JP5333007B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
自動車等に搭載される燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電能力を超える急な負荷の変化等に対応するため、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システムが種々提案されている。 In fuel cell systems mounted on automobiles, various hybrid fuel cell systems with fuel cells and batteries as power sources have been proposed in order to respond to sudden load changes exceeding the power generation capacity of fuel cells. Has been.
ハイブリッド型の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電圧やバッテリの出力電圧をDC/DCコンバータで制御している。このような制御を行うDC/DCコンバータとしては、パワートランジスタ、IGBT、FET等のスイッチング素子をPWM動作させて電圧の変換を行う形式のものが広く利用されている。DC/DCコンバータは、電子機器の省電力化、小型化及び高性能化に伴い、一層の低損失、高効率及び低ノイズ化が望まれており、特に、PWM動作に伴うスイッチング損失やスイッチングサージの低減が望まれている。 In the hybrid fuel cell system, the output voltage of the fuel cell and the output voltage of the battery are controlled by a DC / DC converter. As a DC / DC converter that performs such control, a type that performs voltage conversion by causing a switching element such as a power transistor, IGBT, or FET to perform PWM operation is widely used. DC / DC converters are required to have further lower loss, higher efficiency, and lower noise in accordance with power saving, downsizing, and higher performance of electronic devices, and in particular, switching loss and switching surge associated with PWM operation. Reduction is desired.
このようなスイッチング損失、スイッチングサージを低減させる技術のひとつにソフトスイッチング技術がある。ここで、ソフトスイッチングは、ZVS(Zero Voltage Switching)又はZCS(Zero Current Switching)を実現するためのスイッチング方式であり、パワー半導体デバイスのスイッチング損失やそれに与えるストレスが低い。これに対してパワー半導体デバイスの持つスイッチング機能により電圧・電流を直接ターンオン・オフするスイッチング方式はハードスイッチングと称されている。以下の記述においてはZVS/ZCSの双方もしくはその一方が実現されている方式をソフトスイッチング、それ以外をハードスイッチングという。 One of the techniques for reducing such switching loss and switching surge is soft switching technique. Here, soft switching is a switching method for realizing ZVS (Zero Voltage Switching) or ZCS (Zero Current Switching), and has low switching loss and stress applied to the power semiconductor device. On the other hand, a switching method in which the voltage / current is directly turned on / off by the switching function of the power semiconductor device is called hard switching. In the following description, a method in which both or one of ZVS / ZCS is realized is called soft switching, and the other is called hard switching.
ソフトスイッチングは、例えばインダクタ、スイッチング素子、ダイオードを備えた一般的な昇降圧型DC/DCコンバータにスイッチング損失を低減するための補助回路を付加したもの(いわゆるソフトスイッチングコンバータ)によって実現される(例えば特許文献1参照)。 Soft switching is realized by, for example, a common buck-boost type DC / DC converter including an inductor, a switching element, and a diode to which an auxiliary circuit for reducing switching loss is added (so-called soft switching converter) (for example, a patent) Reference 1).
ソフトスイッチングコンバータを利用することで、ハードスイッチングのみが可能な従来型のコンバータに比べて高速化等が可能となるものの、コンバータが大型化してしまうという問題がある。
かかる問題に鑑み、ソフトスイッチングコンバータを構成する部品の一部(具体的には、ソフトスイッチングコンバータの入力側に設けられた平滑化コンデンサ)を廃止することが考えられる。
By using a soft switching converter, the speed can be increased compared to a conventional converter capable of only hard switching, but there is a problem that the converter becomes large.
In view of such a problem, it is conceivable to eliminate a part of the components constituting the soft switching converter (specifically, a smoothing capacitor provided on the input side of the soft switching converter).
しかしながら、ソフトスイッチングコンバータの入力側の平滑化コンデンサ(以下、入力側コンデンサと略称)を廃止してしまうと、燃料電池からは変動の大きな出力電流(リップル成分の大きな電流)が出力され、ソフトスイッチングコンバータでの電力損失が大きくなる、という新たな問題が発生する。 However, if the smoothing capacitor on the input side of the soft switching converter (hereinafter abbreviated as the input side capacitor) is abolished, the fuel cell outputs a large fluctuation in output current (current with a large ripple component) and soft switching A new problem arises that power loss in the converter increases.
図18及び図19、入力側コンデンサの廃止前後における燃料電池の出力電流波形を例示した図である。図18に示すように、入力側コンデンサが設けられている場合には、リップル成分の小さな出力電流波形が得られるのに対し、入力側コンデンサが廃止されている場合には、出力電流のリップル成分は大きくなる(図19参照)。 18 and 19 are diagrams illustrating the output current waveform of the fuel cell before and after the abolition of the input side capacitor. As shown in FIG. 18, when an input side capacitor is provided, an output current waveform with a small ripple component can be obtained, whereas when the input side capacitor is abolished, a ripple component of the output current is obtained. Becomes larger (see FIG. 19).
このように、FC電流のリップル成分が大きくなると、電流実効値が増えて燃料電池に異常過熱が生ずるという新たな問題が生ずる。 As described above, when the ripple component of the FC current increases, a new problem arises that the effective current value increases and abnormal overheating occurs in the fuel cell.
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、燃料電池の電流実効値によらず、該燃料電池の異常過熱を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of suppressing abnormal overheating of the fuel cell regardless of the effective current value of the fuel cell. .
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却機構と、前記燃料電池の出力電圧を制御する主スイッチを備え、平滑化コンデンサを入力側に有しないDC/DCコンバータとを備え、たDC/DCコンバータとを備えた燃料電池システムであって、前記DC/DCコンバータについて、前記主スイッチを常時オフとする非スイッチング制御モードと、負荷の要求に応じて前記主スイッチをオン、オフするハードスイッチング制御モードとの間で切換を行う切換制御手段と、前記DC/DCコンバータがハードスイッチング制御モードに設定されている場合には、該DC/DCコンバータが非スイッチング制御モードに設定されている場合よりも、前記冷却機構の冷却性能を高めた状態で前記燃料電池を冷却する冷却制御手段とを具備することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a cooling mechanism for cooling the fuel cell, and a main switch for controlling the output voltage of the fuel cell, and a smoothing capacitor is provided on the input side. a fuel cell system comprising a DC / DC converter and comprises a was DC / DC converter does not have to be, for the DC / DC converter, and a non-switching control mode for always turn off the main switch, the load When the DC / DC converter is set in the hard switching control mode, and the switching control means for switching between the hard switching control mode for turning on and off the main switch according to the request, the DC / DC A state in which the cooling performance of the cooling mechanism is higher than when the DC converter is set to the non-switching control mode. Characterized by comprising a cooling control means which cools the fuel cell.
かかる構成によれば、DC/DCコンバータがハードスイッチング制御モードに設定されている場合には、DC/DCコンバータが非スイッチング制御モードに設定されている場合よりも、冷却機構の冷却性能を高めた状態で燃料電池を冷却する。DC/DCコンバータがハードスイッチング制御モードに設定されている場合のFC電流のリップル成分(図4B参照)は、DC/DCコンバータが非スイッチング制御モードに設定されている場合のFC電流のリップル成分(図4A参照)よりも大きく、燃料電池110が過熱しやすいため、非スイッチング制御モードからハードスイッチング制御モードへの移行に応じて冷却機構200の冷却性能を上げることで、燃料電池の異常過熱を未然に防止することが可能となる。
According to such a configuration, when the DC / DC converter is set to the hard switching control mode, the cooling performance of the cooling mechanism is improved compared to the case where the DC / DC converter is set to the non-switching control mode. Cool the fuel cell in the state. The ripple component of the FC current when the DC / DC converter is set to the hard switching control mode (see FIG. 4B) is the ripple component of the FC current when the DC / DC converter is set to the non-switching control mode (see FIG. 4B). 4), and the
ここで、上記構成にあっては、前記冷却機構は、前記冷媒を冷却するためのラジエータと、前記燃料電池から前記ラジエータを介して前記冷媒を循環させるための循環流路と、前記燃料電池から前記ラジエータをバイパスするためのバイパス流路と、前記循環路と前記バイパス流路の接続点に設けられ、前記ラジエータ側に送る前記冷媒の流量と、前記バイパス流路側に送る前記冷媒の流量とを制御する弁とを備え、前記冷却制御手段は、前記DC/DCコンバータがハードスイッチング制御モードに設定されている場合には、該DC/DCコンバータが非スイッチング制御モードに設定されている場合よりも、前記ラジエータ側に送る前記冷媒の流量が大きくなるように前記弁の開度を調整する態様が好ましい。 Here, in the above configuration, the cooling mechanism includes a radiator for cooling the refrigerant, a circulation channel for circulating the refrigerant from the fuel cell via the radiator, and the fuel cell. A bypass flow path for bypassing the radiator; a flow rate of the refrigerant that is provided at a connection point between the circulation path and the bypass flow path and that is sent to the radiator side; and a flow rate of the refrigerant that is sent to the bypass flow path side. The cooling control means, when the DC / DC converter is set in a hard switching control mode, than when the DC / DC converter is set in a non-switching control mode. It is preferable that the opening degree of the valve is adjusted so that the flow rate of the refrigerant sent to the radiator side is increased.
また、本発明に係る別の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却機構と、前記燃料電池の出力電圧を制御する、主昇圧回路と補助回路とを有し、平滑化コンデンサを入力側に有しないソフトスイッチングコンバータとを備えた燃料電池システムであって、前記ソフトスイッチングコンバータについて、前記主昇圧回路を構成する主スイッチおよび前記補助回路を構成する補助スイッチを常時オフとする非スイッチング制御モードと、前記補助スイッチを常時オフとする一方、負荷の要求に応じて前記主スイッチをオン、オフするハードスイッチング制御モードと、前記負荷の要求に応じて前記補助スイッチおよび前記主スイッチをオン、オフするソフトスイッチング制御モードとの間で切換を行う切換制御手段と、前記ソフトスイッチングコンバータがソフトスイッチング制御モードに設定されている場合には、該ソフトスイッチングコンバータが非スイッチング制御モード、またはハードスイッチング制御モードに設定されている場合よりも、前記冷却機構の冷却性能を高めた状態で、前記燃料電池を冷却する冷却制御手段とを具備することを特徴とする。 Another fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a cooling mechanism for cooling the fuel cell, a main booster circuit and an auxiliary circuit for controlling the output voltage of the fuel cell , and smoothing. A fuel cell system comprising a soft switching converter having no capacitor on the input side , wherein the main switch constituting the main booster circuit and the auxiliary switch constituting the auxiliary circuit are always turned off for the soft switching converter A non-switching control mode; a hard switching control mode in which the main switch is turned on and off in response to a load request; and the auxiliary switch and the main switch in response to a load request Switching control means for switching between soft switching control modes for turning on and off, and When the soft switching converter is set to the soft switching control mode, the cooling performance of the cooling mechanism is improved as compared with the case where the soft switching converter is set to the non-switching control mode or the hard switching control mode. And cooling control means for cooling the fuel cell in a state.
ここで、上記構成にあっては、前記冷却制御手段は、前記非スイッチング制御モード、前記ハードスイッチング制御モード、前記ソフトスイッチング制御モードの順番で、前記冷却機構の冷却性能を高く設定する態様が好ましい。 Here, in the above configuration, it is preferable that the cooling control unit sets the cooling performance of the cooling mechanism high in the order of the non-switching control mode, the hard switching control mode, and the soft switching control mode. .
また、上記構成にあっては、前記冷却機構は、前記冷媒を冷却するためのラジエータと、前記燃料電池から前記ラジエータを介して前記冷媒を循環させるための循環流路と、前記燃料電池から前記ラジエータをバイパスするためのバイパス流路と、前記循環路と前記バイパス流路の接続点に設けられ、前記ラジエータ側に送る前記冷媒の流量と、前記バイパス流路側に送る前記冷媒の流量とを制御する弁とを備え、前記冷却制御手段は、前記ソフトスイッチングコンバータがソフトスイッチング制御モードに設定されている場合には、該ソフトスイッチングコンバータが非スイッチング制御モード、またはハードスイッチング制御モードに設定されている場合よりも、前記ラジエータ側に送る前記冷媒の流量が大きくなるように前記弁の開度を調整する態様も好ましい。 In the above configuration, the cooling mechanism includes a radiator for cooling the refrigerant, a circulation channel for circulating the refrigerant from the fuel cell via the radiator, and the fuel cell from the fuel cell. A bypass flow path for bypassing the radiator, a flow rate of the refrigerant sent to the radiator side and a flow rate of the refrigerant sent to the bypass flow path side are controlled at a connection point between the circulation path and the bypass flow path The cooling control means, when the soft switching converter is set to the soft switching control mode, the soft switching converter is set to the non-switching control mode or the hard switching control mode. Opening of the valve so that the flow rate of the refrigerant sent to the radiator side becomes larger than the case Mode of adjustment preferred.
さらにまた、上記構成にあっては、前記冷却制御手段は、前記非スイッチング制御モード、前記ハードスイッチング制御モード、前記ソフトスイッチング制御モードの順番で、前記ラジエータ側に送る前記冷媒の流量が大きくなるように前記弁の開度を調整する態様も好ましい。 Furthermore, in the above configuration, the cooling control means increases the flow rate of the refrigerant sent to the radiator in the order of the non-switching control mode, the hard switching control mode, and the soft switching control mode. Also preferred is an aspect of adjusting the opening of the valve.
さらにまた、前記主昇圧回路は、一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う主スイッチと、カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードとを有し、前記補助回路は、前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記主コイルの他端と前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、第二ダイオードとスナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、第三ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとを含む第二直列接続体とを有する態様も好ましい。 Furthermore, the main booster circuit has a main coil having one end connected to a high potential side terminal of the fuel cell, one end connected to the other end of the main coil, and the other end being a low potential side of the fuel cell. A main switch for switching and a first diode with a cathode connected to the other end of the main coil, the auxiliary circuit is connected in parallel to the main switch, and A first series connection body including a second diode and a snubber capacitor, connected to the other end of the main coil and a terminal on the low potential side of the fuel cell; and a connection portion between the second diode and the snubber capacitor; An aspect having a second series connection body including a third diode, an auxiliary coil, and the auxiliary switch connected between one end of the main coil is also preferable.
本発明によれば、燃料電池の電流実効値によらず、該燃料電池の異常過熱を抑制することが可能となる。 According to the present invention, abnormal overheating of the fuel cell can be suppressed regardless of the effective current value of the fuel cell.
A.本実施形態
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。 図1は本実施形態に係る車両に搭載されたFCHVシステムの構成を示す。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)を想定するが、電気自動車などにも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
A. Embodiments Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of an FCHV system mounted on a vehicle according to the present embodiment. In the following description, a fuel cell vehicle (FCHV) is assumed as an example of the vehicle, but the present invention can also be applied to an electric vehicle. Further, the present invention can be applied not only to vehicles but also to various moving bodies (for example, ships, airplanes, robots, etc.), stationary power sources, and portable fuel cell systems.
A−1.システムの全体構成
FCHVシステム100は、燃料電池110とインバータ140の間にFCコンバータ2500が設けられるとともに、バッテリ120とインバータ140の間にDC/DCコンバータ(以下、バッテリコンバータ)180が設けられている。
A-1. Overall System Configuration
燃料電池110は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池110には、燃料電池110の出力電圧Vfcmesを検出するための電圧センサV0、及び出力電流Ifcmesを検出するための電流センサI0が取り付けられている。燃料電池110においては、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じ、燃料電池110全体としては(3)式の起電反応が生じる。
The
H2 → 2H++2e- ・・・(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O ・・・(2)
H2+(1/2)O2 → H2O ・・・(3)
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の二つの電極で挟み込んだMEAを燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。 The unit cell has a structure in which a MEA in which a polymer electrolyte membrane or the like is sandwiched between two electrodes, a fuel electrode and an air electrode, is sandwiched between separators for supplying fuel gas and oxidizing gas. The anode electrode is provided with an anode electrode catalyst layer on the porous support layer, and the cathode electrode is provided with a cathode electrode catalyst layer on the porous support layer.
燃料電池110には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び冷却液を提供する系統(いずれも図示略)が設けられており、コントローラ160からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量を制御することにより、所望の電力を発電することが可能となっている。
The
FCコンバータ2500は、燃料電池110の出力電圧Vfcmesを制御する役割を担っており、一次側(入力側:燃料電池110側)に入力された出力電圧Vfcmesを、一次側と異なる電圧値に変換(昇圧または降圧)して二次側(出力側:インバータ140側)に出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側に出力する双方向の電圧変換装置である。このFCコンバータ2500により、燃料電池110の出力電圧Vfcmesが目標出力に応じた電圧となるように制御する。
The
バッテリ120は、負荷130に対して燃料電池110と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ120としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が利用される。
The
バッテリコンバータ180は、インバータ140の入力電圧を制御する役割を担っており、例えばFCコンバータ2500と同様の回路構成を有している。なお、バッテリコンバータ180として昇圧型のコンバータを採用しても良いが、これに代えて昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用しても良く、インバータ140の入力電圧の制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
The
インバータ140は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータであり、コントローラ160からの制御指令に従って、燃料電池110またはバッテリ120から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ131の回転トルクを制御する。
The
トラクションモータ131は、本車両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っている。ディファレンシャル132は減速装置であり、トラクションモータ131の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ133が設けられたシャフトを回転させる。シャフトには図示せぬ車輪速センサ等が設けられ、これにより当該車両の車速等が検知される。なお、本実施形態では、燃料電池110から供給される電力を受けて動作可能な全ての機器(トラクションモータ131、ディファレンシャル132を含む)を負荷130と総称している。
The
コントローラ160は、FCHVシステム100の制御用のコンピュータシステムであり、例えばCPU、RAM、ROM等を備えている。コントローラ160は、センサ群170から供給される各種の信号(例えば、アクセル開度をあらわす信号や車速をあらわす信号、燃料電池110の出力電流や出力端子電圧をあらわす信号など)を入力して、負荷130の要求電力(すなわち、システム全体の要求電力)を求める。
The
負荷130の要求電力は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類(加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等)で消費される電力、車両走行に必要な装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等)で消費される電力、乗員空間内に配設される装置(空調装置、照明器具、及びオーディオ等)で消費される電力などが含まれる。
The required power of the
そして、コントローラ160は、燃料電池110とバッテリ120とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算する。コントローラ160は、燃料電池110及びバッテリ120に対する要求電力を求めると、これらの要求電力が得られるようにFCコンバータ2500及びバッテリコンバータ180の動作を制御する。
Then, the
FC冷却機構200は、冷却流路に冷却媒体(例えば冷却水)を循環させることよって燃料電池110を冷却する機構である。FC冷却機構200は、燃料電池110に接続された冷媒流路230と、冷媒流路230に設けられた冷却ポンプ210と、燃料電池110から排出された冷媒を冷却するラジエータ260と、ラジエータ260をバイパスするためのバイパス流路240と、ラジエータ260側に送る冷媒の流量と、バイパス流路240側に送る冷媒の流量を制御するための三方弁250とを備えている。冷却ポンプ210は、モータMの駆動により、燃料電池110の冷媒流路内の冷媒を燃料電池110に循環し、冷媒流路230には、冷媒の温度(FC温度を反映)を検出する温度センサ270が設けられている。
The
A−2.FCコンバータの構成
図1に示すように、FCコンバータ2500は、U相、V相、W相によって構成された三相の共振型コンバータとしての回路構成を備えている。三相共振型コンバータの回路構成は、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。本実施形態では、FCコンバータ2500としてフリーホイール回路(詳細は後述)を備えた多相のソフトスイッチングコンバータ(以下、多相のFCソフトスイッチングコンバータ)を採用している。
A-2. Configuration of FC Converter As shown in FIG. 1, the
A−2−1.多相のFCソフトスイッチングコンバータの説明
図2Aは、本実施形態に係るFCHVシステム100に搭載される多相のFCソフトスイッチングコンバータ2500の回路構成を示す図であり、図2Bは、従来の多相のFCソフトスイッチングコンバータ2500’の回路構成を示す図である。
A-2-1. 2. Description of Multi-Phase FC Soft Switching Converter FIG. 2A is a diagram showing a circuit configuration of a multi-phase FC
図2Aと図2Bとを比較して明らかなように、本実施形態に係る多相のFCソフトスイッチングコンバータ2500は、従来の多相のFCソフトスイッチングコンバータ2500’から入力側コンデンサC1を除いた構成を有している。
2A and 2B, the multiphase FC
解決しようとする課題の項において説明したように、多相のFCソフトスイッチングコンバータ2500の入力側の平滑化コンデンサを除いてしまうと、FC電流のリップル成分が大きくなり(図B参照)、電流実効値が増えて燃料電池110に異常過熱が生ずるという問題が生ずる。
As described in the section of the problem to be solved, if the smoothing capacitor on the input side of the multi-phase FC
そこで、本実施形態では、FC電流のリップル成分が大きくなり、電流実効値が増える場合には、燃料電池110を冷却する冷却機構200の冷却性能を上げることで、燃料電池110の異常過熱を未然に防止する。
Thus, in the present embodiment, when the ripple component of the FC current increases and the effective current value increases, the cooling performance of the
本実施形態では、後述するように、負荷140の要求電力などに応じて、FCソフトスイッチングコンバータ250の制御モードを、ソフトスイッチング制御モード、ハードスイッチング制御モード、非スイッチング制御モードの間で切り換える。
ここで、各制御モードに応じてFC電流のリップル成分は大きく異なるため(すなわち、電流実効値は大きく異なるため)、本実施形態では、FCソフトスイッチングコンバータ250の制御モードの切り換えに応じて(例えば「非スイッチング制御モード」→「ハードスイッチング制御モード」)、冷却機構200の冷却性能を変更する制御を行い、これにより、燃料電池110の異常過熱を未然に防止する。
In this embodiment, as will be described later, the control mode of the FC
Here, since the ripple component of the FC current greatly varies depending on each control mode (that is, the current effective value varies greatly), in the present embodiment, according to switching of the control mode of the FC soft switching converter 250 (for example, “Non-switching control mode” → “Hard switching control mode”), control for changing the cooling performance of the
以下、FCソフトスイッチングコンバータ250の制御モードの詳細を説明する前に、まず、FCソフトスイッチングコンバータ250の基本的な構成について説明する。
Before describing the details of the control mode of the FC
A−2−2.FCソフトスイッチングコンバータの基本構成 図3は、多相のFCソフトスイッチングコンバータ2500の1相分の回路構成を示す図である。
以下の説明では、多相のFCソフトスイッチングコンバータ2500を構成するU相、V相、W相のFCソフトスイッチングコンバータを、それぞれFCソフトスイッチングコンバータ250a、25b、250cと呼び、特に区別する必要がない場合には、単にFCソフトスイッチングコンバータ250と呼ぶ。また、FCソフトスイッチングコンバータ250に入力される昇圧前の電圧をコンバータ入力電圧Vinと呼び、FCソフトスイッチングコンバータ250から出力される昇圧後の電圧をコンバータ出力電圧Voutと呼ぶ。
A-2-2. Basic Configuration of FC Soft Switching Converter FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration for one phase of a multi-phase FC
In the following description, the U-phase, V-phase, and W-phase FC soft switching converters constituting the multi-phase FC
図3に示すように、各FCソフトスイッチングコンバータ250は、昇圧動作を行うための主昇圧回路22aと、ソフトスイッチング動作を行うための補助回路22bと、フリーホイール回路22cを備えて構成されている。
主昇圧回路22aは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などからなる第1スイッチング素子S1とダイオードD4で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルL1に蓄えられたエネルギを負荷130にダイオードD5を介して解放することで燃料電池110の出力電圧を昇圧する。
As shown in FIG. 3, each FC
The
詳述すると、コイルL1の一端が燃料電池110の高電位側の端子に接続され、第1スイッチング素子S1の一端の極がコイルL1の他端に接続され、第1のスイッチング素子S1の他端の極が燃料電池110の低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードD5のカソード端子がコイルL1の他端に接続され、さらに、平滑コンデンサとして機能するコンデンサC3は、ダイオードD5のアノード端子と第1スイッチング素子S1の他端との間に接続されている。
More specifically, one end of the coil L1 is connected to the high potential side terminal of the
ここで、コンデンサC3にかかる電圧VHは、FCソフトスイッチングコンバータ250のコンバータ出力電圧Voutとなり、燃料電池110の出力電圧VLは、FCソフトスイッチングコンバータ250のコンバータ入力電圧Vinとなる。
Here, the voltage VH applied to the capacitor C3 becomes the converter output voltage Vout of the FC
補助回路22bには、第1スイッチング素子S1に並列に接続された、クランプダイオードD3とこのクランプダイオードD3に直列に接続されたスナバコンデンサC2とを含む第1直列接続体が含まれている。第1直列接続体は、クランプダイオードD3のカソード端子がコイルL1の他端に接続され、クランプダイオードD3のアノード端子がスナバコンデンサC2の一端に接続されている。さらに、スナバコンデンサC2の他端は、燃料電池110の低電位側の端子に接続されている。なお、スナバコンデンサC2の両端電圧を検知する電圧センサSv2が設けられている。
The
さらに、補助回路22bには、ダイオードD2と第2スイッチング素子S2及びダイオードD1と、各相に共通の補助コイルL2によって構成された第2直列接続体が含まれる。
第2直列接続体は、ダイオードD2のアノード端子が第1直列接続体のダイオードD3とスナバコンデンサC2との接続部位に接続されている。さらに、ダイオードD2のカソード端子が第2スイッチング素子(補助スイッチ)S2の一端の極に接続されている。また、第2スイッチング素子S2の他端の極は、補助コイルL2とフリーホイール回路22cの接続部位に接続されている。フリーホイールダイオードD6のアノード端子は、燃料電池110の低電位側に接続される一方、フリーホイールダイオードD6のカソード端子は補助コイルL2に接続されている。このフリーホイール回路22cは、各相に共通のフリーホイールダイオードD6を備えており、補助コイルL2が通電中に第2スイッチング素子S2がオープン故障などした場合であっても、第2スイッチング素子S2を破壊するようなサージ電圧の発生を未然に防ぐために設けられたフェールセーフ機能を実現するための回路である。なお、フリーホイール回路22cを備えていない構成にも本発明を適用可能である。
以上がFCソフトスイッチングコンバータ250の基本構成である。以下、FCソフトスイッチングコンバータ250の各制御モードの詳細について説明する。
Further, the
In the second series connection body, the anode terminal of the diode D2 is connected to the connection portion between the diode D3 of the first series connection body and the snubber capacitor C2. Furthermore, the cathode terminal of the diode D2 is connected to the pole at one end of the second switching element (auxiliary switch) S2. Moreover, the pole of the other end of the second switching element S2 is connected to a connection site between the auxiliary coil L2 and the
The above is the basic configuration of the FC
A−2−3−1.ソフトスイッチング制御の概略
FCソフトスイッチングコンバータ250においては、コントローラ160が各相の第1スイッチング素子S1のスイッチングデューティー比を調整することで、FCソフトスイッチングコンバータ250による昇圧比、すなわちコンバータ入力電圧Vinに対するコンバータ出力電圧Voutの比が制御される。また、第1スイッチング素子S1のスイッチング動作において補助回路12bの第2スイッチング素子S2のスイッチング動作を介在させることで、ソフトスイッチング制御が実現される。
A-2-3-1. Outline of Soft Switching Control In the FC
A−2−3−2.ハードスイッチング制御の概略
一方、FCソフトスイッチングコンバータ250において、補助回路22bを機能させなければ(すなわち補助回路22bの第2スイッチング素子S2を常時オフとしておくことで)、ハードスイッチング制御が実現される。周知のとおり、ハードスイッチングは、ソフトスイッチングに比べてスイッチング損失が大きいため、通常は、あえてハードスイッチングを行うことはしない。
しかしながら、発明が解決しようとする課題の項において説明したように、低温始動時など、素子温度が低い場合には耐圧が低くなるため、動作性能を下げた状態でFCソフトスイッチングコンバータ250を利用しなければならない、という問題がある。
A-2-3-2. Overview of Hard Switching Control On the other hand, in the FC
However, as explained in the section of the problem to be solved by the invention, when the element temperature is low, such as at a low temperature start, the breakdown voltage becomes low. Therefore, the FC
そこで、本実施形態では、低温対策制御として、FCソフトスイッチングコンバータ250の制御をソフトスイッチング制御からハードスイッチング制御に切り換えることで、スイッチング損失を増大させ、これにより素子温度の急速暖機を実現する。
Therefore, in this embodiment, as the low-temperature countermeasure control, the control of the FC
A−2−3−3.非スイッチング制御の概略
さらに、FCソフトスイッチングコンバータ250において、補助回路22bだけでなく主昇圧回路補助回路22aを機能させなければ(すなわち補助回路22bの第2スイッチング素子S2および主昇圧回路22aの第1スイッチング素子S1を常時オフとしておくことで)、コンバータの動作を行わない非スイッチング制御が実現される。後述するように、低負荷領域においては、ハードスイッチング制御やソフトスイッチング制御によるコンバータ損失(スイッチングによる電力損失)の影響が大きいため、負荷130の要求電力(例えば、トラクションモータ131の回転数が低いときなど)の場合には、FCスイッチングコンバータ250の動作を停止して、コンバータ損失の低減を実現する。
A-2-3-3. Outline of Non-Switching Control Further, in the FC
A−2−3−4.各制御モードにおけるFC電流の変動
図4A〜図4Cは、それぞれソフトスイッチング制御モード、ハードスイッチング制御モード、非スイッチング制御モードにおけるFC電流の変動を例示した図である。
A-2-3-4. Fluctuation of FC Current in Each Control Mode FIGS. 4A to 4C are diagrams illustrating FC current fluctuations in the soft switching control mode, the hard switching control mode, and the non-switching control mode, respectively.
図4A〜図4Cを比較して明らかなように、電流センサ290(図3参照)によって検知されるFC電流の変動は、非スイッチング制御モード→ハードスイッチング制御モード→ソフトスイッチング制御モードの順で大きくなる。この理由は、非スイッチング制御モードでは燃料電池110の出力電流にリップル成分はほとんど含まれないのに対し、ハードスイッチング制御モードでは、コイルL1によるリップル成分RC1が含まれ、ソフトスイッチング制御モードでは、コイルL1によるリップル成分RC1及びコイルL2によるリップル成分RC2が含まれるためである。前述したように、FC電流のリップル成分が大きくなり、電流実効値が増えると、燃料電池110は過熱するおそれがあるため、スイッチング制御モードの切り換えに応じて冷却機構200の冷却性能を上げることで、燃料電池110の異常過熱を未然に防止する。
4A to 4C, the fluctuation of the FC current detected by the current sensor 290 (see FIG. 3) increases in the order of the non-switching control mode → the hard switching control mode → the soft switching control mode. Become. This is because, in the non-switching control mode, the output current of the
具体的には、スイッチング制御モードの切り換えに応じて冷却機構200の三方弁250弁開度を制御し、ラジエータ260側に送る冷媒の流量(逆に言えば、ラジエータ260をバイパスする冷媒の流量)を調整する。
Specifically, the flow rate of the refrigerant sent to the
図5は、スイッチング制御モードの切換タイミングと、三方弁250の弁開度と、ラジエータ260側に送る冷媒の流量(以下、冷媒の冷却流量)の関係を示した冷却制御テーブルTA1を例示した図である。なお、図5では、便宜上、非スイッチング制御モード(=Non-Switch)、ハードスイッチング制御モード(=Hard-Switch)、ソフトスイッチング制御モード(=Soft-Switch)と略記している。
FIG. 5 is a diagram exemplifying a cooling control table TA1 showing the relationship between the switching timing of the switching control mode, the valve opening degree of the three-
上述したように、燃料電池110は非スイッチング制御モード→ハードスイッチング制御モード→ソフトスイッチング制御モードの順で電流実効値が増えるため(すなわち過熱されやすいため)、本実施形態では、この順で冷却機構200の冷却性能が高まるように、弁開度を調整する。
As described above, the
具体的には、非スイッチング制御モードからハードスイッチング制御モードに切り換える場合には、弁開度O01=現開度(非スイッチング制御モードにおける現時点の弁開度)+5%に設定することで、冷媒の冷却流量をF0からF1(>F0)に増やす。また、非スイッチング制御モードからソフトスイッチング制御モードに切り換える場合には、弁開度O02=現開度(非スイッチング制御モードにおける現時点の弁開度)+10%に設定することで、冷媒の冷却流量をF0からF2(>F1)に増やす。このように、非スイッチング制御モードからソフトスイッチング制御モードに切り換える場合の冷媒の冷却流量F2が、非スイッチング制御モードからハードスイッチング制御モードに切り換える場合の冷媒の冷却流量F1よりも大きいのは、ソフトスイッチング制御モード時のリップル成分が、ハードスイッチング制御モード時のリップル成分よりも大きく、より過熱されやすいからである。さらに、ハードスイッチング制御モードからソフトスイッチング制御モードに切り換える場合には、弁開度O03=現開度(ハードスイッチング制御モードにおける現時点での弁開度)+5%に設定することで、冷媒の冷却流量をF1からF2に増やす。本実施形態では、以上説明した冷却制御テーブルTA1を用いて冷媒の冷却流量を調整することで(別言すれば、冷却機構200の冷却性能を制御することで)、燃料電池110の異常過熱を未然に防止することを可能とする。なお、冷却制御テーブルTA1は、コントローラ160のメモリに格納されている。この冷却制御テーブルTA1に登録されている値は固定値としても良いが、適宜設定・変更としても良い。
次に、FCソフトスイッチングコンバータ250によるソフトスイッチング動作について、図6等を参照しながら説明する。
Specifically, when switching from the non-switching control mode to the hard switching control mode, by setting the valve opening degree O01 = the current opening degree (the current valve opening degree in the non-switching control mode) + 5%, The cooling flow rate is increased from F0 to F1 (> F0). When switching from the non-switching control mode to the soft switching control mode, the cooling flow rate of the refrigerant is set by setting the valve opening degree O02 = the current opening degree (the current valve opening degree in the non-switching control mode) + 10%. Increase from F0 to F2 (> F1). As described above, the refrigerant cooling flow rate F2 when switching from the non-switching control mode to the soft switching control mode is larger than the refrigerant cooling flow rate F1 when switching from the non-switching control mode to the hard switching control mode. This is because the ripple component in the control mode is larger than the ripple component in the hard switching control mode and is easily overheated. Further, when switching from the hard switching control mode to the soft switching control mode, the cooling flow rate of the refrigerant is set by setting the valve opening degree O03 = the current opening degree (the current valve opening degree in the hard switching control mode) + 5%. Is increased from F1 to F2. In the present embodiment, by adjusting the cooling flow rate of the refrigerant using the cooling control table TA1 described above (in other words, by controlling the cooling performance of the cooling mechanism 200), abnormal overheating of the
Next, the soft switching operation by the FC
A−3.FCソフトスイッチングコンバータのソフトスイッチング動作
図6は、ソフトスイッチング動作を介したFCソフトスイッチングコンバータ25の一サイクルの処理(以下、ソフトスイッチング処理)を示すフローチャートであり、コントローラ160が図6に示すステップS101〜S106を順次実行することによって一サイクルを形成する。なお、以下の説明では、FCソフトスイッチングコンバータ25の電流、電圧の状態をあらわすモードをそれぞれモード1〜モード6として表現し、その状態を図7〜図12に示す。また、図7〜図12では回路を流れる電流を矢印で示す。
A-3. FIG. 6 is a flowchart showing a process of one cycle of the FC soft switching converter 25 (hereinafter referred to as a soft switching process) through the soft switching operation. The
まず、図6に示すソフトスイッチング処理が行われる初期状態は、燃料電池110から負荷130に要求される電力が供給されている状態、すなわち第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2がともにターンオフされることで、コイルL1、ダイオードD5を介して電流が負荷130に供給される状態にある。
First, the initial state in which the soft switching process shown in FIG. 6 is performed is a state in which power required for the
(モード1;図7参照)
ステップS101においては、第1スイッチング素子S1のターンオフを保持する一方、第2スイッチング素子S2をターンオンする。かかるスイッチング動作を行うと、FCソフトスイッチングコンバータ150の出力電圧VHと入力電圧VLの電位差により、負荷130側に流れていた電流がコイルL1、ダイオードD3、第2スイッチング素子S2、補助コイルL2を介して補助回路12b側に徐々に移行してゆく。なお、図7中では、負荷130側から補助回路12b側への電流の移行の様子を白抜き矢印で示している。
(
In step S101, the first switching element S1 is kept turned off while the second switching element S2 is turned on. When such a switching operation is performed, the current flowing to the
また、第2スイッチング素子S2をターンオンすることにより、図7に示す矢印Dm11の向きに電流の循環が発生する。ここで、第2スイッチング素子S2の電流変化速度は、補助コイルL2の両端電圧(VH−VL)と補助コイルL2のインダクタンスに従い増加していくが、第2スイッチング素子S2に流れる電流は補助コイルL2により抑制されるため、結果としてダイオードD5を介して負荷130側に流れる電流(図7に示す矢印Dm12参照)のソフトターンオフが実現される。
ここで、モード1からモード2への遷移完了時間tmode1は下記式(4)によって表される。
Ip;相電流
L2id;補助コイルL2のインダクタンス
Further, when the second switching element S2 is turned on, current circulation occurs in the direction of the arrow Dm11 shown in FIG. Here, the current change rate of the second switching element S2 increases according to the voltage across the auxiliary coil L2 (VH−VL) and the inductance of the auxiliary coil L2, but the current flowing through the second switching element S2 is the auxiliary coil L2. As a result, soft turn-off of the current (see arrow Dm12 shown in FIG. 7) flowing to the
Here, the transition completion time tmode1 from
Ip; phase current L2id; inductance of auxiliary coil L2
(モード2;図8参照)
上記遷移完了時間が経過し、ステップS102に移行すると、ダイオードD5を流れる電流はゼロとなり、コイルL1及びダイオードD5を介して補助回路12b側に電流が流れ込むとともに(図8に示す矢印Dm21参照)、代わってスナバコンデンサC2と燃料電池110の電圧VLとの電位差により、スナバコンデンサC2にチャージされていた電荷が補助回路12b側に流れてゆく(図8に示す矢印Dm22参照)。このスナバコンデンサC2の容量に応じて、第1スイッチング素子S1にかかる電圧が決定される。
(
When the transition completion time elapses and the process proceeds to step S102, the current flowing through the diode D5 becomes zero, and the current flows into the auxiliary circuit 12b via the coil L1 and the diode D5 (see arrow Dm21 shown in FIG. 8). Instead, due to the potential difference between the snubber capacitor C2 and the voltage VL of the
ここで、図14はモード2からモード3への遷移過程における電圧・電流挙動を示す図であり、燃料電池110の電圧を太実線、スナバコンデンサC2の電圧を細実線、スナバコンデンサC2の電流を破線で示している。
図8に示すDm21の経路の通電が開始された後(図14に示す(A)参照)、スナバコンデンサC2の電圧VHと燃料電池110の電圧VLとの電位差により、図8に示すDm22の経路の通電、すなわち補助コイルL2への通電が開始される(図14に示す(B)参照)。ここで、図14に示すように、スナバコンデンサC2の電流は、スナバコンデンサC2の電圧が料電池110の電圧VLに到達するまで上昇し続ける。
Here, FIG. 14 is a diagram showing the voltage / current behavior in the transition process from
After the energization of the path Dm21 shown in FIG. 8 is started (see FIG. 14A), the path Dm22 shown in FIG. 8 is caused by the potential difference between the voltage VH of the snubber capacitor C2 and the voltage VL of the
詳述すると、スナバコンデンサC2の電圧VHと燃料電池110の電圧VLの電位差によってスナバコンデンサC2に蓄積された電荷が電源側に回生され始めるが(図8に示す矢印Dm22)、もともとの電位差は(VH−VL)であるため、スナバコンデンサC2に蓄積された電荷の流れ(放電)は電源電圧(すなわち燃料電池110の電圧VL)に到達したところ(図14に示すタイミングTt1)でとまってしまうところ、補助コイルL2の特性(すなわち、電流を流し続けようとする特性)により、スナバコンデンサC2の電圧がVL以下になっても電荷を流し続けようとする(図14に示す(C)参照)。このとき、下記式(4)’が成立すれば、スナバコンデンサC2の電荷はすべて流れる(放電)ことになる。
左辺;補助コイルL2に蓄積されたエネルギ
右辺;スナバコンデンサC2に残存するエネルギ
More specifically, although the electric charge accumulated in the snubber capacitor C2 begins to be regenerated on the power source side due to the potential difference between the voltage VH of the snubber capacitor C2 and the voltage VL of the fuel cell 110 (arrow Dm22 shown in FIG. 8), the original potential difference is ( VH−VL), the flow of electric charge (discharge) accumulated in the snubber capacitor C2 stops when the power supply voltage (that is, the voltage VL of the fuel cell 110) is reached (timing Tt1 shown in FIG. 14). Due to the characteristic of the auxiliary coil L2 (that is, the characteristic of continuing to flow current), the charge continues to flow even when the voltage of the snubber capacitor C2 becomes VL or less (see (C) shown in FIG. 14). At this time, if the following expression (4) ′ is satisfied, all the charges of the snubber capacitor C2 flow (discharge).
Left side; right side of energy stored in auxiliary coil L2; energy remaining in snubber capacitor C2
スナバコンデンサC2に蓄積された電荷がなくなると、図8に示すDm23の経路でフリーホイール動作を行い、通電を継続する(図14に示す(D)参照)。これにより、補助コイルL2に蓄積されたエネルギが全て放出される。なお、補助コイルL2の一端にはダイオードD2のアノードが接続されているため、LC共振は半波で止まる。このため、スナバコンデンサC2は、放電後に0Vを保持することになる。 When the electric charge accumulated in the snubber capacitor C2 is exhausted, a free wheel operation is performed along the path Dm23 shown in FIG. 8, and energization is continued (see (D) shown in FIG. 14). Thereby, all the energy accumulated in the auxiliary coil L2 is released. Since the anode of the diode D2 is connected to one end of the auxiliary coil L2, the LC resonance stops at a half wave. For this reason, the snubber capacitor C2 holds 0 V after discharging.
ここで、モード2からモード3への遷移完了時間tmode2は下記式(5)によって表される。
C2d;コンデンサC2の容量
Here, the transition completion time tmode2 from
C2d: capacitance of capacitor C2
(モード3;図9参照)
図8に示すDm22の経路で電流が流れる動作が終了し、スナバコンデンサC2の電荷が抜けきる、あるいは最小電圧(MIN電圧)となると、第1スイッチング素子S1がターンオンされ、ステップS103に移行する。スナバコンデンサC2の電圧がゼロとなった状態では、第1スイッチング素子S1にかかる電圧もゼロとなるため、ZVS(Zero Voltage Switching)が実現される。かかる状態では、コイルL1に流れる電流Il1は、矢印Dm31に示す補助回路12b側に流れる電流Idm31と矢印Dm32に示す第1スイッチング素子S1を介して流れる電流Idm32の和となる(下記式(6)参照)。
When the operation of flowing the current through the path Dm22 shown in FIG. 8 is finished and the electric charge of the snubber capacitor C2 is completely discharged or reaches the minimum voltage (MIN voltage), the first switching element S1 is turned on, and the process proceeds to step S103. In a state where the voltage of the snubber capacitor C2 becomes zero, the voltage applied to the first switching element S1 is also zero, so that ZVS (Zero Voltage Switching) is realized. In such a state, the current Il1 flowing in the coil L1 is the sum of the current Idm31 flowing on the auxiliary circuit 12b side indicated by the arrow Dm31 and the current Idm32 flowing through the first switching element S1 indicated by the arrow Dm32 (the following equation (6) reference).
ここで、第1スイッチング素子S1に流れる電流Idm31は、補助回路12b側に流れる電流Idm31の減少速度に応じて決定される。補助回路12b側に流れる電流Idm31の電流変化速度は下記式(7)によって表わされる、すなわち補助回路12b側に流れる電流Idm31は下記式(7)の変化速度で減少していくため、第1スイッチング素子S1をターンオンしたとしても第1スイッチング素子S1に流れる電流が急に立ち上がることはなく、ZCS(Zero Current Switching)が実現される。
(モード4;図10参照)
そして、ステップS104では、ステップS103の状態が継続することで、コイルL1に流れ込んでいく電流量を増加させてコイルL1に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく(図10に矢印Dm42参照)。ここで、補助回路12bにはダイオードD2が存在するため、補助コイルL2に逆電流は流れず、第2スイッチング素子S2を介してスナバコンデンサC2に充電が行われることはない。また、この時点で第1スイッチング素子S1はターンオンしているため、ダイオードD3を経由してスナバコンデンサC2に充電が行われることもない。従って、コイルL1の電流=第1スイッチング素子S1の電流となり、コイルL1に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく。ここで、第1スイッチング素子S1のターンオン時間Ts1は、下記式(8)によって近似的に表される。
Tcon;制御周期
なお、制御周期とは、ステップS101〜ステップS106までの一連の処理を一周期(一サイクル)としたときのソフトスイッチング処理の時間周期を意味する。
(Mode 4; see FIG. 10)
In step S104, the state of step S103 is continued to increase the amount of current flowing into the coil L1 and gradually increase the energy stored in the coil L1 (see arrow Dm42 in FIG. 10). Here, since the auxiliary circuit 12b includes the diode D2, no reverse current flows through the auxiliary coil L2, and the snubber capacitor C2 is not charged via the second switching element S2. At this time, since the first switching element S1 is turned on, the snubber capacitor C2 is not charged via the diode D3. Therefore, the current of the coil L1 is equal to the current of the first switching element S1, and the energy stored in the coil L1 is gradually increased. Here, the turn-on time Ts1 of the first switching element S1 is approximately represented by the following formula (8).
Tcon; control period The control period means a time period of the soft switching process when a series of processes from step S101 to step S106 is defined as one period (one cycle).
(モード5;図11参照)
ステップS104においてコイルL1に所望のエネルギが蓄えられると、第1スイッチング素子S12がターンオフされ、図11に矢印Dm51で示す経路に電流が流れる。ここで、図13は、モード5におけるスナバコンデンサC2の電圧Vc、第1スイッチング素子S1にかかる電圧Ve、第1スイッチング素子S1を流れる電流Ieの関係を例示した図である。上記スイッチング動作が行われると、モード2において電荷が抜かれて低電圧状態となっているスナバコンデンサC2に電荷がチャージされ、これにより、スナバコンデンサC2の電圧VcはFCソフトスイッチングコンバータ150のコンバータ出力電圧VHに向かって上昇する。このとき、第1スイッチング素子S1にかかる電圧Veの上昇速度は、スナバコンデンサC2への充電により抑制され(すなわち、電圧の立ち上がりが鈍化され)、ターンオフ時(図13に示すα参照)のスイッチング損失を低減するZVS動作をすることが可能となる。
(Mode 5; see FIG. 11)
When desired energy is stored in the coil L1 in step S104, the first switching element S12 is turned off, and a current flows through a path indicated by an arrow Dm51 in FIG. Here, FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship among the voltage Vc of the snubber capacitor C2, the voltage Ve applied to the first switching element S1, and the current Ie flowing through the first switching element S1 in mode 5. When the above switching operation is performed, the charge is removed from the snubber capacitor C2, which is in a low voltage state in
(モード6;図12参照)
スナバコンデンサC2が電圧VHまで充電されると、コイルL1に蓄えられたエネルギが負荷130側に解放される(図12に示す矢印Dm61参照)。ここで、第1スイッチング素子S1のターンオフ時間Ts2は、下記式(9)によって近似的に表される。
When the snubber capacitor C2 is charged to the voltage VH, the energy stored in the coil L1 is released to the
以上説明したソフトスイッチング処理を行うことでFCソフトスイッチングコンバータ150のスイッチング損失を可及的に抑制した上で、燃料電池110の出力電圧を所望の電圧に上昇し、負荷130に供給することが可能となる。
By performing the soft switching process described above, the switching loss of the FC soft switching converter 150 can be suppressed as much as possible, and the output voltage of the
A−3.燃料電池の冷却制御動作
図15は、コントローラ160によって実行される冷却制御処理を示すフローチャートである。
コンローラ160は、まず、負荷130の要求電力、各種センサ(アクセル開度センサなど)から受信したセンサ信号に基づき、FCソフトスイッチングコンバータ250のスイッチング制御モードの切換タイミングが到来したか否かを判断する(ステップS1)。コントローラ160は、スイッチング制御モードの切換タイミングが到来していないと判断すると(ステップS1;NO)、以下に示すステップを実行することなく、処理を終了する。
A-3. Fuel Cell Cooling Control Operation FIG. 15 is a flowchart showing a cooling control process executed by the
The
一方、コントローラ160は、スイッチング制御モードの切換タイミングが到来したと判断すると(ステップS1;YES)、冷却制御テーブルTA1を参照し、該テーブルTA1に登録されているいずれかの切換タイミングであるか否かを判断する(ステップS2)。具体的には、コントローラ160は、非スイッチング制御モード(Non-Switch)からハードスイッチング制御モード(Hard-Switch)への切り換え、非スイッチング制御モード(Non-Switch)からソフトスイッチング制御モード(Soft-Switch)への切り換え、ハードスイッチング制御モード(Hard-Switch)からソフトスイッチング制御モード(Soft-Switch)への切り換えであるか否かを判断する。コントローラ160は、冷却制御テーブルTA1に登録されているいずれの切換タイミングでもない(例えばソフトスイッチング制御モードからハードスイッチング制御モードへの切換タイミングなど)と判断すると(ステップS2;NO)、以下に示す処理を実行することなく処理を終了する。
On the other hand, when the
一方、コントローラ160は、冷却制御テーブルTA1に登録されているいずれかの切換タイミングであると判断すると(ステップS2;YES)、ステップS3に進み、非スイッチング制御モードからハードスイッチング制御モードへの切換タイミングであるか否かを判断する(ステップS3)。コントローラ160は、非スイッチング制御モードからハードスイッチング制御モードへの切換タイミングであると判断すると(ステップS3;YES)、三方弁250の弁開度を弁開度O01=現開度(非スイッチング制御モードにおける現時点の弁開度)+5%に設定し(ステップS4)、冷媒の冷却流量をF0からF1(>F0)に増やすことで冷却機構200の冷却性能を高めた後、処理を終了する。
On the other hand, when
一方、コントローラ160は、非スイッチング制御モードからハードスイッチング制御モードへの切換タイミングでないと判断すると(ステップS3;NO)、ステップS5に進み、非スイッチング制御モードからソフトスイッチング制御モードへの切換タイミングであるか否かを判断する。コントローラ160は、非スイッチング制御モードからソフトスイッチング制御モードへの切換タイミングであると判断すると(ステップS5;YES)、三方弁250の弁開度を弁開度O02=現開度(非スイッチング制御モードにおける現時点の弁開度)+10%に設定することで(ステップS6)、冷媒の冷却流量をF0からF2(>F1)に増やし、処理を終了する。前述したように、非スイッチング制御モードからソフトスイッチング制御モードに切り換える場合の冷媒の冷却流量F2が、非スイッチング制御モードからハードスイッチング制御モードに切り換える場合の冷媒の冷却流量F1よりも大きいのは、ソフトスイッチング制御モード時のリップル成分が、ハードスイッチング制御モード時のリップル成分よりも大きく、より過熱されやすいからである。
On the other hand, if the
一方、コントローラ160は、非スイッチング制御モードからハードスイッチング制御モードへの切換タイミングでなく(ステップS3;NO)、非スイッチング制御モードからソフトスイッチング制御モードへの切換タイミングでもない場合には(ステップS5;NO)、ハードスイッチング制御モードからソフトスイッチング制御モードへの切換タイミングであると判断し、三方弁250の弁開度を弁開度O03=現開度(ハードスイッチング制御モードにおける現時点での弁開度)+5%に設定し(ステップS7)、冷媒の冷却流量をF1からF2に増やすことで冷却機構200の冷却性能を高めた後、処理を終了する。
On the other hand, the
以上説明したように、本実施形態によれば、FCスイッチングコンバータのスイッチング制御モードの切り換えに応じて冷却機構200の冷却性能を上げることで、燃料電池の異常過熱の発生を未然に抑制することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to suppress the occurrence of abnormal overheating of the fuel cell by increasing the cooling performance of the
B.変形例
<変形例1>
図16は、変形例1に係る冷却制御テーブルTA2であり、スイッチング制御モードと、三方弁250の弁開度と、ラジエータ260側に送る冷媒の流量(すなわち、冷媒の冷却流量)の関係を例示した図である。
図16に示すように、燃料電池110の電流実行値(別言すれば、FC電流のリップル成分)が増大するにつれ、冷媒の冷却流量が増大するように三方弁250の弁開度が設定される。具体的には、FC電流のリップル成分が一番ちいさな非スイッチング制御モード(Non-Switch)に設定された場合には、三方弁250の弁開度は弁開度O11に設定され、これにより冷媒の冷却流量はF11となる。一方、非スイッチング制御モードよりもFC電流のリップル成分が大きなハードスイッチング制御モード(Hard-Switch)に設定された場合には、三方弁250の弁開度は弁開度O12(>O12)に設定され、これにより冷媒の冷却流量はF12(>F11)となる。さらに、ハードスイッチング制御モードよりもFC電流のリップル成分が大きなソフトスイッチング制御モード(Soft-Switch)に設定された場合には、三方弁250の弁開度は弁開度O13(>O12)に設定され、これにより冷媒の冷却流量はF13(>F12)となる。
B. Modification <
FIG. 16 is a cooling control table TA2 according to the first modification, and illustrates the relationship among the switching control mode, the valve opening degree of the three-
As shown in FIG. 16, the valve opening degree of the three-
かかる冷却制御テーブルTA2を用いる場合には、図17に示す冷却制御処理が行われる。なお、図17に示すステップのうち、図15に対応するステップには同一符号を付し、説明を割愛する。
コンローラ160は、まず、負荷130の要求電力、各種センサ(アクセル開度センサなど)から受信したセンサ信号に基づき、FCソフトスイッチングコンバータ250のスイッチング制御モードの切換タイミングが到来したか否かを判断する(ステップS1)。コントローラ160は、スイッチング制御モードの切換タイミングが到来していないと判断すると(ステップS1;NO)、以下に示すステップを実行することなく、処理を終了する。
When such a cooling control table TA2 is used, the cooling control process shown in FIG. 17 is performed. Of the steps shown in FIG. 17, steps corresponding to FIG. 15 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
The
一方、コントローラ160は、スイッチング制御モードの切換タイミングが到来したと判断すると(ステップS1;YES)、上記要求電力や各センサ信号に基づいて、いずれのスイッチング制御モードに切り換えるべきかを判断する。コントローラ160は、非スイッチング制御モードへ切り換えるべきと判断すると(例えばハードスイッチング制御モード→非スイッチング制御モード)、冷却制御テーブルTA2を参照し、三方弁250の弁開度を弁開度O11に設定することで、冷媒の冷却流量はF11に調整し(ステップS2a)、処理を終了する。
On the other hand, when determining that the switching timing of the switching control mode has arrived (step S1; YES), the
また、コントローラ160は、ハードスイッチング制御モードへ切り換えるべきと判断すると(例えばソフトスイッチング制御モード→ハードスイッチング制御モード)、冷却制御テーブルTA2を参照し、三方弁250の弁開度を弁開度O12に設定することで、冷媒の冷却流量はF12に調整し(ステップS3a)、処理を終了する。
When the
さらに、コントローラ160は、ソフトスイッチング非スイッチング制御モードへ切り換えるべきと判断すると(例えばハードスイッチング制御モード→ソフトスイッチング制御モード)、冷却制御テーブルTA2を参照し、三方弁250の弁開度を弁開度O13に設定することで、冷媒の冷却流量はF13に調整し(ステップS4a)、処理を終了する。
Further, when the
以上説明したように、冷却制御テーブルTA1の代わりに冷却制御テーブルTA2を用いて冷却機構200の冷却性能をコントロールし、燃料電池の異常過熱の発生を未然に抑制しても良い。
As described above, the cooling performance of the
<変形例2>
上述した本実施形態および変形例1では、ソフトスイッチコンバータが搭載されたFCHVシステムを想定して説明を行ったが、これに限られる趣旨ではない。具体的には、ソフトスイッチング機能を備えていない一般的なコンバータ(すなわちハードスイッチング型のコンバータ)にも適用可能である。ハードスイッチング型のコンバータに適用する場合には、非スイッチング制御モードとハードスイッチング制御モードの間で、スイッチング制御モードの切り換えを行う場合に適用することができる。かかる場合であっても、冷却機構200の冷却性能をコントロールすることで燃料電池110の異常過熱の発生等を未然に防止することが可能となる。なお、具体的なスイッチング制御の切換動作については、本実施形態やおよび変形例1にて説明したため、これ以上の説明は割愛する。
<
In the above-described embodiment and
100,300…FCHVシステム、110…燃料電池、120…バッテリ、130…負荷、140…インバータ、2500…FCコンバータ、160…コントローラ、170…センサ群、180…バッテリコンバータ、250…FCソフトスイッチングコンバータ、400…ゲート電圧制御回路、410…電源、420…ターンオン制御部、430…ターンオフ制御部、440…ドライブ回路、22a…主昇圧回路、22b…補助回路、22c…フリーホイール回路、S1,S2…スイッチング素子、C3…平滑コンデンサ、C2…スナバコンデンサ、L1,L2,…コイル、D1,D2,D3,D4,D5…ダイオード、D6…フリーホイールダイオード、TA1,TA2…冷却制御テーブル。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,300 ... FCHV system, 110 ... Fuel cell, 120 ... Battery, 130 ... Load, 140 ... Inverter, 2500 ... FC converter, 160 ... Controller, 170 ... Sensor group, 180 ... Battery converter, 250 ... FC soft switching converter, 400 ... Gate voltage control circuit 410 ... Power supply 420 ... Turn on control unit 430 ... Turn off control unit 440 ... Drive
Claims (7)
前記燃料電池を冷却する冷却機構と、
前記燃料電池の出力電圧を制御する主スイッチを備え、平滑化コンデンサを入力側に有しないDC/DCコンバータとを備えた燃料電池システムであって、
前記DC/DCコンバータについて、前記主スイッチを常時オフとする非スイッチング制御モードと、負荷の要求に応じて前記主スイッチをオン、オフするハードスイッチング制御モードとの間で切換を行う切換制御手段と、
前記DC/DCコンバータがハードスイッチング制御モードに設定されている場合には、該DC/DCコンバータが非スイッチング制御モードに設定されている場合よりも、前記冷却機構の冷却性能を高めた状態で前記燃料電池を冷却する冷却制御手段と
を具備する燃料電池システム。 A fuel cell;
A cooling mechanism for cooling the fuel cell;
A fuel cell system comprising a main switch for controlling the output voltage of the fuel cell and a DC / DC converter having no smoothing capacitor on the input side ,
Switching control means for switching between a non-switching control mode in which the main switch is always turned off and a hard switching control mode in which the main switch is turned on and off in response to a load request for the DC / DC converter; ,
When the DC / DC converter is set in the hard switching control mode, the cooling performance of the cooling mechanism is increased in a state where the cooling performance of the cooling mechanism is improved as compared with the case where the DC / DC converter is set in the non-switching control mode. A fuel cell system comprising: cooling control means for cooling the fuel cell.
前記冷媒を冷却するためのラジエータと、
前記燃料電池から前記ラジエータを介して前記冷媒を循環させるための循環流路と、
前記燃料電池から前記ラジエータをバイパスするためのバイパス流路と、
前記循環路と前記バイパス流路の接続点に設けられ、前記ラジエータ側に送る前記冷媒の流量と、前記バイパス流路側に送る前記冷媒の流量とを制御する弁とを備え、
前記冷却制御手段は、
前記DC/DCコンバータがハードスイッチング制御モードに設定されている場合には、該DC/DCコンバータが非スイッチング制御モードに設定されている場合よりも、前記ラジエータ側に送る前記冷媒の流量が大きくなるように前記弁の開度を調整する、請求項1に記載の燃料電池システム。 The cooling mechanism is
A radiator for cooling the refrigerant;
A circulation channel for circulating the refrigerant from the fuel cell via the radiator;
A bypass flow path for bypassing the radiator from the fuel cell;
A valve that is provided at a connection point between the circulation path and the bypass flow path, and that controls a flow rate of the refrigerant sent to the radiator side and a flow rate of the refrigerant sent to the bypass flow path side;
The cooling control means includes
When the DC / DC converter is set to the hard switching control mode, the flow rate of the refrigerant sent to the radiator side is larger than when the DC / DC converter is set to the non-switching control mode. The fuel cell system according to claim 1, wherein the opening degree of the valve is adjusted as follows.
前記燃料電池を冷却する冷却機構と、
前記燃料電池の出力電圧を制御する、主昇圧回路と補助回路とを有し、平滑化コンデンサを入力側に有しないソフトスイッチングコンバータとを備えた燃料電池システムであって、
前記ソフトスイッチングコンバータについて、前記主昇圧回路を構成する主スイッチおよび前記補助回路を構成する補助スイッチを常時オフとする非スイッチング制御モードと、前記補助スイッチを常時オフとする一方、負荷の要求に応じて前記主スイッチをオン、オフするハードスイッチング制御モードと、前記負荷の要求に応じて前記補助スイッチおよび前記主スイッチをオン、オフするソフトスイッチング制御モードとの間で切換を行う切換制御手段と、
前記ソフトスイッチングコンバータがソフトスイッチング制御モードに設定されている場合には、該ソフトスイッチングコンバータが非スイッチング制御モード、またはハードスイッチング制御モードに設定されている場合よりも、前記冷却機構の冷却性能を高めた状態で、前記燃料電池を冷却する冷却制御手段と
を具備する燃料電池システム。 A fuel cell;
A cooling mechanism for cooling the fuel cell;
A fuel cell system including a main boosting circuit and an auxiliary circuit for controlling the output voltage of the fuel cell, and a soft switching converter having no smoothing capacitor on the input side ,
For the soft switching converter, a non-switching control mode in which the main switch that constitutes the main booster circuit and the auxiliary switch that constitutes the auxiliary circuit are always turned off, and the auxiliary switch is always turned off, while responding to load demands. Switching control means for switching between a hard switching control mode for turning on and off the main switch and a soft switching control mode for turning on and off the auxiliary switch and the main switch according to the demand of the load;
When the soft switching converter is set to the soft switching control mode, the cooling performance of the cooling mechanism is improved compared to the case where the soft switching converter is set to the non-switching control mode or the hard switching control mode. And a cooling control means for cooling the fuel cell in a state where
前記非スイッチング制御モード、前記ハードスイッチング制御モード、前記ソフトスイッチング制御モードの順番で、前記冷却機構の冷却性能を高く設定する、請求項3に記載の燃料電池システム。 The cooling control means includes
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the cooling performance of the cooling mechanism is set higher in the order of the non-switching control mode, the hard switching control mode, and the soft switching control mode.
前記冷媒を冷却するためのラジエータと、
前記燃料電池から前記ラジエータを介して前記冷媒を循環させるための循環流路と、
前記燃料電池から前記ラジエータをバイパスするためのバイパス流路と、
前記循環路と前記バイパス流路の接続点に設けられ、前記ラジエータ側に送る前記冷媒の流量と、前記バイパス流路側に送る前記冷媒の流量とを制御する弁とを備え、
前記冷却制御手段は、
前記ソフトスイッチングコンバータがソフトスイッチング制御モードに設定されている場合には、該ソフトスイッチングコンバータが非スイッチング制御モード、またはハードスイッチング制御モードに設定されている場合よりも、前記ラジエータ側に送る前記冷媒の流量が大きくなるように前記弁の開度を調整する、請求項3に記載の燃料電池システム。 The cooling mechanism is
A radiator for cooling the refrigerant;
A circulation channel for circulating the refrigerant from the fuel cell via the radiator;
A bypass flow path for bypassing the radiator from the fuel cell;
A valve that is provided at a connection point between the circulation path and the bypass flow path, and that controls a flow rate of the refrigerant sent to the radiator side and a flow rate of the refrigerant sent to the bypass flow path side;
The cooling control means includes
When the soft switching converter is set to the soft switching control mode, the refrigerant to be sent to the radiator side than when the soft switching converter is set to the non-switching control mode or the hard switching control mode. The fuel cell system according to claim 3, wherein the opening degree of the valve is adjusted so that the flow rate is increased.
前記非スイッチング制御モード、前記ハードスイッチング制御モード、前記ソフトスイッチング制御モードの順番で、前記ラジエータ側に送る前記冷媒の流量が大きくなるように前記弁の開度を調整する、請求項5に記載の燃料電池システム。 The cooling control means includes
The opening degree of the valve is adjusted so that the flow rate of the refrigerant sent to the radiator increases in the order of the non-switching control mode, the hard switching control mode, and the soft switching control mode. Fuel cell system.
一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、
一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う主スイッチと、
カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードとを有し、
前記補助回路は、
前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記主コイルの他端と前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、第二ダイオードとスナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、
前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、第三ダイオードと補助コイルと前記補助スイッチとを含む第二直列接続体とを有する、請求項3〜6のいずれか1の請求項に記載の燃料電池システム。 The main booster circuit
A main coil having one end connected to a terminal on the high potential side of the fuel cell;
A main switch for switching, with one end connected to the other end of the main coil and the other end connected to a terminal on the low potential side of the fuel cell;
A cathode having a cathode connected to the other end of the main coil;
The auxiliary circuit is
A first series connection including a second diode and a snubber capacitor connected in parallel to the main switch and connected to the other end of the main coil and a terminal on the low potential side of the fuel cell;
A second series connection body including a third diode, an auxiliary coil, and the auxiliary switch connected between a connection portion of the second diode and the snubber capacitor and one end of the main coil. The fuel cell system according to any one of claims 3 to 6.
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