(57)【要約】【課題】燃料電池システムに含まれるコンバータを構成するコンデンサの過熱状態を抑制して、コンデンサを熱的損傷から保護する。【解決手段】燃料電池システム用電力制御装置１２は、ＦＣコンバータ１８と、インバータ１４に対してＦＣコンバータ１８と並列に接続されるバッテリコンバータ２０と、ＦＣコンバータ１８およびバッテリコンバータ２０の作動を制御する制御部２１とを備える。ＦＣコンバータ１８は、コンデンサ２２，２６，３０と、コンデンサ温度を検出する温度センサ２３，２７，３１とを有する。制御部２１は、コンデンサ温度Ｔｃ１，Ｔｃ２，Ｔｃ３のいずれかが閾値温度Ｔｔｈ以上になったとき、バッテリコンバータ２０による昇圧電圧目標値または昇圧比を低下させる制御を実行する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から供給される直流電圧を昇圧して出力可能な燃料電池側コンバータと、前記燃料電池側コンバータから供給される直流電圧を交流電圧に変換して負荷に印加するインバータと前記燃料電池側コンバータとを接続する電力ラインと、前記電力ラインに対して前記燃料電池側コンバータと並列に接続され、蓄電装置から供給される直流電圧を昇圧して出力可能な蓄電装置側コンバータと、前記燃料電池側コンバータおよび前記蓄電装置側コンバータの作動を制御する制御部と、を備える燃料電池システム用電力制御装置であって、
前記燃料電池側コンバータは、電荷を蓄積するコンデンサと、コンデンサの温度を検出する温度センサとを有し、
前記制御部は、前記温度センサにより検出されたコンデンサ温度が閾値温度以上になったとき、前記蓄電装置側コンバータによる昇圧電圧目標値または昇圧比を低下させる制御を実行することを特徴とする燃料電池システム用電力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム用電力制御装置に係り、特に、燃料電池側コンバータと蓄電装置側コンバータとを備える燃料電池システム用電力制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、燃料等の供給を受けて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから出力される直流電圧を昇圧可能な燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電デバイスである二次電池と、この二次電池から供給される直流電圧を昇圧可能な二次電池用ＤＣ／ＤＣコンバータと、システム出力端子とを備え、前記燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータと前記二次電池用ＤＣ／ＤＣコンバータとが前記システム出力端子に並列接続されてなる燃料電池システムが開示されている。
【０００３】
この燃料電池システムでは、システム出力端子が電気機器（負荷）の直流入力端子に接続されることで、燃料電池システムから電気機器に電力が供給されるようになっており、前記電気機器に合わせて燃料電池スタック、二次電池およびＤＣ／ＤＣコンバータの各仕様が決定されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１０２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような燃料電池、二次電池および各ＤＣ／ＤＣコンバータを備える燃料電池システムが電動車両の電源装置として適用された場合、走行用動力源であるモータは車両の走行状態に応じて変動するため、モータが高負荷運転されて燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータが高昇圧比に維持されたときに、コンバータを流れる電流値、とりわけ、電流リップルが大きくなることで、コンバータの構成部品であるコンデンサが過熱状態になって性能低下を来たす可能性がある。
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池システムに含まれるコンバータを構成するコンデンサの過熱状態を抑制して、コンデンサを熱的損傷から保護することができる燃料電池システム用電力制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システム用電力制御装置は、燃料電池から供給される直流電圧を昇圧して出力可能な燃料電池側コンバータと、前記燃料電池側コンバータから供給される直流電圧を交流電圧に変換して負荷に印加するインバータと前記燃料電池側コンバータとを接続する電力ラインと、前記電力ラインに対して前記燃料電池側コンバータと並列に接続され、蓄電装置から供給される直流電圧を昇圧して出力可能な蓄電装置側コンバータと、前記燃料電池側コンバータおよび前記蓄電装置側コンバータの作動を制御する制御部と、を備える燃料電池システム用電力制御装置であって、前燃料記燃料電池側コンバータは、電荷を蓄積するコンデンサと、コンデンサの温度を検出する温度センサとを有し、前記制御部は、前記温度センサにより検出されたコンデンサ温度が閾値温度以上になったとき、前記蓄電装置側コンバータによる昇圧電圧目標値または昇圧比を低下させる制御を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システム用電力制御装置によれば、コンデンサ温度が所定の閾値温度以上になったとき蓄電装置側コンバータによる昇圧電圧上限値または昇圧比を低下させる制御を実行する。これにより、蓄電装置側コンバータの出力電圧が低減されることで、インバータに対して前記蓄電装置側コンバータと並列接続された燃料電池側コンバータの出力電圧も同様に制限されることになる。その結果、燃料電池側コンバータを流れる電流値の低減、とりわけ、電流リップルの低減を図ることができ、燃料電池側コンバータの構成部品であるコンデンサの過熱を抑制して熱的損傷から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システム用電力制御装置を含む燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図２は、燃料電池側コンバータに含まれるコンデンサの温度保護制御の処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
【００１１】
下記の実施の形態では、本発明に係る燃料電池システム用電力制御装置（以下、適宜に「電力制御装置」とだけいう。）が、電動車両に搭載される燃料電池システムに適用された例について説明するが、本発明の適用は電動車両に限定されるものではなく、船舶、飛行機、ロボット等の他の移動体の電源装置として用いられる燃料電池システムに適用されてもよいし、あるいは、定置型の燃料電池システムに適用されてもよい。
【００１２】
図１は、電動車両に搭載される燃料電池システム１の全体構成を概略的に示す。燃料電池システム１は、燃料電池１０、蓄電装置１１、電力制御装置１２、インバータ１４およびモータ１６を備える。
【００１３】
図１において「ＦＣ」と表記される燃料電池１０は、図示しないガス供給系を介して燃料ガスとしての水素および酸化ガスとしての酸素を含む空気がそれぞれ供給され、水素と酸素の電気化学反応に伴って生じる電気を発電電力として出力する発電装置である。燃料電池１０に供給される燃料としては、高圧水素タンク等から供給される水素ガスが好適に用いられるが、メタン等の炭化水素ガスを水蒸気により改質して生成される水素リッチなガスが用いられてもよい。
【００１４】
図１において「ＢＡＴ」と表記される蓄電装置１１は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池等の二次電池によって好適に構成される。ただし、二次電池に限定されるものではなく、例えば電気二重層キャパシタ等により構成されてもよい。
【００１５】
電力制御装置１２は、燃料電池１０から供給される直流電圧を昇圧して出力可能な燃料電池側コンバータ（以下、適宜に「ＦＣコンバータ」という。）１８と、蓄電装置１１から供給される直流電圧を昇圧して出力可能な蓄電装置側コンバータ（以下、適宜に「バッテリコンバータ」という。）２０と、これらのコンバータ１８，２０の作動を制御する制御部２１とを含む。
【００１６】
図１において「ＥＣＵ（Electronic Control Unit）」と表記される制御部２１は、制御プログラム等を実行するＣＰＵ、制御プログラ等を予め格納するＲＯＭ、ＲＯＭから読み出されたプログラムや、後述する温度センサによる検出データ等を一時的に記憶するＲＡＭ、および、入出力インターフェースからなるマイクロコンピュータとして構成されることができる。制御部２１は、入力されるイグニッション信号ＩＧ、アクセル開度信号ＡＣＣおよび車速Ｓｖｃ等に基づいて、上記２つのコンバータ１８，２０の作動を制御するとともに、燃料電池１０へのガス供給系やインバータ１４を含む燃料電池システム１の全体制御を司るものである。ただし、上記２つのコンバータ１８，２０の作動制御だけを行う独立したＥＣＵとしてもよい。
【００１７】
図１において「ＣＮＶ」と表記されるバッテリコンバータ２０は、リアクトル、電力用スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ等）およびダイオードなどから構成されることができ、制御部２１からの制御信号を受けて電力用スイッチング素子がオン・オフ制御されることにより、蓄電装置１１から供給される直流電圧を昇圧電圧目標値に昇圧して出力する機能を有する。
【００１８】
ＦＣコンバータ１８の入力端子は、一対の電力ライン、すなわち正極ライン２および負極ライン３を介して燃料電池１０の出力端子に接続されている。同様に、ＦＣコンバータ１８の出力端子は、正極ライン２および負極ライン３を介してインバータ１４に接続されている。
【００１９】
また、バッテリコンバータ２０は、インバータ１４に対してＦＣコンバータ１８と並列接続関係になるように、ＦＣコンバータ１８およびインバータ１４間の正極ライン２および負極ライン３に接続されている。ＦＣコンバータ１８の詳細については、後述する。
【００２０】
図１において「ＩＮＶ」と表記されるインバータ１４は、それぞれ複数の電力用スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ等）およびダイオードなどから構成されることができる。モータ１６として例えば三相同期型交流モータが用いられる場合、インバータ１４は、制御部２１からの制御信号を受けて電力用スイッチング素子がオン・オフ制御されることにより、ＦＣコンバータ１８やバッテリコンバータ２０から正極ライン２および負極ライン３を介して供給される直流電圧を三相交流電圧に変換してモータ１６に印加する機能を有する。
【００２１】
モータ１６は、上述したように三相同期型交流モータにより好適に構成されることができ、いずれも図示しない減速機や車軸を介して車輪に機械的に連結されている。これにより、インバータ１４から三相交流電圧が印加されてモータ１６が回転駆動されると、車輪に駆動力が伝達されて車両が走行することができる。一方、車両の回生制動時には、車輪から車軸等を介してモータ１６の回転軸に動力が入力されることで、モータ１６は発電機として機能することもできる。このとき、モータ１６により発電された回生電力は、インバータ１４で交流電圧から直流電圧に変換され、バッテリコンバータ２０により適度に降圧された後に、蓄電装置１１に充電されることができる。
【００２２】
続いて、ＦＣコンバータ１８について詳細に説明する。
【００２３】
ＦＣコンバータ１８は、燃料電池１０側において正極ライン２および負極ライン３間に接続された第１のコンデンサ（またはフィルタコンデンサ）２２と、第２のコンデンサ（または共振コンデンサ）２６を含む補助回路２４と、昇圧回路２８と、インバータ側において正極ライン２および負極ライン３間に接続される第３のコンデンサ（または平滑コンデンサ）３０とを備える。
【００２４】
各コンデンサ２２，２６，３０は、電荷を蓄積して放出する機能を有する公知構成のもので、例えばフィルムコンデンサなどにより好適に構成されることができる。また、各コンデンサ２２，２６，３０には、温度センサ２３，２７，３１がそれぞれ付設されており、温度センサ２３，２７，３１により検出されたコンデンサ温度Ｔｃ１、Ｔｃ２，Ｔｃ３が制御部２１に入力されて監視されるようになっている。
【００２５】
昇圧回路２８は、正極ライン２に設けられた昇圧リアクトル３２と、コレクタ端子が正極ライン２に接続されエミッタ端子が負極ライン３に接続された電力スイッチング用トランジスタである例えばＩＧＢＴ３４と、ＩＧＢＴ３４に逆並列接続されたダイオード３６とから構成されている。これにより、制御部２１からＩＧＢＴ３４のゲート端子に制御信号が入力されてＩＧＢＴ３４がオン・オフ制御されることで、燃料電池１０から供給される直流電圧を所望の電圧値まで昇圧して出力することができる。
【００２６】
補助回路２４は、アノード端子が正極ライン２に接続された第１のダイオード３８と、両端が第１のダイオード３８のカソード端子および負極ライン３に接続された第２のコンデンサ２６と、第１のダイオード３８および第２のコンデンサ２６間にアノード端子が接続された第２のダイオード４０と、第２のダイオード４０のカソード端子にコレクタ端子が接続された電力スイッチングトランジスタ、例えばＩＧＢＴ４２と、ＩＧＢＴ４２に逆並列接続された第３のダイオード４４と、一端がＩＧＢＴ４２のエミッタ端子に接続され他端が正極ライン２に接続された共振リアクトル４６とから構成されている。補助回路２４のＩＧＢＴ４２は、制御部２１からの制御信号がゲート端子に入力されることによってオン・オフ制御されるようになっている。
【００２７】
このような構成を有する補助回路２４は、昇圧回路２８のＩＧＢＴ３４のオン損失を抑制する機能を有する。具体的には、補助回路２４のＩＧＢＴ４２は、昇圧回路２８のＩＧＢＴ３４がオン作動するのに先立って、オン状態に駆動される。これにより、共振コンデンサ２６に蓄えられた電荷が共振リアクトル４６との共振によって放出されて正極ライン２へと電流が流れることにより、昇圧回路２８のＩＧＢＴ３４がオンされる際のコレクタ・エミッタ間の電位差を小さくする又は無くすことができ、その結果、昇圧回路２８のＩＧＢＴ３４におけるオン損失を低減することが可能になる。
【００２８】
次に、上記電力制御装置１２の制御部２１において実行されるコンバータ温度保護制御について図２を参照して説明する。図２は、制御部２１のＣＰＵにおいて実行されるコンバータ温度保護制御の処理手順を示すフローチャートである。この制御は、燃料電池システム１が運転状態にあるときに所定時間（例えば数ｍｓｅｃ）ごとに実行される。
【００２９】
まず、制御部２１は、各温度センサ２３，２７，３１から送信されるコンデンサ温度Ｔｃ１，Ｔｃ２，Ｔｃ３を監視する（ステップＳ１０）。そして、コンデンサ温度Ｔｃ１，Ｔｃ２，Ｔｃ３のいずれかが所定の閾値温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００３０】
第１ないし第３のコンデンサ２２，２６，３０の温度Ｔｃ１，Ｔｃ２，Ｔｃ３がいずれも閾値温度Ｔｔｈ未満であるとき（ステップＳ１２でＮｏ）、バッテリコンバータ２０による昇圧電圧目標値は例えば６００ボルトの通常制御状態に維持される（ステップＳ１６）。
【００３１】
一方、第１ないし第３のコンデンサ２２，２６，３０の温度Ｔｃ１，Ｔｃ２，Ｔｃ３のいずれかが閾値温度Ｔｔｈ以上になったとき（ステップＳ１２でＹｅｓ）、バッテリコンバータ２０による昇圧電圧目標値を例えば６００ボルトから３００ボルトに低下させる（ステップＳ１４）。ここで、蓄電装置１１から供給される直流電圧が例えば２００ボルトであるとした場合、バッテリコンバータ２０による昇圧比は、３倍から１．５倍に引き下げられることになる。
【００３２】
このようにバッテリコンバータ２０による昇圧電圧目標値または昇圧比を低下させることで、正極ライン２および負極ライン３を介してバッテリコンバータ２０に接続されるＦＣコンバータ１８の出力電圧も同様に制限されることになる。その結果、ＦＣコンバータ１８を流れる電流値の低減、とりわけ、電流リップルの低減を図ることができ、ＦＣコンバータ１８の構成部品である第１ないし第３コンデンサの２２，２６，３０の過熱を抑制して熱的損傷から保護することができる。
【００３３】
なお、上記において本発明の一実施形態である電力制御装置１２について十分に説明したが、本発明に係る燃料電池システム用電力制御装置は上記構成のものに限定されるものではなく、種々の変更や改良が可能である。
【００３４】
例えば、上記ＦＣコンバータ１８は、補助回路２４を含むものとして説明されるが、昇圧機能を果たす限りにおいて補助回路２４は必須のものではなく省略されてもよい。
【００３５】
また、ＦＣコンバータ１８は、第１のコンデンサ２２および第３のコンデンサ３０を含むものとして説明されるが、ＦＣコンバータは昇圧回路および補助回路だけを含んで構成されるものとして、第１のコンデンサおよび第３のコンデンサはＦＣコンバータとは別個に電力制御装置を構成するとしてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１  燃料電池システム、２  正極ライン、３  負極ライン、１０  燃料電池、１１  蓄電装置、１２  燃料電池システム用電力制御装置、１４  インバータ、１６  モータ、１８  燃料電池側コンバータまたはＦＣコンバータ、２０  蓄電装置側コンバータまたはバッテリコンバータ、２１  制御部、２２  第１のコンデンサ、２３，２７，３１  温度センサ、２４  補助回路、２６  第２のコンデンサ、２８  昇圧回路、３０  第３のコンデンサ、３２  昇圧リアクトル、３６，３８，４０，４４  ダイオード、４６  共振リアクトル。
【図１】
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【図２】
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