(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおいて低周波リップル電流を電圧バスから除去すること。【解決手段】燃料電池により電力供給される車両用制御システムは、電圧バス１８を介して燃料電池１２と連絡する電圧変換装置２０と、電圧バス１８を介して燃料電池１２によって選択的に電力供給され且つ電圧バス１８に選択的にリップル電流を生成する推進システム２６を備える。電圧変換装置２０は、リップル電流を減少させる逆リップル電流を選択的に生成するように調整される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池によって電力供給される車両用の制御システムであって、
電圧バスを介して前記燃料電池と接続された電圧変換装置と、
前記電圧バスを介して前記燃料電池によって選択的に電力供給され、前記電圧バスにリップル電流を選択的に生成する推進システムと、
を具備し、前記電圧変換装置が、前記リップル電流を減少させる逆リップル電流を選択的に生成するように調整される制御システム。
【請求項２】
６ステップ・モードで動作するとき、前記推進システムが前記リップル電流を生成する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記燃料電池が前記推進システムに電力供給するとき、前記電圧変換装置が前記逆リップル電流を選択的に生成するように調整される、請求項１に記載の制御システム。
【請求項４】
前記電圧変換装置がＤＣ／ＤＣ変換器を含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項５】
前記リップル電流がＡＣリップル電流である、請求項１に記載の制御システム。
【請求項６】
前記逆リップル電流がＡＣ逆リップル電流である、請求項１に記載の制御システム。
【請求項７】
前記電圧バスを介して前記推進システムに選択的に電力供給するエネルギ貯蔵装置を更に備える、請求項１に記載の制御システム。
【請求項８】
前記燃料電池によって発生する電力が前記エネルギ貯蔵装置によって選択的に貯蔵される、請求項７に記載の制御システム。
【請求項９】
前記電圧バスがＤＣ電圧バスである、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１０】
燃料電池システムにおけるリップル電流を低減する方法であって、
燃料電池を用いて電圧バスを介して推進システムに選択的に電力供給するステップと、
前記電圧バスにリップル電流を生成するように、前記推進システムを選択的に動作させるステップと、
前記リップル電流を減少させる逆リップル電流を選択的に生成するように、前記電圧バスと接続された電圧変換装置を調整するステップと、
を備える方法。
【請求項１１】
前記リップル電流を生成するように前記推進システムを動作させる前記ステップが、前記推進システムを６ステップ・モードで動作させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記逆リップル電流を選択的に生成するように前記電圧変換装置を調整する前記ステップが、前記燃料電池が前記推進システムに電力供給するときに行われる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記電圧変換装置がＤＣ／ＤＣ変換器を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記リップル電流がＡＣリップル電流である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記逆リップル電流がＡＣ逆リップル電流である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
エネルギ貯蔵装置を使用して前記電圧バスを介して前記推進システムに選択的に電力供給するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料電池によって発生する電力を前記エネルギ貯蔵装置を使用して選択的に貯蔵するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記電圧バスがＤＣ電圧バスである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
燃料電池によって電力供給される車両の電圧バスのリップル電流を低減させる制御システムであって、
前記電圧バスを介して燃料電池と接続された電圧変換装置と、
６ステップ・モードで選択的に動作し、前記電圧バスを介して前記燃料電池によって選択的に電力供給される推進システムと、
前記推進システムが前記６ステップ・モードで動作するとき発生するリップル電流を低減する逆リップル電流を選択的に生成するように、前記電圧変換装置を調整する制御モジュールと、
を備える制御システム。
【請求項２０】
前記燃料電池が前記推進システムに電力供給するとき、前記制御モジュールが、前記逆リップル電流を選択的に生成するように前記電圧変換装置を調整する、請求項１９に記載の制御システム。
【請求項２１】
前記電圧変換装置がＤＣ／ＤＣ変換器を含む、請求項１９に記載の制御システム。
【請求項２２】
前記リップル電流がＡＣリップル電流である、請求項１９に記載の制御システム。
【請求項２３】
前記逆リップル電流がＡＣ逆リップル電流である、請求項１９に記載の制御システム。
【請求項２４】
前記電圧バスを介して前記推進システムに選択的に電力供給するエネルギ貯蔵装置を更に備える、請求項１９に記載の制御システム。
【請求項２５】
前記燃料電池によって発生する電力が前記エネルギ貯蔵装置によって選択的に貯蔵される、請求項２４に記載の制御システム。
【請求項２６】
前記電圧バスがＤＣ電圧バスである、請求項１９に記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するもので、より詳しくは、燃料電池システムにおける電流リップルの除去に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両システムは、推進システム及び／又は補助電気システムに電圧バスを通じて電力供給するためのエネルギを生成する燃料電池スタックを含むことができる。この推進システムは、駆動トルクを発生させる電気機械を含む。燃料電池スタックによって発生する過剰なエネルギは、エネルギ貯蔵装置（ＥＳＤ）に蓄えることができる。限定ではないが、再生式ブレーキを含む他の手段によって発生するエネルギもＥＳＤによって蓄えることができる。このＥＳＤは、推進システム及び／又は補助電気システムに電力供給する燃料電池スタックを選択的に補完するために使用することができる。例えば、ＥＳＤは、始動期間に車両システム構成部品に電力を供給するのに使用することができる。
【０００３】
通常動作期間には、電力は燃料電池スタックから推進システムに流れる。或る動作条件の下では、この推進システムは６ステップ・モードで動作する。６ステップ・モードでは、電気機械のトルク能力は高い方の速度で最大化される。しかしながら、６ステップ・モードで動作するとき、低周波リップル電流が電圧バスに発生する。このリップル電流は燃料電池スタックに悪影響を与える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記低周波リップル電流を電圧バスから適切に除去するためには、比較的大きな容量が必要である。フィルム型式のバルク・コンデンサの場合は、十分に大きなコンデンサを製造することは実行可能でない。アルミニウム電解コンデンサを使用することができるが、それらは比較的低い電力処理能力しか有さない。したがって、かなり多数のコンデンサが必要になり、全体的なシステム・コスト及び寸法に悪影響を及ぼすことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、本発明は、燃料電池によって電力供給される車両用制御システムを提供する。この制御システムは、燃料電池と電圧バスを介して接続された電圧変換装置と、電圧バスを介して燃料電池によって選択的に電力供給され、電圧バスに選択的にリップル電流を生成する推進システムとを備える。この電圧変換装置は、リップル電流を減少させる逆リップル電流を選択的に生成するように調整される。
【０００６】
１つの特徴では、推進システムは６ステップ・モードで動作するとき前記リップル電流を生成する。
別の特徴では、燃料電池が推進システムに電力供給するとき、電圧変換装置は逆リップル電流を選択的に生成するように調整される。
【０００７】
別の特徴では、電圧変換装置はＤＣ／ＤＣ変換器を含む。
別の特徴では、リップル電流はＡＣリップル電流である。
別の特徴では、逆リップル電流はＡＣ逆リップル電流である。
【０００８】
更に別の特徴では、制御システムは、電圧バスを介して推進システムに選択的に電力供給するエネルギ貯蔵装置を更に備える。燃料電池によって発生される電力は、エネルギ貯蔵装置によって選択的に貯蔵される。
【０００９】
更に別の特徴では、電圧バスはＤＣ電圧バスである。
本発明の適用可能性の更なる領域は、以下に提供される詳細な説明から明らかになるであろう。理解されるように、詳細な説明及び特定の例は本発明の好ましい実施の形態を示すけれども、例示の目的のみであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、詳細な説明及び添付の図面から一層完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
好ましい実施の形態の以下の説明は、事実上、単なる例示に過ぎず、本発明、その用途又は使用を限定するものではない。分かり易くするため、同じ参照番号が複数の図面内で同様な要素を特定するために使用される。本明細書で使用される術語「モジュール」は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、電子回路、１つ又は複数のソフトウエア又はファームウェア・プログラムを実行するプロセッサ（共用、専用又は群）及びメモリ、組み合わせ論理回路、及び／又は記述された機能を提供する他の適切な構成部品を意味する。
【００１１】
次に図１を参照すると、例示的な車両システム１０が示されている。車両システム１０は、燃料電池スタック１２、エネルギ貯蔵装置（ＥＳＤ）１４及び推進システム１６を備えている。燃料電池スタック１２は、アノード及びカソードの反応物質（例えば、それぞれＨ２及びＯ２）を処理することによってエネルギを発生させる。燃料電池スタック１２によって発生するエネルギは、推進システム１６に電力供給するために使用される。このエネルギの一部分をＥＳＤ１４に貯蔵することができる。ＥＳＤ１４に貯蔵されたエネルギは、燃料電池スタック１２を補完して推進システムに電力供給するのに使用することができる。
【００１２】
電流が、電圧バス１８に沿って車両システムの構成部品間を流される。より具体的には、電圧バス１８は、燃料電池スタック１２とＥＳＤ１４と推進システム１６との間の電気的接続を可能にする。ＤＣ／ＤＣ変換器２０が電圧バス１８とＥＳＤ１４との間に配設される。ＤＣ／ＤＣ変換器２０は、電圧バス１８とＥＳＤ１４との間のインターフェースを提供する双方向ＤＣ／ＤＣ変換器であることが好ましい。このようにして、ＥＳＤ１４は、燃料電池スタック１２によって発生するエネルギを貯蔵することができ、また推進システム１６を駆動するエネルギを供給することができる。このＤＣ／ＤＣ変換器は、比較的高い電圧のバス（例えば、２５５Ｖ〜４２５Ｖ）と比較的低い電圧のＥＳＤ（例えば、２００Ｖ〜４００Ｖ）との間でエネルギを移送する。
【００１３】
車両システム１０は、本明細書で説明する様々な構成部品の動作を調整する制御モジュール２２を更に備える。より具体的には、制御モジュール２２は、本発明の変換器制御システムに基づいてＤＣ／ＤＣ変換器２０の動作を調整する。制御モジュール２２は、運転者入力２４によって生成される信号に基づいて制御信号を生成する。運転者入力は点火、アクセル及びブレーキを含むが、これらに限定されるものではない。例えば、点火の場合、制御モジュール２２は、ＥＳＤ１４が始動期間に車両システム構成部品（例えば、カソード反応材圧縮機（図示せず））に電力供給できるように、ＤＣ／ＤＣ変換器２０を制御する。ブレーキの場合は、制御モジュール２２は、回生制動期間に発生するエネルギをＥＳＤ１４が貯蔵できるように、ＤＣ／ＤＣ変換器２０を制御する。アクセルの場合には、制御モジュール２２は推進システム１６が車両を駆動するように制御する。
【００１４】
推進システム１６は推進制御モジュール２６と電気機械２８とを備えている。推進制御モジュール２６は、制御モジュール２２によって発生する制御信号に基づき、電気機械２８の動作を調整する。より具体的には、推進制御モジュール２６は、電気機械２８を駆動するために、電圧バス１８からのＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するインバータ（図示せず）を含む。電気機械２８は外側の固定子と内側の回転子とを備えるＡＣ電気機械である。外側の固定子は３相巻線を備える。ＡＣ電流が相巻線に加えられるとき、変化する電磁場が生成されて回転子の回転を誘起する。電気機械２８は、この電気機械２８が動作するように設計された最高速度である基本速度を含む。
【００１５】
特定の動作条件の下では、電気機械２８は６ステップ・モードで動作する。６ステップ・モードは、電気機械２８が基本速度又はそれ以上で回転しているときに発生する。より具体的には、電気機械２８が基本速度又はそれ以上の速度であるとき、電気機械２８の逆起電力は比較的大きい。ＤＣ入力電圧は、インバータがピーク定格相電流を生成するのに足るほど高くはない。その結果、パルス幅変調（ＰＷＭ）デューティー・サイクルであるインバータ出力デューティー・サイクルは、電気機械２８の出力を最大にするために最高になる（すなわち１に等しい）。インバータの各絶縁ゲート・バイポーラー・トランジスタ（ＩＧＢＴ）は電気サイクルの１８０°に対してオンにされる。全ての６個のＩＧＢＴがこのように切り換えられると、モータ巻線電圧波形（中立に対する相）は、１サイクル当り６つの顕著なステップ（すなわち、６ステップ・モード）を有する。
【００１６】
６ステップ・モードで動作するとき、インバータの各絶縁ゲート・バイポーラー・トランジスタ（ＩＧＢＴ）の通常の周波数スイッチング（例えば、１０ｋＨｚ）は止まり、各ＩＧＢＴはそれぞれ１サイクルに１回のみ切り換えられる。例えば、出力電流の基本周波数が２００Ｈｚの場合、各ＩＧＢＴは６ステップ・モードでは２００Ｈｚで切り換わる。ＩＧＢＴの全てがこのように切り換わると、電圧バス１８上の外乱又はリップル電流は出力電流の基本周波数の６倍になるが、これは、インバータ用の通常のスイッチング周波数（例えば、１０ｋＨｚ）よりずっと低い周波数である。ＤＣバス・コンデンサは、この結果として発生する６ステップ・リップルを除去するのに有効ではない。しかしながら、６ステップ・モードは電気機械２８の出力をかなり増加させる。より具体的には、６ステップ・モードは、高い速度では電気機械２８のトルク能力を最大限にする。
【００１７】
ここで図２を参照してＤＣ／ＤＣ変換器２０を更に詳細に説明する。ＤＣ／ＤＣ変換器２０は高電圧側３０及び低電圧側３２を含む。高電圧側３０は燃料電池スタック１２と電気的に接続され、低電圧側３２はＥＳＤ１４と電気的に接続される。高電圧側３０は、抵抗器３６、３８、コンデンサ４０、及び、それぞれダイオード４６、４８を含む１対の半導体スイッチ４２、４４を備える。同様に、低電圧側３２は、抵抗器５０、５２、コンデンサ５４、及び、それぞれダイオード６０、６２を含む１対の半導体スイッチ５６、５８を備える。高電圧側３０及び低電圧側３２は、抵抗器６４及びインダクタ６６を介して電気的に接続されている。
【００１８】
電力が低電圧側３２から高電圧側３０に流れるとき、ＤＣ／ＤＣ変換器２０は、高電圧側負荷（例えば、電気機械２８）に電力供給するための昇圧／放電モードで動作する。電力が高電圧側３０から低電圧側３２に流れるとき、ＤＣ／ＤＣ変換器２０はＥＳＤ１４を充電するバック（buck）モードで動作する。半導体スイッチ４２、４４、５６、５８は、ＤＣ／ＤＣ変換器２０における電力移送を調整するために、導通モードと非導通モードとに選択的に切り換えられる。より具体的には、本発明の変換器制御システムは、電気機械２８が６ステップ・モードで動作するとき、逆リップル電流を発生するように半導体スイッチ４２、４４、５６、５８を選択的に切り換える。逆リップル電流は、電圧バス１８に注入されるＡＣ電流であることが好ましい。このようにすると、６ステップ・モードでの動作によって発生するリップル電流は、逆リップル電流によって相殺される。逆リップル電流の周波数は制御モジュール２２によって決められ、車両速度に基づく。車両速度は推進システム１６によって供給される信号から決定することができる。制御モジュール２２は、車両速度に基づいて所望の逆リップル電流を発生するための制御信号を生成する。
【００１９】
次に、図３を参照して変換器制御システムの動作を詳細に説明する。ステップ３００において、制御は燃料電池スタック１２が推進システム１６に電力供給しているか否かを決定する。燃料電池スタック１２が推進システム１６に電力を供給していない場合、制御はループバックする。燃料電池スタック１２が推進システム１６に電力を供給している場合には、ステップ３０２において、制御は推進システム１６が６ステップ・モードで動作しているか否かを決定する。推進システム１６が６ステップ・モードで動作していない場合は、制御はステップ３００にループバックする。推進システム１６が６ステップ・モードで動作しているときは、制御は逆リップル電流を電圧バス１８上に生成するようにＤＣ／ＤＣ変換器２０を動作させ、制御を終了する。
【００２０】
ここで図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、本発明の変換器制御システムの利点が示されている。図４Ａは、６ステップ・モードで動作するときに電圧バス１８に発生するリップル電流を伴う、例示的な燃料電池スタック電流を示す。より具体的には、図４Ａの燃料電池電流はＤＣ電流及びＡＣリップル電流を含む。図４Ｂは、本発明にしたがって、ＤＣ／ＤＣ変換器２０によって発生する逆リップル電流の結果として小さいリップル電流を伴う、例示的な燃料電池スタック電流を示す。図５Ａは、６ステップ・モードで動作するときに電圧バス１８に発生するリップル電流を伴う、例示的なＤＣバス電圧を示す。図５Ｂは、本発明にしたがって、ＤＣ／ＤＣ変換器２０によって発生する逆リップル電流の結果として小さいリップル電流を伴う、例示的なＤＣバス電圧を示す。
【００２１】
当該分野の技術者はこれまでの開示から理解できるように、本発明の広汎な教示は様々な形態で実施することができる。したがって、本発明を、その特定の例を参照して説明してきたが、本発明の真の範囲はそのように限定されるべきではない。これは、図面、明細書及び特許請求の範囲を検討すると、当業者には他の改変が明らかになるからである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る例示的な燃料電池システムの機能的なブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムの例示的なＤＣ／ＤＣ変換器の概略図である。
【図３】本発明の変換器制御システムによって実行されるステップを示すフロー図である。
【図４Ａ】リップルを伴う燃料電池スタック電流を示すグラフである。
【図４Ｂ】低減されたリップルを伴う燃料電池スタック電流を示すグラフである。
【図５Ａ】リップルを伴うＤＣバス電流を示すグラフである。
【図５Ｂ】低減されたリップルを伴うＤＣバス電流を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２３】
１０：車両システム、  １２：燃料電池スタック、  １４：エネルギ貯蔵装置（ＥＳＤ）、  １６：推進システム、  １８：電圧バス、  ２０：ＤＣ／ＤＣ変換器、  ２２：制御モジュール、  ２４：運転者入力、  ２６：推進制御モジュール、  ２８：電気機械（ＥＭ）、  ３０：高電圧側、  ３２：低電圧側、  ４２、４４、５６、５８：半導体スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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