定の実施の形態に関して記述されてきたが、上述の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている範囲にのみ限定されるものとする。排他的な所有又は権利が請求されている本発明の実施の形態は、特許請求の範囲において規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】既知の典型的な線形インダクタのインダクタンスと電流との実質的に線形な関係を示すグラフである。
【図２】本発明に係る非線形インダクタを有する燃料電池のためのＤＣ／ＤＣコンバータの電気的な概略図である。
【図３】本発明に係る非線形インダクタの非線形インダクタンスと電流との例示的な非線形の関係を示すグラフである。
【図１】
0003711245.tif 000002
【図２】
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【図３】
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