(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流インバータ手段（２）を備える燃料電池（Ｐ）に用いる電気変換器であって、燃料電池（Ｐ）と電流インバータ手段（２）との間に取り付けられる電圧降圧チョッパー（１）、及び電圧降圧チョッパー（１）のスイッチ手段（７）に印加される命令信号を送出する命令手段（６）を備え、命令信号の作用によって、
−  電圧降下チョッパー（１）のスイッチ手段（７）が、定期的に導通状態から遮断状態に、及びその逆に切り替わることにより、電流インバータ手段の入力における平均電圧の値が、セル電極活性化ゾーンと呼ばれる燃料電池の第１の機能ゾーン（Ｉ）で下がり、
−  電圧降下チョッパー（１）のスイッチ手段（７）が、常時閉じている状態を維持することにより、電流インバータ手段（２）の入力における平均電圧の値が、セル抵抗ゾーンと呼ばれる第２の機能ゾーン（ＩＩ）に含まれる、セル端子における電圧値（Ｖｐ）に維持され、
−  電流インバータ手段（２）からの出力電流が最大設定値（Ｉｍａｘ）に達すると、電圧降下チョッパー（１）のスイッチ手段（７）が切り替わって、変換器の出力電流が制限される
ことを特徴とする変換器。
【請求項２】
セル抵抗ゾーン（ＩＩ）において、電流インバータ手段（２）は、インバータが出力するピーク電圧の値をしきい値（Ｖｓ）にほぼ等しくするよう命令を受けることを特徴とする、請求項１記載の変換器。
【請求項３】
少なくとも一つの変圧器（３）を電流インバータ手段の出力に備えることを特徴とする、請求項１又は２記載の変換器。
【請求項４】
変圧器（３）が電圧昇圧変圧器であることを特徴とする、請求項３記載の変換器。
【請求項５】
電流インバータ手段は４つのスイッチ（１０、１１、１２、１３）から成るブリッジを備えることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の変換器。
【請求項６】
電流インバータ手段は２つのスイッチ（２１、２２）を有するプッシュプル型であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の変換器。
【請求項７】
変換器は第１変圧器（２６）及び第２変圧器（２７）を備え、電流インバータ手段は第１スイッチ（２８）及び第２スイッチ（２９）を備え、第１スイッチ（２８）が第１変圧器（２６）の１次巻き線（３０）に直列に取り付けられ、第２スイッチ（２９）が第２変圧器（２７）の１次巻き線（３２）に直列に取り付けられ、第１及び第２変圧器の２次巻き線（３１、３３）が並列接続されることを特徴とする、請求項３又は４記載の変換器。
【請求項８】
第１変圧器（２６）及び第２変圧器（２７）はプレーナ技術により作製されることを特徴とする、請求項７記載の変換器。
【請求項９】
整流器（４）を備えることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の変換器。
【請求項１０】
整流器は、直列に搭載されたダイオード群（９）のアセンブリ、又はダイオードマトリクスの構成に搭載されたダイオード群（９）のアセンブリを備えることを特徴とする、請求項９記載の変換器。
【請求項１１】
降圧チョッパーが、ＩＧＢＴ技術を使用する少なくとも一つのスイッチ（７）を備えることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の変換器。
【請求項１２】
電流インバータ手段（２）がＭＯＳＦＥＴトランジスタを備えることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の変換器。
【請求項１３】
フィルタ手段（５）を備えることを特徴とする、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の変換器。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
技術分野
本発明は燃料電池用の電気変換器に関する。
燃料電池は電力供給源として多くの用途に使用される。
とりわけ、燃料電池は内燃エンジンに置き換わる電動車両（乗用車、バス、電気推進ボートなど）の電力供給源として提案されている。これにより、電動車両によって発生する局地汚染を減らすことができる。
【０００２】
燃料電池は電気化学発電機であり、この発電機の電極には継続的に燃料と酸化剤とが供給される。電動車両に適用する場合、選択される技術は主にＰＥＭＦＣ技術、すなわち大気から水素及び酸素の供給を受ける固体高分子形燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ）である。
使用する水素は車両に搭載されるタンクに貯蔵される。この場合、化学形態のエネルギーベクトルとして使用されるのは水素である。燃料電池はこの化学エネルギーを車両の電動モータが必要とする電気エネルギーに変換する。
使用する水素は、リフォーマー回路を使用して車両内で炭化水素から生成することもできる。この解決手法によって、電力要求が低い経済速度で走行する間に内燃エンジンよりも高い変換効率が得られる。
【０００３】
燃料電池は、電池の各構成要素が０．５ボルトから０．８ボルトのオーダーの非常に低いＤＣ全負荷電圧（ｆｕｌｌ−ｌｏａｄ  ｖｏｌｔａｇｅ）を供給するので、特殊な発電機である。用途に応じて、このエネルギーを使用するか、又は変換することができるように十分に大きな電圧を実現するために、非常に多くの電池を直列接続する。例えば、百個程度の電池を直列に接続した積層体は６０〜８０ボルトの全負荷動作電圧を生成することができる。用途に従って、直列接続した電池から成る幾つかの積層体を使用する。これらの積層体は直列に、及び／又は並列に接続される。
車両又は固定発電機に使用する場合、生成される電気エネルギーは使用に直接適しているわけではない。第１に燃料電池は一定電圧を供給せず、第２に生成電圧が低い。
【０００４】
電動モータは複数の内部ＡＣ電圧を使用する。電流によって生じる磁界の回転を可能にするのは、これらの電圧の向きの変化である。この回転磁界はモータを駆動して回転させる。
ＤＣモータの場合、ＤＣ電圧からのＡＣ電圧の生成は、これまではブラシ及び集電リングを使用するシステムにより行われていた。現在では、性能及び寿命の理由から、ブラシ及び集電リングによる機械的切換え動作はほとんどがトランジスタを備えるインバータに置き換わっている。この場合、３つの正弦ＡＣ電流が、同じ振幅を有し、且つ位相が２π／３だけシフトしたモータ巻き線に生じて、一定振幅の回転磁界を生成することができる。従って、トルク衝撃の無いモータ回転が得られる。
【０００５】
ＤＣ電圧からＡＣ電圧を生成するために必要な電圧反転は、巻き線及びモータケーブルのインダクタンスによってスローダウンする。この物理的現象は、モータの動作電圧が低くなるほど大きな不具合をもたらす。低電圧は大電流に対応するので、大きなエネルギーがモータ及びケーブルの内部インダクタンスに蓄積される。低電圧及び大電流の形で供給される電力は、ブラシ及び集電リングの、又はこの機能を実行する電子変換器のサイズ及び損失に対する大きな制約にもなる。
実際、高出力モータ（通常１０ｋＷ超）の場合、モータの動作電圧は高い（通常１００ボルト超であり、多くの場合２００又は４００ＡＣボルトのオーダー）。
【０００６】
現在、大きく分けて２つの標準化アプリケーションが見られる。
−  最大６００ボルトの電圧を有するＩＧＢＴトランジスタ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を備えるインバータが生成する２００ＡＣボルトのオーダーの電圧を使用するモータであり、このインバータには３００ボルトのオーダーの電圧が供給される。
−  最大電圧が１２００ボルトのＩＧＢＴトランジスタを備えるインバータが生成する４００ＡＣボルトのオーダーの電圧を使用するモータであり、このインバータには６００ボルトのオーダーの電圧が供給される。
上に記載した２つの場合におけるアプリケーションの標準化は、低電圧（通常１００ボルト未満）が供給される高出力モータの性能の悪さと解釈される上述の物理的制約に起因し、更に電気グリッドにより電力供給を受けるモータ及びインバータの有効な産業上の解決方法が存在することに起因する。
【０００７】
燃料電池の端子間電圧は供給電流に関連して大きく変化する。図１は、電池が供給する電流Ｉに対する燃料電池の端子間電圧Ｖｐの変化の様子を示している。
素子の無負荷電圧（Ｉ＝０の場合）は、大気圧及び室温で動作しているＰＥＭＦＣ燃料電池に関して、例えば１．２３ボルトの電圧Ｕｏである。電圧Ｕｏを過ぎると、端子間電圧Ｖｐは変化する３つの電圧ゾーンに区分することができる。第１ゾーン（Ｉ）はセル電極活性化ゾーンであり、このゾーンでは、電圧Ｖｐは電流が増えると急激に下がる。次に、電極において電圧Ｕｏに対して電圧降下が生じる。次に、抵抗ゾーンと呼ばれる第２ゾーン（ＩＩ）が現われ、このゾーンでは、電池は低い内部抵抗を有する発電機として動作する。第２ゾーン（ＩＩ）を超えると、拡散ゾーンと呼ばれる第３ゾーン（ＩＩＩ）が現われ、このゾーンでは、燃料電池の電流は電池内部での燃料及び酸化剤の拡散速度によって制限される。拡散ゾーンでは、電圧は大きく下がるが、電流はわずかに増えるだけである。
【０００８】
直列接続された百個の電池から成る積層体は１００×Ｕｏ、すなわちほぼ１２０ボルトの無負荷電圧を有する。負荷が掛かった状態では、使用電圧は８０ボルト又は６０ボルトのオーダーの電圧にまで下がり得る。相対的に高い電圧は相対的に高い変換効率、且つ相対的に小さい送出電力に対応する。用途に応じて、変換効率又は電力密度（従ってコスト）が優先される。
【０００９】
車両の電気アーキテクチャは燃料電池に関連する２つの制約、すなわち電池から成る単位素子の低いＤＣ電圧及び電圧の大きな変化を考慮に入れる必要がある。普通の用途では、一つ以上の電気エネルギー変換器及びこの電気エネルギーを蓄積する一時蓄積手段が必要になることが多い。
車両においては、燃料電池付属機器がエネルギーを供給することができるようになる前に、電力によってこの付属機器を起動する必要がある。次に、モータは、ＤＣ電圧から生成する必要のある可変周波数の数百ボルトのＡＣ電圧を使用する。更に、一時電気蓄積が、燃料電池のサイズを大きくすることなく、加速用に追加の電力を供給し、且つブレーキ作動時にエネルギーを取り出すために必要であることが分かる。
【００１０】
実際、燃料電池を使用するには、各用途のニーズに関連するシステム手法が必要である。エネルギー蓄積時間の長さに応じて、コンデンサ、スーパーコンデンサ又は種々のバッテリ技術を適切に適合させる必要がある。燃料電池と、利用可能なエネルギー蓄積と、このエネルギーの使用との間には、電気／電気変換器が必要である。これらの変換器を使用してエネルギーの伝達及び制御を行う。
変換器は燃料電池から生じる電圧を高くする。車両の電源の多くは、燃料電池が供給する供給電圧よりも高くなければならない動作電圧を必要とする。従って、燃料電池が送出する電圧を必要な電圧レベルに昇圧するためにＤＣ／ＤＣ昇圧変換器が必要である。
【００１１】
燃料電池を自動車に使用するための種々の技術が知られている。
第１の技術では、燃料電池の出力電圧を直接使用する。一つのバスを燃料電池から得られる大きく変化する電圧に直接使用する、類似したシステムが複数存在する。これは、例えば米国特許第４４０７９０３号に記載のシステム、又は「A 3kW isolates bidirectional DC/DC converter for fuel cell electric vehicle application （Power Conversion and Intelligent Motion Conference PCIM 2001 [Lizhi Zhu等]）」に記載されたシステムである。後者のシステムでは、燃料電池は２００〜４００ボルトのオーダーの電圧を特に車両けん引及びエアコンディショニングの電源として供給し、また双方向変換器を通して１２ボルトバッテリを供給する。１２ボルトの電圧はランプ及び電子制御機器のような従来型の負荷に電源を供給するのに使用される。
【００１２】
第２の技術によって、燃料電池の出力から供給される電圧は、完全に調整された電圧、又はほとんど変化しない電圧（例えば、バッファバッテリの電圧）に変換される。
図２は完全に調整された電圧の場合を示している。変換器Ｃは燃料電池Ｐの出力に位置し、双方向変換器ＣｂはバッテリＢの上流に位置する。変換器Ｃ及び双方向変換器Ｃｂは電圧バスＴに取り付けられる。双方向変換器Ｃｂはエネルギーを供給又は吸収する機能を備えるため、調整効果を有する。このようにして、これらの変換器が電力限界に達しておらず、且つ蓄積が限界に達していないとすると、完全に調整された電圧が得られる。
【００１３】
図３は電圧がほとんど変化しない場合を示している。バッテリＢはここでは、電圧バスＴに直接接続される。バッテリの電圧はほとんど変化しないので、バスの電圧を印加するのはこのバッテリである。この変形例は、例えば欧州特許第１０９１４３７号に記載されている。
【００１４】
今日の電気自動車は、一方が高電圧（例えば４００ボルトＤＣ）であり、他方が低電圧（例えば１２ボルトＤＣ）である２つの電圧源を必要とする。米国特許第６１７７７３６号はこれらの２つの電圧を生成する変換器の例を開示している。昇圧チョッパーアセンブリを使用して、燃料電池が送出する電圧をそれぞれ４００Ｖ及び１２Ｖの電圧に変換する。
結論として、上に記載した先行技術において、電気自動車の燃料電池が供給する電圧には３つの主要な使用方法があると思われる。
１）燃料電池からの電圧を直接使用する。
２）燃料電池からの電圧を完全に調整された電圧に変換する。
３）燃料電池からの電圧をほとんど変化しない電圧に変換する。
【００１５】
第１の使用方法（直接使用）に関しては、燃料電池の端子の電圧の変化が約２倍であるので、使用するモータ、接続インバータ、及び電気変換器のサイズを大きくする必要がある。例えば、燃料電池が供給する電圧が２００Ｖと４００Ｖとの間で変化するような使用例では、この電圧を直接使用するということは、トラクションインバータ及びエアコンプレッサのような付属機器の寸法が大きくなることを意味する。この機器は４００Ｖでの動作に耐える必要があり、従って電圧に応じたサイズにする必要がある。更に、機器は２００Ｖの電圧が印加されている状態で最大電力を供給する必要がある。従って、機器には大きな電流が流れ、これは機器が大きなサイズの電流切換え装置であることを意味する。
他の２つの使用方法（完全に調整されたＤＣ電圧及びほとんど変化しないＤＣ電圧）に関しては、燃料電池はＤＣ／ＤＣ変換器に接続する必要があり、この変換器も燃料電池の電圧が変化することを考慮に入れて寸法を大きくする必要がある。本特許出願の目的は、変換器のサイズ、重量及びコストに関するこのような制約の影響を小さくすることにある。
【００１６】
図４は先行技術による昇圧チョッパーを示している。
この昇圧チョッパーは、少なくとも一つのスイッチＫ、ダイオードＤ、インダクタＬ、及び出力コンデンサＣｄを備える。
【００１７】
前記チョッパーは集積チョッパーと呼ばれる。スイッチが閉じると、インダクタを流れる電流が増え、次にこのインダクタがエネルギーを電磁気の形で蓄える。スイッチが開くと、スイッチの両端の電圧はダイオードが導通するまで大きくなる。従って、インダクタは、蓄えたエネルギーの一部を相対的に高い出力電圧の形で放出する。
スイッチが切り替わらない場合、出力電圧はダイオードが導通するために入力電圧に等しくなる。スイッチが切り替わる場合、インダクタのエネルギーの蓄積及び伝達によって、出力エネルギーを相対的に高い電圧の形で供給することができる。入力電圧に対して出力電圧が高い程、変換器に対する制約が大きい。スイッチは、スイッチが開くときの出力電圧に耐える必要がある。また、低い電圧で大きな電力が供給される程、スイッチを流れる電流が大きくなる。実際、電圧、電流、及びスイッチ損失に関する技術上の制約によって、係数を約２又は３に上げるために昇圧チョッパーアセンブリを使用することが制限される。
【００１８】
原理的に、昇圧チョッパーにより、出力電圧は必ず入力電圧よりも大きい。これは、燃料電池の出力電圧が放電バッテリの電圧又は調整電圧よりも常に小さいことを意味する。
昇圧チョッパー段は、燃料電池が短絡しないように電池を確実に保護することができない。昇圧チョッパーの出力における短絡は、燃料電池が耐えることができない燃料電池の短絡と解釈される。短絡が生じた場合に高速に開くことができる補助スイッチが必要になる。この場合、回路ブレーカ、リレー、又は補助トランジスタのような保護手段を組み込む必要がある。
【００１９】
昇圧チョッパーのサイズを小さくすると、部品のサイズが小さくするために使用される周波数が高くなる。回路の冷却を改善して小さくなった空間に生じる熱を取り除く必要もある。
昇圧チョッパーの周波数の上昇は、最大電圧及び最大電流の両方に対応するサイズを有するスイッチ及びダイオードに対する大きな制約によって制限され、且つ高周波数で動作する大電流インダクタを作製する際の技術的な困難さによって制限される。
【００２０】
スイッチ及びダイオードの電圧及び電流に関する制約により、周波数の上昇はこれらの部品のスイッチング損失の顕著な増大として直ぐに現われる。
インダクタの機能はエネルギーを電磁気の形で蓄えることである。このエネルギーの一部はこの素子の巻き線に位置し、渦電流による銅損失を生じさせる。高出力、大電流インダクタは、インダクタの渦電流損失により技術的に作製が難しい。これらの難しさはアセンブリの周波数を高くすると大きくなる。
【００２１】
図５は先行技術によるＤＣ／ＤＣ変換器の第２の例を示している。
ＤＣ／ＤＣ変換器は、インバータＷ、これに続く変圧器Ｚ、ダイオードブリッジＰｔ、平滑インダクタＬＳ、及び出力コンデンサＣｓを備える。インバータＷは、燃料電池により生じるＤＣ電圧を変圧器Ｚに印加されるＡＣ電圧に変換する。変圧器の出力では、ダイオードブリッジがＡＣ電圧をＤＣ電圧に整流する。平滑インダクタＬＳはＤＣ電圧を平滑化する。
【００２２】
この変換器の利点は変圧器を使用することであり、この変圧器によって、サイズを大きくすることなく、入力電圧と出力電圧との間の昇圧係数を大きくすることができる。
変圧器は、エネルギーを変圧器の１次側と２次側との間で直接伝達する。インダクタとは異なり、変圧器は大きな電磁気エネルギーを蓄えない。このため、高周波数で動作する高出力変圧器はインダクタよりも作製が容易である。巻き線は、高い周波数（＞５０ＫＨｚ）でも小さい渦電流損失しか生じないように設計することができる。
【００２３】
また、インバータ及び変圧器を使用するアセンブリは短絡に耐え、且つその出力における電流を制限することができる。短絡が生じる場合には、燃料電池は保護される。
このアセンブリは、電圧を大きく変えることができる燃料電池から電源の供給を受ける。インバータ、ダイオード及び変圧器から成る部品群はそれに応じてサイズを大きくする必要がある。
【００２４】
このようにサイズを大きくする必要があるということは、変換器にとって大きな制約であり、変換器の重量、容積、従ってコストの増大、且つ変換器の損失の増大、従って変換器の変換効率の低下となる。
本発明は上に記載した不具合を含まない。
【００２５】
発明の詳細
本発明は、電流インバータ手段を備える燃料電池に用いる電気変換器に関する。この変換器は、燃料電池と電流インバータ手段との間に取り付けられる電圧降圧チョッパー、及び電圧降圧チョッパーのスイッチ手段に印加される命令信号を送出する制御手段を備え、命令信号の作用によって、
−  電流インバータ手段の入力における平均電圧の値が、セル電極活性化ゾーンと呼ばれる燃料電池の第１機能ゾーンに含まれるしきい値にまで下がり、
−  電流インバータ手段の入力における平均電圧の値が、セル抵抗ゾーンと呼ばれる第２機能ゾーンに含まれる、セル端子における電圧値に維持され、
−  電流インバータ手段の出力電流が最大設定値に達すると変換器の出力電流が制限される。
【００２６】
追加的な特徴によれば、セル抵抗ゾーンにおいて、電流インバータ手段はインバータが出力するピーク電圧の値をしきい値にほぼ等しくするよう命令を受ける。
更なる特徴によれば、変換器は少なくとも一つの変圧器を電流インバータ手段の出力に備える。
更に別の特徴によれば、変圧器は電圧昇圧変圧器である。
更に別の特徴によれば、電流インバータ手段は４つのスイッチを有するブリッジを備える。
更に別の特徴によれば、電流インバータ手段は２つのスイッチを有するプッシュプル型である。
【００２７】
更に別の特徴によれば、変換器は第１変圧器及び第２変圧器を備え、電流インバータ手段は第１スイッチ及び第２スイッチを備え、第１スイッチが第１変圧器の１次巻き線に直列に取り付けられ、第２スイッチが第２変圧器の１次巻き線に直列に取り付けられ、第１及び第２変圧器の２次巻き線が並列接続される。
更に別の特徴によれば、第１変圧器及び第２変圧器はプレーナ技術を有する。
更に別の特徴によれば、変換器は整流器を備える。
更に別の特徴によれば、整流器は、直列に搭載されたダイオード群のアセンブリ、又はマトリクスの構成に搭載されたダイオード群のダイオードアセンブリを備える。
【００２８】
更に別の特徴によれば、降圧チョッパーは、ＩＧＢＴ技術を使用する少なくとも一つのスイッチを備える。
更に別の特徴によれば、電流インバータ手段はＭＯＳＦＥＴトランジスタを含む。
更に別の特徴によれば、変換器はフィルタ手段を備える。
【００２９】
本発明による燃料電池用電気変換器は多くの利点を有する。
電圧降圧チョッパーのスイッチ手段は少なくとも一つのスイッチを含む。有利には、電圧降圧チョッパーのスイッチのみが燃料電池により生じる最大電圧に耐える。従って、電流インバータ手段は、最大電圧よりも小さいしきい値電圧の値に合わせてサイズを決定することができる。インバータ手段が４つのスイッチを有する完全なブリッジを使用する場合、サイズを決定するために考慮すべき電圧の値はしきい値である。インバータ手段が２つのスイッチを有するプッシュプル型である場合、制約はしきい値の２倍であるが、他方、平均電流に関する制約は半分に減る。
【００３０】
また、降圧チョッパーのスイッチは、変換器の最大機能範囲に渡ってオンにされる。従って、導電損失を最小化する技術、例えば低電圧降下を示すＩＧＢＴ方式を用いる技術の使用を選択することができる。この場合、燃料電池がゾーン（Ｉ）において機能している場合、スイッチングの段階において電流レベルが低くなることにより、スイッチング損失を非常に低いレベルに維持することができる。
【００３１】
電流インバータ手段を一定電圧の制約（しきい値電圧）の下で動作させることによって、この電圧に応じたサイズのＭＯＳＦＥＴ（属酸化物半導体電界効果トランジスタ）型トランジスタを使用することができる。本発明の変換器を構成する部品群のサイズを極端に大きくすることがない（先行技術における場合とは異なり）ということは、損失を最小化するために重要なポイントである。ＭＯＳＦＥＴトランジスタは、高い周波数で動作するコンバータを形成するために非常に適している。他方、これらのトランジスタの導通状態における漂遊抵抗は電圧が高くなると急激に大きくなる。実際、この漂遊抵抗によって、大きな電流を切り換えるために幾つかのトランジスタを並列に使用することが必要になる。
有利にはアセンブリの平滑インダクタは非常に小さなエネルギーを蓄え、交換する。降圧チョッパーのスイッチが切り換わると、電流が小さくなるので、インダクタが蓄えるエネルギーが小さくなる。同様に、電流インバータ手段によって、スイッチ群の同時導通段階で電圧設定を確実に行なうと、昇圧係数（しきい値Ｖｓとセル端子における電圧Ｖｐの比）が非常に小さくなり、その結果インダクタが蓄えるエネルギーも非常に小さくなる。
【００３２】
電圧昇圧係数が非常に小さいので、出力ダイオードはほぼ５０％の導通時間だけ導通し、これによってこれらのダイオードのピーク電流、ダイオードが遮断される時の逆回復電流のレベル及びそれに関連する損失が小さくなる。
インバータ手段の当該段階の時間に変化がほとんどない安定化電圧の下で変圧器が機能することにより、変圧器は、変換器の遷移動作段階において飽和する危険無く、磁性材料の最大変位に近い磁気インダクタンス変位に合わせてサイズを決定することができる。
【００３３】
インバータ手段、変圧器、及びインダクタの制約は先行技術におけるものよりも小さいので、相対的に小さい容積の変換器を形成することができ、変換器の動作周波数を高くすることができる。
変圧器を設けることによって、特に制約を課すことなく入力電圧よりもずっと大きな出力電圧を供給することができる。高い動作周波数に良好に適合し、且つ容易に冷却することができるプレーナ技術を使用する変圧器を使用することができる。
【００３４】
また、本発明の変換器は短絡に耐え、且つ燃料電池を保護するという利点を有する。
高出力、高周波数を使用する用途において、種々の部品（スイッチ、ダイオード、インダクタ、変圧器、コンデンサ）に対する制約は、所望の機能を実現するためには、基本的部品群を並列及び／又は直列に接続する必要があることである。例えば、ＭＯＳＦＥＴトランジスタを含むスイッチは非常に高速に切り換わることができ、無視できる程度の漂遊ケーブルインダクタンスしか示さず（電流上昇速度を下げず、この漂遊インダクタンスに蓄積されるエネルギーを消費しないように）、導通状態で非常に小さい抵抗を示し、且つ過熱を生じることなくこれらの熱損失をヒートシンクに伝達できなければならない。従って高い周波数では、幾つかの部品を並列に配置することにより漂遊ケーブルインダクタンスを十分に小さくし、この機能を実現しなければならない。
【００３５】
好ましくは、産業標準に適合する多数の小型部品を使用することもできる。標準部品を使用する利点は、とりわけ以下の点である。
−  汎用性の低い部品を使用する場合に比べてコストが小さい。
−  複数の部品供給業者を使用できるという利点がある。
−  大量生産されていることより部品の信頼性が高い。
−  部品群を容易に並列に配置することができるので内部ケーブルインダクタンスが大きく下がる。
−  サイズが小さいために迅速に、且つ容易に扱うことができる。
【００３６】
本発明の電気変換器はまた、ダイオード群を有する整流手段を備える。整流手段のダイオード群は直列、又はダイオードマトリクスの構成に取り付けられる。これにより、高速を実現する標準の産業部品を使用することが可能になる。ダイオードの速度は、その逆回復時間、すなわちダイオードを電流が逆に流れることができ、且つダイオードがその電流を阻止する機能も持たない時間により特徴付けられる。この段階では多くの損失が生じる。逆回復時間は、ダイオードの耐電圧強度が高くなると長くなる。例えば、高い耐電圧強度を有する単一のダイオードに代えて、低い耐電圧強度を有するダイオード群を直列又はダイオードマトリクスの構成に配置することにより、比較的短い逆回復時間を達成することができ、この時間は、低い耐電圧強度を有するダイオードに相当する時間である。これは損失を小さくするという利点を有し、且つこれによって一層高い周波数での動作が可能になって小型化を加速することができる。
【実施例】
【００３７】
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照する本発明の好適な実施形態を一読することにより明らかになると思われる。
【００３８】
発明の実施形態の詳細な説明
図１〜５については前に説明したので、これ以上の説明は省略する。
図６は本発明による燃料電池用の電気変換器の原理を示す図であり、図７は、電流インバータ手段の出力から送出される電流Ｉに関して本発明による燃料電池用の電気変換器の出力電圧Ｖｏｕｔを示している。
【００３９】
変換器は、電圧降圧チョッパー１、電流インバータ２、変圧器３、整流器４、フィルタコンデンサ５、及び命令回路６を備える。電圧降圧チョッパー１は、例えば、スイッチ７、自己インダクタ８、及びダイオード９を備える。命令回路６は降圧チョッパーのスイッチ及び電流インバータ２のスイッチ群（図６には示さず）に対する指示を行なう。設定しきい値電圧Ｖｓ及び設定最大電流Ｉｍａｘが命令回路６に印加される。
【００４０】
前述したように（図１参照）、燃料電池の電圧Ｖｐが変化する３つの電圧ゾーン、すなわちセル電極活性化ゾーン（Ｉ）、抵抗ゾーン（ＩＩ）、及び拡散ゾーン（ＩＩＩ）を区分することができる（図７参照）。
セル電極活性化ゾーン（Ｉ）では、電圧降圧チョッパーのスイッチ７は、導通状態から遮断状態に、及びその逆にと、定期的に切り換わり、送出される電流を位相制御された形で流すことができるので、インバータの入力電圧を下げることができる。この段階の間は、インバータのスイッチ群の導通時間を固定することができる。スイッチ７のオン／オフ切換えは、電圧Ｖｐがしきい値電圧ｎ×Ｖｓ（ｎは変圧器の変圧比）に達するまで、すなわち活性化ゾーン（Ｉ）から抵抗ゾーン（ＩＩ）に切換わるまで続く。本技術分野の当業者には明らかなように、ここで、活性化ゾーン（Ｉ）から抵抗ゾーン（ＩＩ）への切換えに対応する電圧は正確な電圧値として定義することはできないが、或る範囲の電圧値として定義することができることに注目されたい。
【００４１】
抵抗ゾーン（ＩＩ）では、電圧降圧チョッパーのスイッチ７は、常に閉じている状態に維持される。従って、電流インバータの入力における平均電圧は、セル端子における電圧Ｖｐに等しい。好適には、抵抗ゾーン（ＩＩ）では、電流インバータは、インバータが出力するピーク電圧をしきい値電圧Ｖｓにほぼ等しくするように命令される。次に、この目的を達成するために、命令回路により電流インバータのスイッチ群の導通位相が指示される。
従って、変換器の出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧Ｖｓに変圧器の変換効率ｎを乗じた値にほぼ等しい。
【００４２】
スイッチ７は、燃料電池が出力する電圧が抵抗ゾーン（ＩＩ）に留まっている間は閉じたままである。電流インバータの出力における電流が最大設定値Ｉｍａｘに達すると、降圧チョッパーのスイッチ７が切り換わって変換器の出力電流を制限するので、短絡に耐えることができ、且つ燃料電池を保護することができる。好適には、設定値Ｉｍａｘは、燃料電池の電圧低下が生じる前に燃料電池が供給することができる最大電流に達することがないように選択される。
【００４３】
図８は、本発明の第１の実施形態による電気変換器の第１実施例を示す。
上述のように、変換器は、電圧降圧チョッパー１、電流インバータ２、変圧器３、整流器４、フィルタコンデンサ５、及び命令回路６を備える。電圧降圧チョッパーは、スイッチ７、インダクタ８、及びフリーホイールダイオード９から成る。
【００４４】
電流インバータ２は電圧降圧チョッパー１の出力に取り付けられる。このインバータは４つのスイッチ１０、１１、１２、１３から成るブリッジを含む。電流インバータ２が供給する高周波数ＡＣ電流が変圧器３の１次巻き線１４に印加される。変圧器３は、燃料電池が出力する電圧を用途に応じたレベルまで昇圧するように設計された昇圧器であることが好ましい。変圧器の２次巻き線１５は整流器４に接続され、この整流器は２次巻き線を流れる電流を整流し、整流した電流をフィルタコンデンサ５に供給する。
電流インバータ２の端子における電圧は、電圧を昇圧できるスイッチ群が同時に導通位相になっている間はゼロである。命令回路６はこの同時の導通位相を操作して、電流インバータのいずれか一方の対角線上のスイッチ群が導通すると、インバータの端子における電圧がＶｓに等しくなるようにする。
変換器の出力電流が値Ｉｍａｘに達すると、スイッチ７が切り換って電流を制限する。
【００４５】
図９は、本発明の第１の実施形態による燃料電池用の電気変換器の第２実施例を示す。
変換器３は、２つの２次巻き線１７及び１８を有し、これらの２次巻き線は同じ巻き線数を有し、且つ直列に接続される。整流器４は、２つのダイオード１９及び２０から成る。これらの２つのダイオードに接続される直列接続の２つの巻き線は、中性点変圧器を備える公知の整流システムを形成する。
【００４６】
図１０は、本発明の第２の実施形態による燃料電池用の電気変換器を示す。
変換器３は、直列接続され、且つ同じ巻き数を有する２つの１次巻き線２３、２４を備える。巻き線２３、２４の端部は、命令回路６が操作するそれぞれのスイッチ２１及び２２の正側端子に接続される。巻き線２３、２４の中点電圧は、２つのスイッチ２１及び２２が導通しているときゼロである。これらのスイッチの内の一方のみが導通しているとき、この中点電圧はＶｓに等しい。一方のスイッチが導通しているとき、導通スイッチの端子における電圧はゼロであり、中点電圧はＶｓに等しく、次に開く他方のスイッチの端子における電圧は、変圧器が接続されているので２Ｖｓに等しい。
変圧器の２次側は４つのダイオードから成る整流器に接続される単一の巻き線、又は２つのダイオードに接続された同じ巻き数を有する２つの巻き線から構成することができる。
【００４７】
図１１は、本発明の第３の実施形態による燃料電池用の電気変換器を示す。
変換器３は２つの変圧器を備え、これらの変圧器の２次側は並列接続される。
【００４８】
一般的に、公知の技術によれば、４つのスイッチの相互配線及び変圧器の巻き線全てのケーブルインダクタンスを非常に小さくする必要があるため、４つの低電圧スイッチを使用するインバータはほとんど使用されない。この物理的制約を満たすのは技術的に難しい。
２つのスイッチしか使用しないインバータによって、誘導現象がほとんど生じないケーブル接続が容易になる。他方、変圧器の２つの１次巻き線は互いに非常に強く結合する必要がある。同様に、これらの２つの巻き線は２次巻き線又は巻き線群と非常に強く結合する必要がある。
【００４９】
図１１の模式図は、２つのスイッチしか使用せず、且つ互いに非常に強く結合する必要のある２つの１次巻き線を有する変圧器を必要としない場合の利点を示している。２つの変圧器２６及び２７は単一の１次巻き線、及びこの単一の１次巻き線と非常に強く結合する一つ以上の２次巻き線を有する。これらの２つの変圧器は作製するのが技術的にずっと容易である。このため、切断銅片又はプリント回路から成る巻き線を使用するプレーナ変圧器を使用することができる。これらの変圧器は容易に冷却することができるので、高周波数動作に適している。これによって、変換器の小型化を推進することができる。このアセンブリによってプレーナ技術の使用が可能になり、よって大量生産のコストを下げることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】燃料電池の端子における電圧の変化と、燃料電池が供給する電流との関係を示す。
【図２】先行技術による燃料電池の電圧調整回路の第１の実施例を示す。
【図３】先行技術による燃料電池の電圧調整回路の第２の実施例を示す。
【図４】先行技術による電圧調整回路に接続される変換器の第１の実施例を示す。
【図５】先行技術による電圧調整回路に接続される変換器の第２の実施例を示す。
【図６】本発明による燃料電池に用いる電気変換器の原理を示す線図である。
【図７】本発明の電気変換器の出力電圧の変化と、燃料電池が供給する電流との関係を示す。
【図８】本発明の第１の実施形態による燃料電池用の電気変換器の第１の実施例を示す。
【図９】本発明の第１の実施形態による燃料電池用の電気変換器の第２の実施例を示す。
【図１０】本発明の第２の実施形態による燃料電池用の電気変換器を示す。
【図１１】本発明の第３の実施形態による燃料電池用の電気変換器を示す。
【図１】
0004441529.tif 000002
【図２】
0004441529.tif 000003
【図３】
0004441529.tif 000004
【図４】
0004441529.tif 000005
【図５】
0004441529.tif 000006
【図６】
0004441529.tif 000007
【図７】
0004441529.tif 000008
【図８】
0004441529.tif 000009
【図９】
0004441529.tif 000010
【図１０】
0004441529.tif 000011
【図１１】
0004441529.tif 000012