JP3741313B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの電圧監視方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池ユニットを有する燃料電池システム、および燃料電池ユニットを有する燃料電池システムを電圧監視する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１は、個々の燃料電池を低インピーダンス並列回路の形でブリッジできる燃料電池ユニット用の回路デバイスを開示している。さらに、このような回路構成を動作させる方法が開示され、燃料電池は、それらの電圧の大きさが特定しきい値より低いとき、またはそれらの電圧の数学的符号が通常動作中のものから変化したとき、あるいは全燃料電池システムが放電するときにブリッジされる。
【０００３】
燃料電池ユニット内の１つ以上の電池を監視する方法は、特許文献２から公知である。監視された電圧を、負荷、電気構成要素に応じて、第１および第２の事前選択された電圧値と比較する、ここで第２の事前選択された電圧値は第１の事前選択値よりも小さい。事前選択された電圧値の１つがアンダーシュートである場合、または低電圧イベントを検出した場合、調節活動を開始する。調節活動が開始すると、外部負荷を低減するか、または外部負荷への電力供給を終了させる。
【０００４】
通常動作中、燃料電池ユニットは、純然たる発電器であり、電力負荷ではない。但し、電流方向が、例えば不良動作が原因で、燃料電池ユニットに流入する電流に変わった場合、これは、燃料電池ユニットの損傷、または極端な場合には破壊につながる。このような不良動作は、例えば、燃料電池ユニットの無負荷電圧よりも大きい電圧が燃料電池ユニットの出力部に加わるときに起こる。
【０００５】
無負荷電圧は一般に、全燃料電池システムが無負荷モードにあるとき燃料電池ユニットにある電圧として定義される。無負荷モードは、燃料電池システムが、いかなる電流も流さない状況にあるように定義される。燃料電池システムを電動自動車に使用する場合、複合エネルギー貯蔵器として、ゆえに燃料電池システムに加えて第２の電源ユニットとして通常使用できる自動車を駆動させるための電気モータもエネルギー貯蔵器も、無負荷モードであるときには燃料電池ユニットからいかなる電流も供給されない。ゆえに、実施例では、無負荷モードでは、自動車用電気モータは、機械的駆動力が代わりにバッテリから供給されない限り自動車の車輪に機械的駆動力を発生しない。
【０００６】
【特許文献１】
独国特許発明第１９８ ２７ ８８０ Ｃ１号明細書
【０００７】
【特許文献２】
独国特許出願公開第１００ ５５ ２９１ Ａ１号明細書
【０００８】
【非特許文献１】
“Ｒｅｇｅｌｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ”（制御工学）、Ｏｔｔｏ Ｆｏｅｌｌｉｎｇｅｒ、７ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ、Ｈｕｅｔｈｉｇ Ｖｅｒｌａｇ
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池ユニットの不良動作や損傷を回避するために、燃料電池ユニットに連結され、発電モードで作動される、つまり、発電および／または電力を発生できる電気構成要素から燃料電池ユニットに確実に電流が流入しないようにすることが不可欠となる。これは通常、燃料電池ユニットを対応する電気構成要素に接続するケーブル内にダイオードを配置することで確保される。
【００１０】
本発明の目的の１つは、燃料電池システムの燃料電池ユニットの信頼性および有用性を維持する改良燃料電池システム、および本発明による燃料電池システムを作動させる方法を提供することである。
【００１１】
本発明に従って、この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃料電池システムは、冗長構造の電圧監視ユニットを有し、少なくとも２つの電圧監視ユニットを収容する。冗長電圧監視システムの利点は、故障に対するその耐久性にある。電圧監視ユニットの１つが正確に動作しなかった場合、他の電圧監視ユニットを利用することが可能である。他の利点は、電圧監視ユニットそれら自体が電圧値、具体的には測定値および／または推定値を連続して比較することによって互いの不良挙動を診断することである。
【００１３】
さらに、通常では、いかなる電流も燃料電池ユニットに流入するのを防ぐために、燃料電池ユニットを対応する電気構成要素に接続するケーブル内に提供されるような、ダイオードが不要となる。プリチャージング装置、冷却およびハウジングを通常では有する、このようなダイオードは数キログラムの重量となるので、比較的かなりの重量が節約されることになる。
【００１４】
さらに、この節約によって空間が得られることになる。さらに、本発明の有利な改良例では、従属請求項および図を参照して以下で説明する典型的実施形態に見出だすことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、燃料電池ユニット１を有する燃料電池システムを示し、電気構成要素３は、燃料電池ユニット１の、出力部にケーブル２を介して接続している。ケーブル２の１本は、通常高電位にあるが、ケーブル２の他方の１本は、その高電位よりも低い電位にある。ケーブル２は、高電圧または中間電圧用ケーブルであるのが好ましい。燃料電池ユニット１は、１つ以上の直列接続した燃料電池から成る。ケーブル２が接続されるタップすなわち出力部（詳細に示さず）は、個々の電池間に、あるいは第１の電池の入力部と最後の電池の出力部に設けられても良い。つまり、電圧は、直列接続された全て、および／または並列接続された全ての燃料電池にわたり取り出される。
【００１６】
電気構成要素３は、高電圧または中間電圧で作動されるのが好ましい。通常に使用される用語では、燃料電池ユニット１が供給する電圧は、高電圧または中間電圧と称される。電気構成要素３は、例えば、電気コンバータ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、好ましくはコンバータを介して接続される、例えば、自動車用の電気モータである。
【００１７】
ケーブル２を介して高電圧または中間電圧網に給電することもできる電気構成要素３は、冗長構成の電圧監視システム４を有する。電圧監視システム４は、第１の電圧監視ユニット（詳細に示さず）と、第２の電圧監視ユニット（詳細に示さず）とを有し、第１および／または第２の電圧監視ユニットは、コンバータおよび測定電子装置および／またはセンサを有する。
【００１８】
第１の電圧監視ユニット（詳細に示さず）は、ケーブル２にケーブル６を介して接続し、電気構成要素３と並列に接続する第１および第２の測定電子装置５を有する。さらに、第１および第２のＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１３、ＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１１、およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０を、ケーブル（詳細に示さず）を介して測定電子装置５に給電するために提供することが好ましい。第１のＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１３を第１の測定電子装置５と関連付け、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１３を第２の測定電子装置５と関連付ける。
【００１９】
測定電子装置５および第１の電圧監視ユニットは、よって冗長構成を有する。第１の測定電子装置デバイス５が故障した場合、第２の測定電子装置５からの電圧値を電圧監視用に使用できる。
【００２０】
所定の電圧値は、電圧監視だけでなく、電気構成要素３の任意の調節／コントロールに使用されても良い。測定電子装置５が電圧値を測定するための任意の好適なセンサも備えていない場合、あるいは適切な測定電子装置が提供されていない場合、電圧値は、いわゆる観測器による他の状態変数から決定または推定される。電圧値は、ゆえに測定（測定値）および／または推定（推定値）によって決定される。
【００２１】
ＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１４およびＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１５は、第２の電圧監視ユニット（詳細に示さず）に提供されるのが好ましい。この第２の電圧監視ユニットは、第１の電圧監視ユニットの、単一構成要素または非冗長構成要素の保守性を監視するため、具体的にはＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１１の動作を監視するために使用される。ＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１５および／またはＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１４は、ケーブル２の電圧を決定し、電圧信号を生成し、この電圧信号をケーブル１６を介してコントロールおよび／または評価ユニット１７に伝送するための手段を含む。この電圧信号の形状または値は、ケーブル２の電圧に依存し、電圧が印加されないと０ボルトであり、電圧が回路、すなわちケーブル２に印加されると０ボルトよりも高い値を想定することが好ましい。この電圧信号は、以下の説明ではＨＶ活動信号（電圧アクティブ）と称される。
【００２２】
使用者、保守、点検および保守業者の安全性を確保するために、燃料電池システムの高電圧または中間電圧範囲や、低電圧範囲からのＤＣ絶縁１２を提供する。点線８は、このＤＣ絶縁を表す。ＤＣ絶縁１２は、変圧器で提供されるのが好ましい。ＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１４は、ＤＣ絶縁を有するケーブルを介してＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１５（詳細に示さず）に接続される。対応して、ＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１３は、ＤＣ絶縁を有するケーブル（詳細に示さず）を介してＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１１に接続される。第１および第２のＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１３は、互いに並列に接続される。
【００２３】
測定電子装置５は、ＤＣ絶縁用の関連手段を有するのが好ましく、好ましくは光結合素子（ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒ）７、または測定電子装置５は、ケーブル（詳細に示さず）を介して光結合素子またはＤＣ絶縁用の手段７に接続する。ＤＣ絶縁用の手段は、一般簡略化するため、本明細書では以下、光結合素子７と称される。測定電子装置５によって決定された電圧値は、光結合素子７を介して、およびケーブル（詳細に示さず）を介してコントロールおよび／または評価ユニット１７に伝送される。コントロールおよび／または評価ユニット１７は、測定電子装置５から、または光結合素子７から伝送されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタルコンバータ（図示せず）を包含しても良い。コントロールおよび／または評価ユニット１７は、調節および／または評価アルゴリズムのようなアルゴリズムを内部に記憶し、電圧値を対応する事前選択された限度値、好ましくは燃料電池ユニット１の無負荷電圧と比較し、これらの限度値を超えるときを検出する手段、具体的には記憶モジュールを包含する。コントロールおよび／または評価ユニット１７は、調節および／またはコントロール信号を伝送するために使用されても良いケーブル２０を介して電気構成要素３に接続するのが好ましい。
【００２４】
ＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１１、その下流に接続された構成要素１３、５、７、およびコントロールおよび／または評価ユニット１７には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０から、適切な電圧、好ましくは５ボルトが供給されるのが好ましい。不活動燃料電池ユニット１の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０それ自体には、低電圧回路１９から電圧および／または電流が供給され、さらなる電流または電圧源、具体的にはエネルギー貯蔵器を包含する。本発明による燃料電池システムが自動車で使用される場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の電圧または電流供給源は、好ましくは自動車電源システムで生成されても良い。稼動中の燃料電池ユニット１の場合、電流または電圧源は、ＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１４、その下流に接続されるＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１５、およびケーブル１８を介して１５ボルトの電圧レベルで提供されるのが好ましい。燃料電池ユニット１のスイッチが一度切断されると、ケーブル２に接続されるであろう静電容量は、ＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１４、ＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１５、ケーブル（図示せず）、およびコントロールおよび／または評価ユニット１７、および／またはコンバータ１５に接続される他のコントロールおよび／または評価ユニット（図示せず）用の内部電圧源を介してこの経路で放電する。放電プロセスは、５０ボルト未満で、６０秒以内行うことが好ましい。
【００２５】
電気構成要素３に印加される電圧は、第１の電圧値および第２の冗長的に測定される電圧値が生成されるように、監視される。電圧値はまた、本明細書では以下、実測値と称される。本発明による燃料電池システムでは、第１の実測値は第１の測定電子装置５によって決定され、第２の実測値は第２の測定電子装置５によって決定される。加えて、ＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１４、および／またはＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１５は電圧信号を生成し、いわゆるＨＶ活動信号は、電位差がケーブル２に存在するとき、ケーブル１６を介してコントロールおよび／または評価ユニット１７に伝送される。ＨＶ活動信号を決定すると、非冗長ＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１１の動作をチェックすることが可能となる。測定電子装置５が提供されない場合、または電圧センサを節約しようとする場合、実測値が観測器、例えばいわゆるルーエンバーガー観測器（非特許文献１を参照のこと。）を用いて決定されても良い。この場合、電圧値は、燃料電池システムの他の有効状態変数から決定または推定（推定値）される。
【００２６】
第１の実測値は第１の事前選択された限度値と比較され、および／または第２の実測値は第２の事前選択された限度値と比較される。限度値は、燃料電池ユニット１の無負荷電圧に相当するのが好ましいが、異なる方法で事前選択されても良い。第１および第２の電圧値は、両方が測定値、両方が推定値、または電圧値の２つのうち一方が推定値で、他方が測定値であっても良い。
【００２７】
例えば、電気負荷３が、最大４２５ボルト＋／−２％までの通常動作またはコントロール範囲のＤＣ／ＤＣコンバータである場合、および燃料電池ユニット１への損傷を避けるために、その照準が４５０ボルト以下でケーブル２上の燃料電池ユニット１に存在させることである場合、および最大電力レベルが発せられ、負荷制限が突然行われるとき、ＤＣ／ＤＣコンバータが５ボルトの最大電圧オーバーシュートを有する場合、第１の電圧値の第１の限度値（上限値）は好ましくは４２５ボルト＋／−２％であり、第２の電圧値の第２の限度値（上限値）は好ましくは４４０ボルト＋／−１％である。
【００２８】
第１の電圧値が第１の限度値を超える場合、故障信号が生成され、および／または電気構成要素３のスイッチが切断される。故障信号および／またはスイッチ切断プロセスは、コントロールおよび／または評価ユニット１７によって開始されるのが好ましい。電気構成要素３のスイッチを切断されるために、コントロールおよび／または評価ユニット１７は、適切なコントロール信号を、好ましくはケーブル２０を介して電気構成要素３に伝送する。
【００２９】
第２の電圧値が第２の限度値を超える場合、故障信号が生成され、および／または電気構成要素３のスイッチが切断される。電気構成要素３のスイッチを切断するために、コントロールおよび／または評価ユニット１７は、適切なコントロール信号をケーブル２０を介して電気構成要素３に伝送する。
【００３０】
測定電子装置５は、それぞれがＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１３、好ましくは光結合素子７を有する冗長構造を有する。ＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１３、その下流に接続された測定電子装置５、およびその下流に接続された構成要素７、例えば測定電子装置５を具備する第１の測定群内で１つの構成要素が故障した場合、同様に形成される第２の測定群によって決定される電圧値が電圧監視のために使用され、逆もまた同じである。構成要素の故障は、第１の測定電子装置５によって決定された、第１の電圧値を、第２の測定電子装置５によって決定された、第２の電圧値と比較し、好ましくはコントロールおよび／または評価ユニット１７によって決定されるのが好ましい。
【００３１】
正確な電圧測定を行うために、第１の電圧値は、第１の電圧値に対して冗長的に測定される第２の電圧値と、好ましくは連続して、または実質的に連続して比較され、比較値が形成される。この比較値の大きさが第３の事前設定された限度値を超える場合、第１の測定群の少なくとも１つの構成要素５、７、１３、または第２の測定群の少なくとも１つの構成要素が故障していると認めることができる。
【００３２】
加えて、ＨＶ活動信号は、電圧がケーブルまたは回路２に印加されるとＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１４によって、および／またはＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１５によって生成され、このＨＶ活動信号は、ケーブル１６を介してコントロールおよび／または評価ユニット１７に伝送される。ＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１１が、障害または誤動作のために故障しており、その結果、測定電子装置５およびＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）１３に給電されない場合、第１および第２の電圧値は、特に０Ｖが２つの測定電子装置デバイス５によって全く感知されないか、誤って感知される。コントロールおよび／または評価ユニット１７は、決定されなかった、または誤って決定された電圧値を、ＨＶ活動信号と比較することによってＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）１１の故障、および／または構成要素５、７、１３を具備するそれぞれの測定群の故障を確認する。コントロールおよび／または評価ユニット１７が第１の電圧監視ユニットの故障を確認する場合、故障信号を生成し、および／または電気構成要素３のスイッチを切断する。電気構成要素３のスイッチを切断するために、コントロールおよび／または評価ユニット１７は、適切なコントロール信号を、好ましくはケーブル２０を介して、電気構成要素３に伝送する。
【００３３】
電圧値の互いに対する、および対応する限度値との比較、およびＨＶ活動信号の評価および比較は、コントロールおよび／または評価ユニット１７内、または他のコントロールおよび／または評価ユニット内に記憶されるソフトウエアによるアルゴリズムの形状で便宜上実行される。これらの比較や評価は、但し、適切な電子回路の形状にあるハードウエアで実行されても良い。
【００３４】
本発明による燃料電池システムおよび本発明による方法は、自動車の駆動輪用の電気モータに給電する燃料電池システムを有する自動車で使用されるのが好ましい。電気モータは、制動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、例えば自動車電源システムに給電するための発電機として利用されても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電圧監視システムの概略回路を備えた本発明による燃料電池システムの概略図。
【符号の説明】
１ 燃料電池ユニット
２ ケーブル
３ 電気構成要素
４ 電圧監視システム
５ 測定電子装置
６ ケーブル
７ 光結合素子
８ 点線
１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ ＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）
１２ ＤＣ絶縁
１３ ＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）
１４ ＤＣ／ＡＣコンバータ（またはインバータ）
１５ ＡＣ／ＤＣコンバータ（または整流器）
１６ ケーブル
１７ コントロールおよび／または評価ユニット
１８ ケーブル
１９ 低電圧回路
２０ ケーブル

Claims (11)

1. ケーブルを介して電気構成要素に接続された燃料電池ユニットを有する燃料電池システムの電圧監視方法であって、
   第１の電圧値および前記第１の電圧値に対して冗長的に測定される第２の電圧値は、前記電気構成要素に印加される電圧を測定して作成され、
   前記第１の電圧値が第１の上限値と比較され、
   前記第２の電圧値が第２の上限値と比較され、
   前記第１の電圧値は前記第２の電圧値と比較されて比較値が形成され、
   前記第 1 の電圧値が前記第１の上限値を超えた場合、または、前記第２の電圧値が前記第２の上限値を超えた場合、前記電気構成要素のスイッチが切断され、
   前記比較値が第３の上限値を超えた場合、前記電気構成要素のスイッチが切断されるか、または、故障信号が生成されることを特徴とする電圧監視方法。
2. 前記第１または前記第２の上限値は前記燃料電池ユニットの無負荷電圧に等しいことを特徴とする請求項１に記載の電圧監視方法。
3. 前記第２の上限値は前記第１の上限値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の電圧監視方法。
4. 前記第１と第２の電圧値とは別のユニットにより測定されるものであって、前記ケーブルに電圧差が存在するときに電圧信号が生成され、該電圧信号は、前記第１または前記第２の電圧値と比較されることにより、前記第１および第２の測定装置の故障の有無を確認することを特徴とする請求項１に記載の電圧監視方法。
5. 前記電圧信号は、前記ケーブルに電圧が印加されないときは０ボルトであり、印加されるときは０ボルトよりも高い値を示すことを特徴とする請求項４に記載の電圧監視方法。
6. 燃料電池ユニットを有する燃料電池システムであって、電気構成要素がケーブルを介して前記燃料電池ユニットの出力部に接続され、前記電気構成要素が冗長構成の電圧監視システムを有する燃料電池システムの電圧監視装置において、
   前記電圧監視システムは第１および第２の電圧監視ユニットを有し、
   前記第１の電圧監視ユニットは、前記ケーブルの電圧値を測定するための第１および第２の測定電子装置を有し、
   前記第２の電圧監視ユニットは、前記ケーブルに電圧差が存在するとき電圧信号を生成する手段を有し、
   前記第１及び第２の電圧監視ユニットからの信号を評価し、それに基づいて前記電気構成要素のスイッチを切断する評価ユニットを有することを特徴とする燃料電池システムの電圧監視装置。
7. 前記評価ユニットは、前記第１及び第２の測定電子装置の出力を比較することによって、前記第１または第２の電圧監視ユニットに故障が生じていることを検出することを特徴とする請求項６に記載の電圧監視装置。
8. 前記評価ユニットは、前記第１及び第２の電圧監視ユニットの出力を用いて、前記第１の電圧監視ユニットに故障が生じていることを検出することを特徴とする請求項６に記載の電圧監視装置。
9. 前記第２の電圧監視ユニットは、インバータとコンバータを有し、これら２つの機器の間はＤＣ絶縁がされていることを特徴とする請求項８に記載の電圧監視装置。
10. 前記測定電子装置は評価ユニットに接続されることを特徴とする請求項９に記載の電圧監視装置。
11. 前記電気構成要素は、コンバータを介して接続される電気モータであることを特徴とする請求項１０に記載の電圧監視装置。

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