JP4616247B2 - Power converter architecture and method for integrated fuel cell based power supply - Google Patents

Power converter architecture and method for integrated fuel cell based power supply Download PDF

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Description

本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法は、一般に、燃料電池システム、より詳しくは、１つ以上の燃料電池システムを含む電源の出力電力、電圧及び／又は電流の制御に関する。   The power converter architecture and method of the present invention generally relates to control of output power, voltage and / or current of a fuel cell system, and more particularly, a power source including one or more fuel cell systems.

電気化学的燃料電池は燃料と酸素を電気に変換する。固体ポリマの電気化学的燃料電池は、一般に、炭素繊維紙又は炭素布のような多孔性の導電性シート材料の層を典型的に備える２つの電極の間に配置されたイオン交換膜又は固体ポリマ電解液を含む膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）を使用する。ＭＥＡは、所望の電気化学反応を誘発するために、典型的に、それぞれの膜電極界面に、細かく刻まれた白金の形態の触媒層を含む。作動時、電極は、外部回路を通して電極の間に電子を導くために電気的に結合される。典型的に、いくつかのＭＥＡが電気的に直列結合されて、所望の電力出力を有する燃料電池スタックを形成する。   Electrochemical fuel cells convert fuel and oxygen into electricity. Solid polymer electrochemical fuel cells generally comprise an ion exchange membrane or solid polymer disposed between two electrodes typically comprising a layer of porous conductive sheet material such as carbon fiber paper or carbon cloth. A membrane electrode assembly (“MEA”) containing electrolyte is used. The MEA typically includes a finely chopped catalyst layer in the form of platinum at each membrane electrode interface to induce the desired electrochemical reaction. In operation, the electrodes are electrically coupled to conduct electrons between the electrodes through an external circuit. Typically, several MEAs are electrically coupled in series to form a fuel cell stack having a desired power output.

典型的な燃料電池において、ＭＥＡは、２つの導電性の流体フローフィールドプレート又はセパレータプレートの間に配置される。流体フローフィールドプレートは、燃料及び酸素を電極、すなわちアノード及びカソードそれぞれに方向付けるための流路を有する。流体フローフィールドプレートは、集電装置として作用し、電極用の支持部を提供し、燃料及び酸素用のアクセスチャネルを提供し、また燃料電池作動中に形成されるような反応生成物の除去用のチャネルを提供する。燃料電池システムは、反応の維持に反応生成物を使用することが可能である。例えば、イオン交換膜を水和するために、及び／又は燃料電池スタックの温度を維持するために、反応水の使用が可能である。   In a typical fuel cell, the MEA is placed between two conductive fluid flow field plates or separator plates. The fluid flow field plate has flow paths for directing fuel and oxygen to the electrodes, ie, the anode and cathode, respectively. The fluid flow field plate acts as a current collector, provides support for the electrodes, provides an access channel for fuel and oxygen, and for removal of reaction products such as those formed during fuel cell operation. Provide channels. Fuel cell systems can use reaction products to maintain the reaction. For example, reaction water can be used to hydrate the ion exchange membrane and / or to maintain the temperature of the fuel cell stack.

電流を生成するスタックの能力は、利用可能な反応物量の直接の関数である。反応物流の増加は反応物の有効性を高める。スタック電圧は、スタック電流に対して逆に非線形の数学的関係で変化する。所定の反応物流におけるスタック電圧とスタック電流との間の関係は、典型的に、燃料電池スタックの分極曲線として示される。１組又は１団の分極曲線は、様々な反応物流量におけるスタック電圧・電流の関係を示すことができる。燃料電池スタックは、一般に、低負荷の下でより効率的である。   The stack's ability to generate current is a direct function of the amount of reactant available. Increasing the reactant stream increases the effectiveness of the reactants. The stack voltage changes in a non-linear mathematical relationship with respect to the stack current. The relationship between stack voltage and stack current for a given reaction stream is typically shown as a polarization curve for the fuel cell stack. A set or group of polarization curves can indicate the stack voltage-current relationship at various reactant flow rates. Fuel cell stacks are generally more efficient under low loads.

大部分の用途において、燃料電池システムからほぼ一定の電圧出力を維持することが望ましい。１つの方法は、負荷の要求が燃料電池スタックの出力を超えた場合に追加電流を提供するための燃料電池システムと電気的に並列に結合されたバッテリを使用し、また燃料電池スタックの出力が負荷の要求を超えた場合に電流を貯蔵することである。   In most applications, it is desirable to maintain a nearly constant voltage output from the fuel cell system. One method uses a battery electrically coupled in parallel with the fuel cell system to provide additional current when the load demand exceeds the output of the fuel cell stack, and the output of the fuel cell stack is It is to store current when the load requirement is exceeded.

燃料電池ベースの電源用の異なる多くの実際的な用途は、非常に多様な異なる電力／電圧供給能力を必要とする。典型的に、このことは、実際に必要とされるよりも高い評価を有する燃料電池スタックを使用することを必要とするか、あるいは代わりに、特定の用途のために燃料電池スタックを特別に設計することを必要とする。大部分の場合、用途が必要とするよりも多くの電力を提供できる電源を使用することは、法外に高価であり、運転上非効率である。各潜在的用途の要求を満たすことができる異なる電源のインベントリを設計、製造、検証、また維持することは、同様に高価であり、非効率である（例えば、電力で１ｋＷ、２ｋＷ、５ｋＷ、１０ｋＷ等、電圧で２４Ｖ、４８Ｖ等）。さらに、費用を大きく増加することなく、電源の信頼性を高めることが望ましい。このように、より廉価、あまり複雑でない、より柔軟な、及び／又はより効率的な燃料電池ベースの電源に対するアプローチが望ましい。   Many different practical applications for fuel cell based power supplies require a very wide variety of different power / voltage supply capabilities. Typically, this requires the use of a fuel cell stack that has a higher rating than is actually required, or alternatively, the fuel cell stack is specifically designed for a particular application You need to do. In most cases, using a power source that can provide more power than the application requires is prohibitively expensive and operationally inefficient. Designing, manufacturing, validating, and maintaining different power supply inventory that can meet the requirements of each potential application is equally expensive and inefficient (eg, 1 kW, 2 kW, 5 kW, 10 kW in power) Etc., 24V, 48V etc. in voltage). Furthermore, it is desirable to increase the reliability of the power supply without significantly increasing the cost. Thus, a cheaper, less complex, more flexible and / or more efficient approach to fuel cell based power supplies is desirable.

本明細書で教示する燃料電池システム及び方法は、追加の回路を必要とすることなく、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータのスイッチを使用して、短絡機能、開放回路電圧回復機能、及び再充電中の電流制限機能を含む電流パルス化作動を行うことが有利である。   The fuel cell system and method taught herein uses a DC / DC power converter switch without the need for additional circuitry to provide a short circuit function, an open circuit voltage recovery function, and a current during recharging. It is advantageous to perform a current pulsing operation including a limiting function.

一態様では、第１の側と第２の側とを備える主パワーコンバータと、主パワーコンバータの第１の側に電気的に結合された燃料電池スタックと、主パワーコンバータの第２の側に電気的に結合された負荷と、を備える燃料電池システムを作動する方法は、電流パルス化作動を開始すべき時間を決定するステップと、主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間中に、電流パルス化作動の少なくとも一部分として燃料電池スタックから高電流パルスを生成するステップとを含む。本方法は、主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間中に、電流パルス化作動の少なくとも一部分として燃料電池スタックから高電流パルスを生成するステップを含むことが可能であり、主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間中に燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップを含む。本方法は、燃料電池スタックと、主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチの少なくとも１つとに電気的に直列結合されたインダクタを、電流パルス化期間中に飽和させるステップをさらに含むことが可能である。本方法は、主パワーコンバータの第２の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間の少なくとも一部分中に負荷から主パワーコンバータを電気的に絶縁するステップをさらに含むことが可能である。本方法は、主パワーコンバータの第１の側及び第２の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、電流パルス化期間に続くブリッジオフ期間中に主パワーコンバータの第２の側からの電流を停止するステップをさらに含むことが可能である。本方法は、主パワーコンバータの第１の側及び第２の側の少なくとも一方のいくつかのスイッチを選択的に作動して、ブリッジオフ期間に続く電流制限期間中に主パワーコンバータの第２の側からの電流を規定閾値に制限するステップをさらに含むことが可能である。   In one aspect, a main power converter comprising a first side and a second side, a fuel cell stack electrically coupled to the first side of the main power converter, and a second side of the main power converter A method of operating a fuel cell system comprising: an electrically coupled load; determining a time at which to start a current pulsing operation; and selecting a number of switches on the first side of the main power converter And generating high current pulses from the fuel cell stack as at least part of the current pulsing operation during the current pulsing period. The method selectively activates several switches on the first side of the main power converter to generate high current pulses from the fuel cell stack as at least part of the current pulsing operation during the current pulsing period. Steps may be included, including selectively actuating several switches on the first side of the main power converter to electrically short the fuel cell stack during the current pulsing period. The method further includes saturating an inductor electrically coupled in series with the fuel cell stack and at least one of the switches on the first side of the main power converter during the current pulsing period. Is possible. The method further includes selectively actuating some switches on the second side of the main power converter to electrically isolate the main power converter from the load during at least a portion of the current pulsing period. Is possible. The method selectively activates several switches on the first side and the second side of the main power converter from the second side of the main power converter during the bridge off period following the current pulsing period. The method may further include a step of stopping the current. The method selectively activates a number of switches on at least one of the first side and the second side of the main power converter so that the second of the main power converter during the current limit period following the bridge off period. It may further comprise the step of limiting the current from the side to a specified threshold.

さらに他の態様では、入力部と、出力部と、入力部と出力部との間に電気的に結合された変圧器と、入力部と変圧器の１次側との間に電気的に結合された選択的に作動可能ないくつかの１次側スイッチと、出力部と変圧器の２次側との間に電気的に結合された選択的に作動可能ないくつかの２次側スイッチと、入力部と変圧器の１次側との間に電気的に直列結合されたインダクタとを備える燃料電池システムのパワーコンバータを作動する方法は、ブースト変換期間中に変圧器の第１の側から変圧器の第２の側に電流をブースト変換するステップと、１次側スイッチを閉じて、電流パルス化期間中に燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップと、２次側スイッチを開いて、電流パルス化期間中に変圧器の２次側を電気的に切り離すステップとを含む。   In yet another aspect, the input unit, the output unit, the transformer electrically coupled between the input unit and the output unit, and the electrical coupling between the input unit and the primary side of the transformer. A number of selectively actuable primary switches, and a number of selectively actuable secondary switches electrically coupled between the output and the secondary side of the transformer; A method for operating a power converter of a fuel cell system comprising an inductor electrically coupled in series between an input and a primary side of a transformer is provided from a first side of a transformer during a boost conversion period. Boost converting the current to the second side of the transformer, closing the primary side switch and electrically shorting the fuel cell stack during the current pulsing period, and opening the secondary side switch; The step of electrically disconnecting the secondary side of the transformer during the current pulsing period. And a flop.

さらに他の態様では、燃料電池システムは、入力部と、出力部と、第１の組のスイッチと、第２の組のスイッチと、入力部と第１の組のスイッチの少なくとも１つとの間に電気的に直列結合されたインダクタとを備える主パワーコンバータと、主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された燃料電池スタックと、主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置と、主パワーコンバータのスイッチを制御するために結合された少なくとも１つの制御器であって、第１の組のスイッチを少なくとも作動して、ブースト変換期間中に燃料電池からの電流をブースト変換し、また第１の組のスイッチを作動して、ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に燃料電池スタックから電流パルスを電気的に生成するように構成される制御器とを備える。   In yet another aspect, a fuel cell system includes an input unit, an output unit, a first set of switches, a second set of switches, and an input unit and at least one of the first set of switches. A main power converter comprising an inductor electrically coupled in series to the fuel cell stack, a fuel cell stack electrically coupled across the input of the main power converter, and a power storage electrically coupled across the output of the main power converter At least one controller coupled to control the device and a switch of the main power converter, wherein at least a first set of switches is activated to boost convert current from the fuel cell during the boost conversion period And actuating the first set of switches to electrically generate current pulses from the fuel cell stack during the current pulsing period following the boost conversion period. And a configured controller like.

別の態様では、燃料電池システムは、入力部と、出力部と、入力部と出力部との間に結合され、かつ入力部にわたって短絡経路を形成するように選択的に作動可能である少なくとも１つのスイッチと、入力部と少なくとも１つのスイッチとの間に電気的に直列結合されたインダクタとを備える主パワーコンバータと、主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された燃料電池スタックと、主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置と、主パワーコンバータの少なくとも１つのスイッチを制御するために結合された少なくとも１つの制御器であって、少なくとも１つのスイッチを作動して、ブースト変換期間中に燃料電池からの電流をブースト変換し、また少なくとも１つのスイッチを作動して、ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に燃料電池スタックを電気的に短絡させるように構成される制御器とを備える。   In another aspect, the fuel cell system is coupled to the input, the output, the input and the output, and is selectively operable to form a short circuit path across the input. A main power converter comprising one switch and an inductor electrically coupled in series between the input and at least one switch; a fuel cell stack electrically coupled across the input of the main power converter; A power storage device electrically coupled across the output of the power converter, and at least one controller coupled to control at least one switch of the main power converter, activating at least one switch During the boost conversion period, boost the current from the fuel cell and activate at least one switch to During the current pulse period subsequent to preparative conversion period and a composed controller so as to electrically short the fuel cell stack.

さらに別の態様では、燃料電池システムは、ブースト変換期間中に燃料電池スタックからの電流をブースト変換するための手段と、電流パルス化期間中に燃料電池スタックから高電流パルスを電気的に生成するための手段とを備え、ブースト変換手段及び高電流パルス生成手段は少なくとも１つのスイッチを共通に有する。   In yet another aspect, the fuel cell system electrically generates a high current pulse from the fuel cell stack during the current pulsing period and means for boost converting the current from the fuel cell stack during the boost conversion period. And the boost conversion means and the high current pulse generation means have at least one switch in common.

図面において、同一の参照番号は同様の要素又は作用を表す。図面の要素の寸法及び相対位置は、必ずしも一定縮尺比ではない。例えば、様々な要素及び角度の形状は、一定縮尺比で描かれておらず、これらの要素及び角度のあるものは、図面の理解を高めるべく任意に拡大され、また配置される。さらに、図示しているような要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関する情報を付与するようには意図されず、図面の認識を容易にするためにのみ選択されている。   In the drawings, identical reference numbers indicate similar elements or acts. The dimensions and relative positions of the elements in the drawings are not necessarily to scale. For example, the various elements and angular shapes are not drawn to scale, and these elements and angular ones are arbitrarily expanded and arranged to enhance the understanding of the drawings. Furthermore, the particular shape of the element as shown is not intended to provide information regarding the actual shape of the particular element, but is selected only to facilitate recognition of the drawing.

次の説明において、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の様々な実施形態の完全な理解を提供するために、ある特定の細部について説明する。しかし、当業者は、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法が、これらの細部なしに実施し得ることを理解するであろう。他の例では、燃料電池と関連した周知の構造体、燃料電池スタック、燃料電池システム、反応物配送システム、バッテリ及び「スーパ」又は「ウルトラ」コンデンサのような電力貯蔵装置、温度制御システム、制御器、及びＤＣ／ＤＣコンバータのようなパワーコンバータについては、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の実施形態の不必要に不明瞭な説明を回避するために、詳細に図示又は記載していない。   In the following description, certain specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of various embodiments of the power converter architecture and method of the present invention. However, those skilled in the art will appreciate that the power converter architecture and method of the present invention may be practiced without these details. In other examples, well-known structures associated with fuel cells, fuel cell stacks, fuel cell systems, reactant delivery systems, batteries and power storage devices such as “super” or “ultra” capacitors, temperature control systems, controls And power converters such as DC / DC converters are not shown or described in detail to avoid an unnecessarily obscuring description of power converter architecture and method embodiments of the present invention.

文脈上必要とされない限り、明細書及び続く特許請求の範囲の全体にわたって、「備える」及び「備えている」というような「備える」という用語及びそれらの変化は、開放的な包括的意味で、すなわち、「を含むが、それらに限定されない」と解釈されるべきである。   Unless required by context, throughout the specification and the following claims, the terms “comprising”, such as “comprising” and “comprising”, and variations thereof, are in an open and comprehensive sense, That is, it should be interpreted as “including but not limited to”.

図１は、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の例示した一実施形態による電力を外部負荷８に供給する電源６を示している。外部負荷８は、典型的に、車両、器具、コンピュータ及び／又は関連の周辺装置、照明、及び／又は通信装置のような、電源６によって動力供給されるべき装置を構成する。電源６はまた、１つ以上の内部負荷に、例えば、以下に説明するような制御エレクトロニクスに電力を供給し得る。   FIG. 1 illustrates a power supply 6 that supplies power to an external load 8 in accordance with an illustrative embodiment of the power converter architecture and method of the present invention. The external load 8 typically constitutes a device to be powered by the power source 6, such as a vehicle, appliance, computer and / or associated peripheral device, lighting, and / or communication device. The power supply 6 may also supply power to one or more internal loads, for example, control electronics as described below.

電源６は、燃料電池システム１０、主パワーコンバータ１２及び電圧バス１４を備える。   The power source 6 includes a fuel cell system 10, a main power converter 12, and a voltage bus 14.

燃料電池システム１０は、電気的に直列結合されたいくつかの個々の燃料電池から構成された燃料電池スタック１６を備える。燃料電池スタック１６は、１つ以上の反応物供給タンク又は供給源、改質器、及び／又はコンプレッサのような１つ以上の制御要素、ポンプ及び／又は弁を含み得る反応物供給システム（図示せず）を介して水素及び空気のような反応物を受容する。燃料電池スタック１６の作動により、典型的に水を含む反応生成物が生成される。燃料電池システム１０は、反応生成物のいくつか又はすべてを再利用することが可能である。例えば、燃料電池システム１０は、水のある部分を燃料電池スタック１６に戻して、正しい温度で水素及び空気を湿潤し、イオン交換膜を水和し、及び／又は燃料電池スタック１６の温度を制御することが可能である。燃料電池スタック１６の作動により、電圧バス１４の線路１４ａ、１４ｂ間に電圧ＶＦＣが生成される。いくつかの実施態様では、電圧バス１４は、介入するスイッチ又はダイオードを使用することなく、燃料電池スタックを主パワーコンバータ１２の１次側に電気的に直接結合する。これは、以下に詳細に説明する燃料電池スタック１６と負荷８との間の直流絶縁を利用する。不必要なスイッチ及びダイオードを排除することにより、部品数の低減、高電流定格電力リレー及び高電流定格ダイオードのような高電流定格装置と関連する費用の低減、及びこのような装置と関連する相当の損失の低減のようないくつかの利点が提供される。 The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 16 composed of several individual fuel cells electrically connected in series. The fuel cell stack 16 may include one or more control elements, such as one or more reactant supply tanks or sources, reformers, and / or compressors, pumps and / or valves (see FIG. Reactants such as hydrogen and air are received via (not shown). Operation of the fuel cell stack 16 produces a reaction product that typically contains water. The fuel cell system 10 can reuse some or all of the reaction products. For example, the fuel cell system 10 may return a portion of water to the fuel cell stack 16 to wet hydrogen and air at the correct temperature, hydrate the ion exchange membrane, and / or control the temperature of the fuel cell stack 16. Is possible. The operation of the fuel cell stack 16 generates a voltage V FC between the lines 14 a and 14 b of the voltage bus 14. In some embodiments, the voltage bus 14 electrically couples the fuel cell stack directly to the primary side of the main power converter 12 without the use of intervening switches or diodes. This utilizes direct current isolation between the fuel cell stack 16 and the load 8, which will be described in detail below. By eliminating unnecessary switches and diodes, the number of parts is reduced, the costs associated with high current rated devices such as high current rated power relays and high current rated diodes, and the equivalents associated with such devices. Several advantages are provided, such as a reduction in loss.

燃料電池システム１０は、燃料電池制御器１８のような１つ以上の制御器を含んでもよい。燃料電池制御器１８は、様々な形態、例えば、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、あるいは他のプログラミング済み又はプログラム可能な集積回路等をとることができる。燃料電池制御器１８は、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ、電圧調整スイッチ等のような１つ以上の顧客インタフェース２０から入力部を受容する。燃料電池制御器１８は、燃料電池スタック１６の作動データ２２、例えば、温度の読み取り又は測定、反応物流、及び弁及び／又はスイッチ状態を受容する。燃料電池制御器１８は、燃料電池スタック１６の作動を制御するための様々なアクチュエータ２４に命令又はスタック制御信号を供給する。例えば、スタック制御信号２４は、弁を開閉するためのソレノイドのようなアクチュエータを作動して、反応物流を開始、停止、又は調整することが可能である。   The fuel cell system 10 may include one or more controllers, such as the fuel cell controller 18. The fuel cell controller 18 can take a variety of forms, such as a microprocessor, an application specific integrated circuit (ASIC), or other programmed or programmable integrated circuit. The fuel cell controller 18 receives inputs from one or more customer interfaces 20 such as ON / OFF switches, voltage adjustment switches, and the like. The fuel cell controller 18 receives operating data 22 of the fuel cell stack 16, such as temperature readings or measurements, reaction streams, and valve and / or switch status. The fuel cell controller 18 provides commands or stack control signals to various actuators 24 for controlling the operation of the fuel cell stack 16. For example, the stack control signal 24 can actuate an actuator such as a solenoid to open and close a valve to start, stop, or adjust the reaction stream.

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１６の温度を容認可能な範囲内に維持するために、空気流２８を供給するように選択的に作動可能な冷却ファン２６のような１つ以上のファンあるいは燃料又は酸化剤（例えば、空気又は酸素）を燃料電池スタック１６に供給するための反応物供給ファンを含む。燃料電池制御器１８は、ファン速度命令３０を介して冷却ファン２６を制御することが可能である。   The fuel cell system 10 may include one or more fans, such as a cooling fan 26 that is selectively operable to provide an air flow 28 to maintain the temperature of the fuel cell stack 16 within an acceptable range. A reactant supply fan for supplying fuel or oxidant (eg, air or oxygen) to the fuel cell stack 16 is included. The fuel cell controller 18 can control the cooling fan 26 via the fan speed command 30.

主パワーコンバータ１２は、フルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ、プッシュプルＤＣ／ＤＣコンバータ、ハーフブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ、フォワードＤＣ／ＤＣコンバータ、又はそれらの派生物のような様々な形態をとることが可能である。例えば、主パワーコンバータ１２は、図１と図２に示したように、燃料電池スタック１６と負荷８との間の電圧バス１４に電気的に結合された絶縁のフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータパワーステージ及びドライバの形態をとり得る。図示した実施形態では、主パワーコンバータ１２は、燃料電池スタック１６によって生成された直流電圧ＶＦＣを負荷８に適切な所望のＤＣ出力電圧ＶＯＵＴに変換するように作動可能である。 The main power converter 12 can take various forms such as a full-bridge DC / DC converter, a push-pull DC / DC converter, a half-bridge DC / DC converter, a forward DC / DC converter, or derivatives thereof. is there. For example, the main power converter 12 is an isolated full bridge DC / DC converter power stage electrically coupled to a voltage bus 14 between the fuel cell stack 16 and the load 8 as shown in FIGS. And may take the form of a driver. In the illustrated embodiment, the main power converter 12 is operable to convert the DC voltage V FC generated by the fuel cell stack 16 into a desired DC output voltage VOUT suitable for the load 8.

インダクタ、別個のパケット又はパルスでエネルギを入力から出力に転送するためのエネルギ貯蔵部及びフィルタ要素としての変圧器又はコンデンサを使用する回路で、半導体スイッチング装置を典型的に使用する様々なＤＣ／ＤＣコンバータトポロジが、適切であり得る。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、フルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータトポロジ、プッシュプルＤＣ／ＤＣコンバータトポロジ、ハーフブリッジＤＣ／ＤＣコンバータトポロジ、又はフォワードＤＣ／ＤＣコンバータトポロジを使用し得る。特に、主パワーコンバータ１２は、寸法、コスト及び重量を低減するために、高いスイッチング周波数（例えば、１００ｋＨｚ）アプローチを使用することが可能である。これらの及び他の適切なコンバータトポロジの詳細は、当業者には明白であろう。主パワーコンバータ１２は、主パワーコンバータ１２の１次側と２次側との間に絶縁を設けるために、主パワーコンバータ１２の変圧器に固有の直流絶縁に依拠し得る。   Various DC / DCs that typically use semiconductor switching devices with inductors, energy storage to transfer energy from input to output in separate packets or pulses, and transformers or capacitors as filter elements A converter topology may be appropriate. For example, the DC / DC converter may use a full-bridge DC / DC converter topology, a push-pull DC / DC converter topology, a half-bridge DC / DC converter topology, or a forward DC / DC converter topology. In particular, the main power converter 12 can use a high switching frequency (eg, 100 kHz) approach to reduce size, cost and weight. Details of these and other suitable converter topologies will be apparent to those skilled in the art. The main power converter 12 may rely on direct current insulation inherent in the transformer of the main power converter 12 to provide insulation between the primary side and the secondary side of the main power converter 12.

主パワーコンバータ１２は、当業者に明白であるように、周波数変調、パルス幅変調（すなわち、ＰＷＭ）、平均電流制御及びピーク電流制御のような様々な制御技術の下で作動可能である。   The main power converter 12 can operate under various control techniques such as frequency modulation, pulse width modulation (ie, PWM), average current control and peak current control, as will be apparent to those skilled in the art.

電源６は、適切なドライバ、例えばＤＣ／ＤＣ制御器３２を介して主パワーコンバータ１２を制御するために、１つ以上のパワーコンバータ制御器を含んでもよい。ＤＣ／ＤＣ制御器３２は、燃料電池制御器１８と関連して作動し、それらの間でデータ及び／又は命令を通信し得る。例えば、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２に次の信号、すなわち所望の出力電圧ＶＯＵＴの値を表す電圧基準信号３４、冷却ファン２６の状態（例えばＯＮ／ＯＦＦ；高、中、低）を表すファンイネーブル信号３６、主パワーコンバータ１２の所望の状態（例えばＯＮ／ＯＦＦ）を表すＤＣ／ＤＣイネーブル信号３８、及び／又は主パワーコンバータ１２の状態（例えばＯＮ／ＯＦＦ）を識別するウェイクアップ信号４０を供給することが可能である。ＤＣ／ＤＣ制御器３２は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２及び／又は主パワーコンバータ１２の作動状態を識別する状態信号４２を燃料電池制御器１８に供給してもよい。ＤＣ／ＤＣ制御器３２はまた、主パワーコンバータ１２からフィードバック信号４４を受信してもよい。ＤＣ／ＤＣ制御器３２は、パルス幅変調信号４６のような制御信号を生成して、適切なドライバを介して主パワーコンバータ１２の作動を制御することが可能である。いくつかの実施形態では、スイッチ及び／又はダイオードの介入なしに、燃料電池スタック１６は主パワーコンバータ１２に直接結合され、主パワーコンバータ１２の作動は、燃料電池スタック１６と主パワーコンバータ１２及び／又は負荷８との間でＯＮ／ＯＦＦ制御として機能する。このように、主パワーコンバータ１２をイネーブル及びディスエーブルにすることによって、燃料電池スタック１６からの電力をターンＯＮ及びターンＯＦＦすることができる。 The power supply 6 may include one or more power converter controllers to control the main power converter 12 via a suitable driver, such as a DC / DC controller 32. The DC / DC controller 32 operates in conjunction with the fuel cell controller 18 and may communicate data and / or instructions between them. For example, the fuel cell controller 18 sends the next signal to the DC / DC controller 32, that is, the voltage reference signal 34 representing the value of the desired output voltage VOUT , the state of the cooling fan 26 (eg, ON / OFF; , Low), a DC / DC enable signal 38 representing a desired state of the main power converter 12 (eg, ON / OFF), and / or a state of the main power converter 12 (eg, ON / OFF). A wake-up signal 40 can be provided. The DC / DC controller 32 may provide the fuel cell controller 18 with a status signal 42 that identifies the operating status of the DC / DC controller 32 and / or the main power converter 12. The DC / DC controller 32 may also receive a feedback signal 44 from the main power converter 12. The DC / DC controller 32 can generate a control signal, such as a pulse width modulated signal 46, to control the operation of the main power converter 12 via a suitable driver. In some embodiments, the fuel cell stack 16 is directly coupled to the main power converter 12 without the intervention of switches and / or diodes, and the operation of the main power converter 12 may be performed with the fuel cell stack 16 and the main power converter 12 and / or Alternatively, it functions as ON / OFF control with the load 8. Thus, by enabling and disabling the main power converter 12, the power from the fuel cell stack 16 can be turned on and off.

電源６はまた、主パワーコンバータ１２の出力側に、負荷８にわたって電気的に並列結合された「スーパ」又は「ウルトラ」コンデンサ及び／又はバッテリのような電力貯蔵装置４８を含んでもよい。電力貯蔵装置４８の開放電圧は、電源６の所望の最大出力電圧と同様であるように選択される。電力貯蔵装置４８の内部抵抗は、主パワーコンバータ１２の内部抵抗よりはるかに低いように選択され、このように、電力貯蔵装置４８は、負荷８が必要とするよりも多くの電流を燃料電池スタック１６が生成した場合に過電流を吸収し、また負荷８が必要とするよりも少ない電流を燃料電池スタック１６が生成した場合に電流を負荷８に供給するバッファとして作用する。負荷８にわたって電力貯蔵装置４８を結合することにより、燃料電池スタック１６の最大出力定格要件が低減される。電力貯蔵装置４８はまた、以下により詳細に説明するように、燃料電池スタック１６が、例えば、始動状態、故障状態及び／又は待機状態にある場合、エネルギを電源６の内部負荷に供給する。   The power source 6 may also include a power storage device 48 such as a “super” or “ultra” capacitor and / or a battery electrically coupled in parallel across the load 8 on the output side of the main power converter 12. The open voltage of the power storage device 48 is selected to be similar to the desired maximum output voltage of the power source 6. The internal resistance of the power storage device 48 is selected to be much lower than the internal resistance of the main power converter 12, and thus the power storage device 48 can deliver more current than the load 8 requires to the fuel cell stack. When the fuel cell stack 16 generates a current less than that required by the load 8, it acts as a buffer for supplying current to the load 8. By coupling the power storage device 48 across the load 8, the maximum power rating requirement of the fuel cell stack 16 is reduced. The power storage device 48 also supplies energy to the internal load of the power source 6 when the fuel cell stack 16 is in a start-up state, a failure state and / or a standby state, as will be described in more detail below.

電源６は、燃料電池システム１０の様々な内部負荷に電力を供給するために補助パワーコンバータ５０を含む。例えば、補助パワーコンバータ５０は、主パワーコンバータ１２、ＤＣ／ＤＣ制御器３２及び／又は燃料電池制御器１８に電力を供給してもよい。単一の補助パワーコンバータ５０によっても、燃料電池システムの他の内部負荷、例えば冷却ファン２６に電力を供給してもよい。このように、電源６のアーキテクチャは、制御回路（例えば、ＤＣ／ＤＣ制御器３２、燃料電池制御器１８）に電力を供給するために使用される既存の補助パワーコンバータを利用して、燃料電池システムに典型的に見られる専用の冷却ファン電源を排除する。補助パワーコンバータ５０は、広く使用されるフライバックコンバータの形態をとり得る。補助パワーコンバータ５０は、例えば、補助パワーコンバータ５０のフライバックトランスと関連する直流絶縁に依拠して絶縁し、電源６の残部及び／又は負荷８の間に保護を提供することが可能である。   The power source 6 includes an auxiliary power converter 50 for supplying power to various internal loads of the fuel cell system 10. For example, the auxiliary power converter 50 may supply power to the main power converter 12, the DC / DC controller 32 and / or the fuel cell controller 18. A single auxiliary power converter 50 may also supply power to other internal loads of the fuel cell system, such as the cooling fan 26. Thus, the architecture of the power supply 6 utilizes the existing auxiliary power converter used to supply power to the control circuit (eg, DC / DC controller 32, fuel cell controller 18) and fuel cell. Eliminate the dedicated cooling fan power typically found in systems. Auxiliary power converter 50 may take the form of a widely used flyback converter. The auxiliary power converter 50 can be isolated, for example, by relying on direct current isolation associated with the flyback transformer of the auxiliary power converter 50 to provide protection between the remainder of the power source 6 and / or the load 8.

電源６は、燃料電池スタック１６から冷却ファン２６に電力を直接供給するために、あるいは代わりに、補助パワーコンバータ５０を介して冷却ファン２６に電力を供給するために選択的に作動可能である１つ以上のスイッチを使用してもよい。例えば、第１のスイッチＳＷ１は、閉状態で電圧バス１４に冷却ファン２６を電気的に結合し、開状態で電圧バス１４から冷却ファン２６を電気的に切り離すことが可能である。第２のスイッチＳＷ２は、閉状態で補助パワーコンバータ５０に冷却ファン２６を電気的に結合し、開状態で補助パワーコンバータ５０から冷却ファン２６を電気的に切り離すことが可能である。ＤＣ／ＤＣ制御器３２は、燃料電池制御器１８に応答してスイッチＳＷ１、ＳＷ２の状態（例えばＯＮ／ＯＦＦ）を制御し得る。電源６は、逆電流から保護するために１対のダイオードＤ１、Ｄ２を含んでもよい。 The power source 6 is selectively operable to supply power directly from the fuel cell stack 16 to the cooling fan 26, or alternatively to supply power to the cooling fan 26 via the auxiliary power converter 50 1. More than one switch may be used. For example, the first switch SW 1 can electrically connect the cooling fan 26 to the voltage bus 14 in the closed state and electrically disconnect the cooling fan 26 from the voltage bus 14 in the open state. Second switch SW 2 is capable of the cooling fan 26 to the auxiliary power converter 50 in the closed state electrically couples, disconnected from the auxiliary power converter 50 in the open state a cooling fan 26 electrically. The DC / DC controller 32 can control the states (for example, ON / OFF) of the switches SW 1 and SW 2 in response to the fuel cell controller 18. The power supply 6 may include a pair of diodes D 1 and D 2 to protect against reverse current.

図２は、電源６の代替実施形態を示している。ここに説明するこれらの１つ又は複数の代替実施形態及び他の代替例は、以前に説明した実施形態と実質的に同様であり、また共通の作用及び構造は同一の参照番号によって識別される。作動及び構造の大きな差のみについて以下に説明する。   FIG. 2 shows an alternative embodiment of the power supply 6. These one or more alternative embodiments and other alternatives described herein are substantially similar to the previously described embodiments, and common features and structures are identified by the same reference numerals. . Only significant differences in operation and structure are described below.

特に、図２の電源６は、第１及び第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２の代わりに単一のスイッチＳＷ３、及び単一のダイオードＤ３を使用する。代わりに、スイッチＳＷ３は、冷却ファン２６を燃料電池スタック１６に電気的に直接、あるいは補助パワーコンバータ５０を介して電力貯蔵装置４８に結合するために、選択的に作動可能である。この代替実施形態は、図１の実施形態よりも、作動がより簡単かつより廉価であり得るが、以下に説明する作動状態のいくつかの下では機能できない可能性がある。 In particular, the power supply 6 of FIG. 2 uses a single switch SW 3 and a single diode D 3 instead of the first and second switches SW 1 , SW 2 . Instead, the switch SW 3 is selectively operable to couple the cooling fan 26 electrically directly to the fuel cell stack 16 or to the power storage device 48 via the auxiliary power converter 50. This alternative embodiment may be simpler and less expensive to operate than the embodiment of FIG. 1, but may not function under some of the operating conditions described below.

図３Ａは状態遷移図であり、また図３Ｂと図３Ｃは、電源６を作動するための状態機械１００を示した状態遷移表である。   FIG. 3A is a state transition diagram, and FIGS. 3B and 3C are state transition tables showing the state machine 100 for operating the power supply 6.

状態機械１００は、様々な状態又は作動モードを含み、作動モードのいくつかは、顧客インタフェース２０でユーザが適切な制御を選択することによって作動され、またある作動条件に応答して燃料電池制御器１８及び／又はＤＣ／ＤＣ制御器３２を介して他の作動モードに自動的に入る。   The state machine 100 includes various states or modes of operation, some of which are activated by the user selecting appropriate controls at the customer interface 20 and in response to certain operating conditions, the fuel cell controller. 18 and / or other modes of operation are automatically entered via the DC / DC controller 32.

図３Ａは状態機械１００の有効な遷移を示している。例えば、電源６は、オフ状態１０２から待機状態１０４に移行し得る。電源６は、待機状態１０４からオフ状態１０２に又は始動状態１０６に移行し得る。電源６は、始動状態１０６から待機状態１０４に、故障状態１０８に、又はアイドル状態１１０に移行し得る。電源６は、故障状態１０８から待機状態１０４に移行し得る。電源６は、アイドル状態１１０から故障状態１０８に又はブースト状態１１２に移行し得る。電源６は、ブースト状態１１２から故障状態１０８に又はアイドル状態１１０に移行し得る。   FIG. 3A shows a valid transition of state machine 100. For example, the power supply 6 can transition from the off state 102 to the standby state 104. The power supply 6 may transition from the standby state 104 to the off state 102 or to the start state 106. The power supply 6 may transition from the start state 106 to the standby state 104, to the failure state 108, or to the idle state 110. The power supply 6 can transition from the failure state 108 to the standby state 104. The power supply 6 may transition from the idle state 110 to the failure state 108 or to the boost state 112. The power supply 6 may transition from the boost state 112 to the fault state 108 or to the idle state 110.

上記の移行は、状態遷移図（図３Ａ）に矢印で示され、矢印の各々は、状態遷移表（図３Ｂと図３Ｃ）の移行部を表す参照番号を有する。   The above transitions are indicated by arrows in the state transition diagram (FIG. 3A), and each arrow has a reference number that represents a transition portion of the state transition tables (FIGS. 3B and 3C).

オフ状態１０２は、電源６の開始状態である。オフ状態１０２では、燃料電池スタック１６、主パワーコンバータ１２、燃料電池制御器１８、冷却ファン２６、ＤＣ／ＤＣ制御器３２及び／又は補助パワーコンバータ５０のような様々なサブシステムは、作動していない。   The off state 102 is a start state of the power supply 6. In the off state 102, various subsystems such as the fuel cell stack 16, main power converter 12, fuel cell controller 18, cooling fan 26, DC / DC controller 32 and / or auxiliary power converter 50 are operating. Absent.

待機状態１０４は、ウェイクアップ命令を受信した後に制御器を作動状態に維持し、一方、制御器用の管理電源が作動され、また電源６の制御器がウェイクアップされて、顧客インタフェース２０と通信する態勢にある。待機状態１０４は、顧客インタフェース２０を介して適切なユーザ入力によって作動され得る。待機状態１０４に入るために、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第１のスイッチＳＷ１を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、燃料電池スタック１６から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器１８はまた、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第２のスイッチＳＷ２を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、補助パワーコンバータ５０から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。さらに、燃料電池制御器１８は、例えば、燃料電池スタック１６への反応物流を停止することによって、燃料電池スタック１６をディスエーブルにする。さらに、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が主パワーコンバータ１２をディスエーブルにするようにさせる。 The standby state 104 maintains the controller in an active state after receiving a wake-up command, while the management power supply for the controller is activated and the controller of the power source 6 is woken up to communicate with the customer interface 20. In a position. The standby state 104 may be activated by appropriate user input via the customer interface 20. To enter the standby state 104, the fuel cell controller 18, DC / DC controller 32 is adapted to open the first switch SW 1, if not already open, cooling the fuel cell stack 16 Fan 26 To be electrically disconnected. The fuel cell controller 18 also, DC / DC controller 32 is adapted to open the second switch SW 2, if not already open, from the auxiliary power converter 50 so as to disconnect the cooling fan 26 electrically Let Further, the fuel cell controller 18 disables the fuel cell stack 16 by, for example, stopping the reactive flow to the fuel cell stack 16. Further, the fuel cell controller 18 causes the DC / DC controller 32 to disable the main power converter 12.

適切なＯＮ／ＯＦＦスイッチのユーザ選択、あるいは公共又は民間の電気配線網のような独立した電力源からの電力損失の自動感知に応答して、始動状態１０６に入ることが可能である。始動状態１０６は、電源６の様々なサブシステムが作動レベルに達することを可能にし、例えば、燃料電池スタック１６がその開放電圧ＶＯＣに達することを可能にし得る。始動状態１０６に入るために、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第１のスイッチＳＷ１を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、ステップ１０６で、電圧バス１４から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器１８はまた、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第２のスイッチＳＷ２を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、冷却ファン２６を電力貯蔵装置４８に電気的に結合して、補助パワーコンバータ５０を介して電力を受け取るようにさせる。 In response to user selection of an appropriate ON / OFF switch or automatic sensing of power loss from an independent power source, such as a public or private electrical grid, it is possible to enter the start state 106. The start-up state 106 may allow various subsystems of the power supply 6 to reach operating levels, for example, allowing the fuel cell stack 16 to reach its open circuit voltage VOC . To enter the start state 106, the fuel cell controller 18 causes the DC / DC controller 32 to open the first switch SW 1 and, if not already open, in step 106 from the voltage bus 14. The cooling fan 26 is electrically disconnected. The fuel cell controller 18 also, DC / DC controller 32 is to close the second switch SW 2, if not already closed, electrically coupling the cooling fan 26 to the power storage device 48, auxiliary Electric power is received through the power converter 50.

１つ以上の作動値が範囲から出るか、あるいは何か他の誤った状態が生じた場合、故障状態１０８に入ることが可能であり、故障状態は、電源６ならびに負荷８の様々なサブシステムを保護する。故障状態１０８に入るために、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第１のスイッチＳＷ１を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、電圧バス１４から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器１８はまた、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が主パワーコンバータ１２をディスエーブルにするようにさせる。さらに、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第２のスイッチＳＷ２を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、補助パワーコンバータ５０を介して冷却ファン２６を電力貯蔵装置４８に電気的に結合するようにさせる。 If one or more operating values go out of range, or some other false condition occurs, it is possible to enter a fault state 108, which may include various subsystems of the power supply 6 as well as the load 8. Protect. To enter the fault state 108, the fuel cell controller 18 causes the DC / DC controller 32 to open the first switch SW 1 and, if not already open, the cooling fan 26 from the voltage bus 14. Let them be electrically disconnected. The fuel cell controller 18 also causes the DC / DC controller 32 to disable the main power converter 12. In addition, the fuel cell controller 18 causes the DC / DC controller 32 to close the second switch SW 2 and, if not already closed, the cooling fan 26 to the power storage device 48 via the auxiliary power converter 50. Let them be electrically coupled.

アイドル状態１１０に入って、負荷８が電力を必要としない間に、電源６を作動状態に維持することが可能である。アイドル状態１１０は、顧客インタフェース２０を介した適切なユーザ入力によって、あるいは負荷８の損失の自動感知によって作動され得る。アイドル状態１１０に入るために、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第２のスイッチＳＷ２を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、補助パワーコンバータ５０から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器１８はまた、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第１のスイッチＳＷ１を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、電圧バス１４を介して冷却ファン２６を燃料電池スタック１６に電気的に直接結合するようにさせる。さらに、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が主パワーコンバータ１２をディスエーブルにするようにさせる。 While entering the idle state 110, it is possible to maintain the power supply 6 in an operating state while the load 8 does not require power. Idle state 110 may be activated by appropriate user input via customer interface 20 or by automatic sensing of load 8 loss. To enter the idle state 110, the fuel cell controller 18 causes the DC / DC controller 32 to open the second switch SW 2 and, if not already open, from the auxiliary power converter 50 to the cooling fan 26. To be electrically disconnected. The fuel cell controller 18 also causes the DC / DC controller 32 to close the first switch SW 1 and electrically connects the cooling fan 26 to the fuel cell stack 16 via the voltage bus 14 if not already closed. To bind directly. Further, the fuel cell controller 18 causes the DC / DC controller 32 to disable the main power converter 12.

電力を負荷８に供給するために、電源６が完全に作動されると、ブースト状態１１２に入ることが可能である。ブースト状態１１２は、顧客インタフェース２０を介した適切なユーザ入力によって、あるいは負荷８の損失の自動感知によって作動され得る。ブースト状態１１２に入るために、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第２のスイッチＳＷ２を開放するようにさせ、まだ開放していない場合、補助パワーコンバータ５０から冷却ファン２６を電気的に切り離すようにさせる。燃料電池制御器１８はまた、ＤＣ／ＤＣ制御器３２が第１のスイッチＳＷ１を閉じるようにさせ、まだ閉じていない場合、電圧バス１４を介して冷却ファン２６を燃料電池スタック１６に電気的に直接結合するようにさせる。さらに、燃料電池制御器１８は、ＤＣ／ＤＣ制御器３２がＰＷＭ信号４６を主パワーコンバータ１２に供給するようにさせ、燃料スタック１６から負荷８に電力を供給するために主パワーコンバータ１２をイネーブルにする。 The boost state 112 can be entered when the power supply 6 is fully activated to supply power to the load 8. The boost state 112 may be activated by appropriate user input via the customer interface 20 or by automatic sensing of load 8 loss. To enter the boost state 112, the fuel cell controller 18 causes the DC / DC controller 32 to open the second switch SW 2 and, if not already open, from the auxiliary power converter 50 to the cooling fan 26. To be electrically disconnected. The fuel cell controller 18 also causes the DC / DC controller 32 to close the first switch SW 1 and electrically connects the cooling fan 26 to the fuel cell stack 16 via the voltage bus 14 if not already closed. To bind directly. In addition, the fuel cell controller 18 causes the DC / DC controller 32 to supply the PWM signal 46 to the main power converter 12 and enables the main power converter 12 to supply power from the fuel stack 16 to the load 8. To.

図４は、燃料電池システム１０の別の実施形態を示し、主ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２及び駆動回路をさらに詳細に示している。   FIG. 4 shows another embodiment of the fuel cell system 10 showing the main DC / DC power converter 12 and the drive circuit in more detail.

図示した実施形態では、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、１次側及び２次側５２、５４の間に直流絶縁をそれぞれ行うために、第１の側又は１次側５２と、第２の側又は２次側５４と、１次巻線及び２次巻線を有する変圧器Ｔとを備える絶縁ブースト型ＤＣ／ＤＣコンバータの形態をとる。ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の１次側５２は、燃料電池スタック１６に電気的に結合され、２次側５４は、負荷８と電力貯蔵装置４８に電気的に結合される。   In the illustrated embodiment, the DC / DC power converter 12 has a first side or primary side 52 and a second side to provide DC isolation between the primary side and the secondary side 52, 54, respectively. Alternatively, it takes the form of an isolated boost type DC / DC converter comprising a secondary side 54 and a transformer T having a primary winding and a secondary winding. The primary side 52 of the DC / DC power converter 12 is electrically coupled to the fuel cell stack 16, and the secondary side 54 is electrically coupled to the load 8 and the power storage device 48.

ＤＣ／ＤＣパワーコンバータの１次側５２は、２つのハーフブリッジを備えるフルブリッジ（すなわち、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４及び関連のダイオード）を含み、各ハーフブリッジは１対のスイッチ（すなわち、Ｓ１、Ｓ３とＳ２、Ｓ４）によって形成される。各対のスイッチは、電圧バス１４の正及び負の線路間に電気的に結合され、各対のスイッチの一方はハイスイッチ（すなわち、Ｓ１、Ｓ４）と称され、各対の他方のスイッチは、ロースイッチ（すなわち、Ｓ３、Ｓ２）と称される。変圧器Ｔの１次巻線の極は、それぞれのスイッチ対Ｓ１、Ｓ３とＳ４、Ｓ２との間に電気的に結合される。 The primary side 52 of the DC / DC power converter includes a full bridge (ie, S 1 , S 2 , S 3 , S 4 and associated diodes) with two half bridges, each half bridge being a pair of switches. (Ie, S 1 , S 3 and S 2 , S 4 ). Each pair of switches is electrically coupled between the positive and negative lines of voltage bus 14, one of each pair of switches being referred to as a high switch (ie, S 1 , S 4 ), and the other of each pair of switches. The switch is referred to as a low switch (ie, S 3 , S 2 ). The poles of the primary winding of the transformer T are electrically coupled between the respective switch pairs S 1 , S 3 and S 4 , S 2 .

さらに、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の１次側５２は、電圧バス１４の正の線路で電気的に直列結合されたブーストインダクタＬ１と、電圧バス１４にわたって電気的に結合されたコンデンサＣ１とを含む。ブーストインダクタＬ１は、ブーストコンバータ用のエネルギ貯蔵部及びフィルタ装置であり、コンデンサＣ１は出力電圧をフィルタ処理して、平滑にする。ブーストインダクタＬ１はまた、電流パルスの変化ｄｉ／ｄｔの速度を制御して、減速させ、燃料電池システム１０に対する電磁干渉（ＥＭＩ）エミッションを低減する。さらに、ｄｉ／ｄｔ電流パルスの低減はコンデンサＣ１からの電流ストレスを低減する。１次側５２はまた、関連技術で一般に公知であるような電圧スパイククランプ回路を含んでもよい。 Further, the primary side 52 of the DC / DC power converter 12 includes a boost inductor L 1 electrically connected in series with the positive line of the voltage bus 14 and a capacitor C 1 electrically connected across the voltage bus 14. including. Boost inductor L 1 is a energy storage unit and the filter device for boost converter, the capacitor C 1 is the output voltage and filtering to smooth. The boost inductor L 1 also controls and decelerates the speed of the current pulse change di / dt to reduce electromagnetic interference (EMI) emissions to the fuel cell system 10. Moreover, a reduction in di / dt current pulse reduces the current stress of the capacitor C 1. The primary side 52 may also include a voltage spike clamp circuit as is generally known in the relevant art.

ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の２次側５４はまた、２つのハーフブリッジを備えるフルブリッジを含み、各ハーフブリッジは１対のスイッチ（すなわち、Ｓ５、Ｓ７とＳ６、Ｓ８及び関連のダイオード）によって形成される。各対のスイッチは、電圧バス１４の正及び負の線路間に電気的に結合され、各対のスイッチの一方はハイスイッチ（すなわち、Ｓ５、Ｓ８）と称され、各対の他方のスイッチは、ロースイッチ（すなわち、Ｓ７、Ｓ６）と称される。変圧器Ｔの２次巻線の極は、それぞれのスイッチ対Ｓ５、Ｓ７とＳ８、Ｓ６との間に電気的に結合される。 The secondary side 54 of the DC / DC power converter 12 also includes a full bridge with two half bridges, each half bridge being a pair of switches (ie, S 5 , S 7 and S 6 , S 8 and associated Diode). Each pair of switches is electrically coupled between the positive and negative lines of the voltage bus 14, and one of each pair of switches is referred to as a high switch (ie, S 5 , S 8 ) and the other of each pair of switches. The switch is referred to as a low switch (ie, S 7 , S 6 ). The poles of the secondary winding of the transformer T are electrically coupled between the respective switch pairs S 5 , S 7 and S 8 , S 6 .

２次側５４はまた、電圧バス１４にわたって電気的に結合された出力コンデンサＣＯを含んでもよい。 The secondary side 54 may also include an output capacitor C O that is electrically coupled across the voltage bus 14.

スイッチＳ１−Ｓ８は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）又は他の適切なスイッチング装置、例えば、集積ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の形態をとり得る。ＭＯＳＦＥＴの各々にわたって結合されたそれぞれの本体ダイオードを典型的に有するＭＯＳＦＥＴが、商業的に入手可能である。スイッチＳ１−Ｓ８は、ゲートドライブ５６を介して駆動され、ゲートドライブ５６は主ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の部分であり得るか、あるいは別個に用意し得る。 Switch S 1 -S 8 are metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) or other suitable switching device, for example, may take the form of an integrated gate bipolar transistor (IGBT). MOSFETs that typically have their respective body diodes coupled across each of the MOSFETs are commercially available. Switches S 1 -S 8 are driven through a gate drive 56, which may be part of the main DC / DC power converter 12 or may be provided separately.

制御ロジックは、ハードウェア及び／又はソフトウェアに実装可能であり、例えば、制御ロジックはＤＣ／ＤＣ制御器３２に実装可能である。適切な制御ロジックの例について、図４を継続的に参照して以下に直ちに説明する。   The control logic can be implemented in hardware and / or software. For example, the control logic can be implemented in the DC / DC controller 32. An example of suitable control logic is immediately described below with continued reference to FIG.

電圧ループ比例積分（ＰＩ）制御器５８は、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の２次側５４の出力で測定された電圧に対応する、出力電圧フィードバック回路５９から電圧フィードバック信号ＶＶＦを受信する。出力電圧フィードバック回路５９は、例えばオプトアイソレーターを介して、出力電圧ＶＯに対するフィードバック電圧ＶＶＦを絶縁して、増幅する。このように、フィードバック電圧ＶＶＦは出力電圧ＶＯを示すが、フィードバック電圧ＶＶＦは絶縁されて、増幅されている。電圧ループＰＩ制御器５８はまた、基準電圧を示す信号ＶＯ＿ＲＥＦを受信する。電圧ループＰＩ制御器５８は、測定電圧と基準電圧との間の差の積分に比例する信号Ｖｉｇを供給する。 A voltage loop proportional integral (PI) controller 58 receives a voltage feedback signal V VF from an output voltage feedback circuit 59 corresponding to the voltage measured at the output of the secondary side 54 of the DC / DC power converter 12. The output voltage feedback circuit 59 insulates and amplifies the feedback voltage V VF with respect to the output voltage V O via, for example, an opto-isolator. Thus, the feedback voltage V VF indicates the output voltage V O , but the feedback voltage V VF is insulated and amplified. The voltage loop PI controller 58 also receives a signal V O — REF indicating the reference voltage. The voltage loop PI controller 58 provides a signal V ig that is proportional to the integral of the difference between the measured voltage and the reference voltage.

電流クランプ回路６０は、電圧ループＰＩ制御器５８から比例信号Ｖｉｇを受信する。電流クランプ回路６０はまた、電流クランプ状態（例えばＯＮ／ＯＦＦ）を示すロジック合成ブロック６６から電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐを受信する。電流クランプ回路６０は、電流クランプ状態に応じてクランプ又はアンクランプされる生起電流に対応する電圧を示す信号Ｖｉｇ＿ｃｌを生成する。 Current clamp circuit 60 receives proportional signal V ig from voltage loop PI controller 58. The current clamp circuit 60 also receives a current clamp enable signal I_Clamp from the logic synthesis block 66 indicating a current clamp state (eg, ON / OFF). The current clamp circuit 60 generates a signal V ig — cl indicating a voltage corresponding to the generated current that is clamped or unclamped according to the current clamp state.

電流ループＰＩ制御器６２は信号Ｖｉｇ＿ｃｌを受信し、またＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の１次側５２の出力で測定されたインダクタ電流を示す信号Ｖｉｆを受信する。電流ループＰＩ制御器６２は、２つの入力信号の間の差の積分を示す信号を生成する。パルス幅変調（ＰＷＭ）変調器６４は、電流ループＰＩ制御器６２の結果として得られる出力を受信して、ＰＷＭ信号のデューティサイクルを変更することによって対応するＰＷＭ信号を生成する。 The current loop PI controller 62 receives the signal V ig — cl and also receives a signal V if indicative of the inductor current measured at the output of the primary side 52 of the DC / DC power converter 12. Current loop PI controller 62 generates a signal indicative of the integral of the difference between the two input signals. A pulse width modulation (PWM) modulator 64 receives the resulting output of the current loop PI controller 62 and generates a corresponding PWM signal by changing the duty cycle of the PWM signal.

ロジック合成ブロック６６は、ＰＷＭ変調器６４からＰＷＭ信号を受信し、かつ電流パルス化イネーブルライン４１を通して電流パルスイネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ ＥＮＡＢＬＥを受信する。ロジック合成ブロック６６はまた、スイッチＳ１−Ｓ８の対応するＯＮ／ＯＦＦ ＰＷＭ信号を発生して、ＰＷＭ信号をゲートドライブ５６に供給する。電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ ＥＮＡＢＬＥは、電流パルス化作動が開始すべきかどうかを示す。電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ ＥＮＡＢＬＥは、例えば、燃料電池制御器１８（図１）によって発生することが可能である。ロジック合成ブロック６６は、規定ロジックを適用して、ＰＷＭ信号及び電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ ＥＮＡＢＬＥに従って、ゲートドライブ５６を駆動する。 The logic synthesis block 66 receives the PWM signal from the PWM modulator 64 and receives the current pulse enable signal CURRENT_PULSE ENABLE through the current pulse enable line 41. Logic synthesis block 66 also generates a corresponding ON / OFF PWM signal for switches S 1 -S 8 and provides the PWM signal to gate drive 56. The current pulsing enable signal CURRENT_PULSE ENABLE indicates whether the current pulsing operation should be started. The current pulse enable signal CURRENT_PULSE ENABLE can be generated, for example, by the fuel cell controller 18 (FIG. 1). The logic synthesis block 66 applies the prescribed logic to drive the gate drive 56 according to the PWM signal and the current pulse enable signal CURRENT_PULSE ENABLE.

図５は、直前に説明したロジックによって実施される方法７０を示している。   FIG. 5 shows a method 70 implemented by the logic just described.

ステップ７２において、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は通常の作動を始める。典型的に、通常の作動は、変圧器Ｔの１次巻線間の電圧を切り換えることによって従来の方法で燃料電池スタック１６から負荷８及び／又は電力貯蔵装置４８に供給される電力をブースト変換するためのスイッチＳ１−Ｓ４を選択的に作動することを含む。 In step 72, the DC / DC power converter 12 begins normal operation. Typically, normal operation boosts the power supplied from the fuel cell stack 16 to the load 8 and / or power storage device 48 in a conventional manner by switching the voltage across the primary winding of the transformer T. comprising actuating the switch S 1 -S 4 for selectively.

同様に、２次側５４のスイッチＳ５−Ｓ８を選択的に作動して、変圧器Ｔの２次巻線からの電流を整流し得るか、あるいは代わりに、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は２次側５４の受動整流を利用し得る。ＤＣ／ＤＣ制御器３２及び／又はゲートドライブ５６は、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の全体の作動効率を高めるために、同期による整流制御ロジックを利用して、スイッチＳ５−Ｓ８を制御し得る。同期制御ロジックは、例えば比較的低い電圧用途（例えば、２４Ｖ、４８Ｖ、７２Ｖのバッテリ充電器、２０〜３０Ｖ対２００〜４５０Ｖ）において、特に２次側５４の電流が高い場合、２次側５４のスイッチＳ５−Ｓ８の伝導損失の低減を補助する。 Similarly, by selectively actuating the switch S 5 -S 8 of the secondary side 54, or may rectifies the current from the secondary winding of the transformer T, or alternatively, DC / DC power converter 12 Passive rectification on the secondary side 54 may be utilized. The DC / DC controller 32 and / or the gate drive 56 may control the switches S 5 -S 8 using synchronous rectification control logic to increase the overall operating efficiency of the DC / DC power converter 12. . Synchronous control logic can be used, for example, for relatively low voltage applications (eg, 24V, 48V, 72V battery chargers, 20-30V vs. 200-450V), especially when the secondary side 54 current is high. aid to reduce the conduction loss of the switch S 5 -S 8.

ステップ７４で、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２が電流パルス化作動を始める。電流パルス化作動は、燃料電池スタック１６のすべて又は一部分にわたる電圧降下を検出することによってトリガされることが可能であり、あるいは、例えば、燃料電池スタック１６の数分の連続的又は累積的作動に基づいて（例えば、１分間に１回）周期的に、時間又は持続時間に基づきトリガされることが可能である。   In step 74, the DC / DC power converter 12 begins a current pulsing operation. The current pulsing operation can be triggered by detecting a voltage drop across all or a portion of the fuel cell stack 16 or, for example, in a continuous or cumulative operation of several minutes of the fuel cell stack 16. It can be triggered based on time or duration periodically (e.g. once per minute).

電流パルス化作動中、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、電流パルス化期間中にステップ７６で電流パルス化モードに入る。電流パルス化モードの部分として、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は電流パルス７８を生成する。例えば、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の１次側５２のスイッチＳ１−Ｓ４の各々をＯＮにして（すなわち、閉じて）、電流パルス化期間の持続時間中に燃料電池スタック１６にわたって短絡を形成することが可能である。燃料電池スタック１６の短絡により、燃料電池スタック１６の性能を高める高電流パルスが発生される。様々な理由で性能向上が得ることが可能である。例えば、性能向上は、燃料電池スタック１６のカソード触媒構造体（図示せず）に集積する酸化物の除去から、あるいは触媒（図示せず）のアノードに吸着された一酸化炭素の除去から得られる。燃料電池システム１０は、追加の回路を必要とすることなく、短絡機能を提供するためにＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２のスイッチＳ１−Ｓ４を使用することが有利である。 During current pulsing operation, the DC / DC power converter 12 enters a current pulsing mode at step 76 during the current pulsing period. As part of the current pulsing mode, the DC / DC power converter 12 generates a current pulse 78. For example, DC / DC power converter 12 turns on (ie, closes) each of switches S 1 -S 4 on primary side 52 of DC / DC power converter 12 during the duration of the current pulsing period. It is possible to form a short circuit across the fuel cell stack 16. A short circuit of the fuel cell stack 16 generates a high current pulse that enhances the performance of the fuel cell stack 16. Performance improvements can be obtained for various reasons. For example, the performance gain can be obtained from the removal of oxide that accumulates on the cathode catalyst structure (not shown) of the fuel cell stack 16 or from the removal of carbon monoxide adsorbed on the anode of the catalyst (not shown). . The fuel cell system 10 advantageously uses the switches S 1 -S 4 of the DC / DC power converter 12 to provide a short circuit function without the need for additional circuitry.

電流パルス化期間中、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の２次側５４のスイッチＳ５−Ｓ８をステップ８０でＯＦＦにして（すなわち、開放して）、燃料電池スタック１６から電力貯蔵装置４８及び／又は負荷８を電気的に切り離すことが可能である。ＯＦＦにされると、スイッチＳ５−Ｓ８は、電力貯蔵装置４８又は負荷８から燃料電池スタック１６への電流の復帰流れを防止し、これによって、燃料電池スタック１６を保護する。 During the current pulsing period, the switches S 5 -S 8 on the secondary side 54 of the DC / DC power converter 12 are turned off (ie, opened) at step 80, and the power storage device 48 and / or from the fuel cell stack 16. Alternatively, the load 8 can be electrically disconnected. When turned off, switches S 5 -S 8 prevent a return flow of current from power storage device 48 or load 8 to fuel cell stack 16, thereby protecting fuel cell stack 16.

同様に、電流パルス化期間中、電力貯蔵装置４８はステップ８２で電力を負荷８に供給し得る。   Similarly, during current pulsing, the power storage device 48 may supply power to the load 8 at step 82.

電流パルス化期間の終了時、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、ブリッジオフ期間中にステップ８４でブリッジオフモードに入る。１次側５２のスイッチＳ１−Ｓ４の各々は、ブリッジオフ期間の持続時間中にＯＦＦ（すなわち、開放）にされる。この時点で、燃料電池スタック１６の電圧ＶＦＣは開放電圧ＶＯＣに向かって上昇する。通常作動を即座に始めるよりもむしろ、ブリッジオフモードは、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の作動を一時的に停止し、燃料電池スタック１６の電圧がロードなしに開放電圧ＶＯＣに回復することを可能にし、このように、スタベーション後の燃料電池スタック１６の安定作動をイネーブルにする。 At the end of the current pulsing period, the DC / DC power converter 12 enters a bridge off mode at step 84 during the bridge off period. Each of the switches S 1 -S 4 on the primary side 52 is turned off (ie, opened) during the duration of the bridge off period. At this time, the voltage V FC of the fuel cell stack 16 increases toward the open circuit voltage V OC . Rather than starting normal operation immediately, the bridge-off mode temporarily stops the operation of the DC / DC power converter 12 and allows the voltage of the fuel cell stack 16 to recover to the open circuit voltage V OC without loading. Thus, the stable operation of the fuel cell stack 16 after the starvation is enabled.

ブリッジオフ期間中、パワーコンバータ１２の２次側５４のスイッチＳ５−Ｓ８の各々は、ＯＦＦ状態（すなわち、開放）に留まって、電力貯蔵装置４８から変圧器Ｔへの電流の逆流を防止することが可能である。 During the bridge off period, each of the switches S 5 -S 8 on the secondary side 54 of the power converter 12 remains in the OFF state (ie, open) to prevent current backflow from the power storage device 48 to the transformer T. Is possible.

上述のように、電流パルス化モード及びブリッジオフモード中に、電力貯蔵装置４８は電力を負荷８に供給している。このように、電力貯蔵装置４８はこれらの期間中に放出しており、また電力貯蔵装置４８の端子電圧は降下している。ブリッジオフ期間が終わって、またＤＣ／ＤＣコンバータ１２がイネーブルにされた後、燃料電池スタック１６に印加された合計等価負荷は、したがって、負荷８と、電力貯蔵装置４８の再充電に関連した負荷との和である。この負荷の組み合わせは、過渡的な作動中に燃料電池スタック１６に過負荷をかける公算が大きく、燃料電池スタック１６を低効率の高電流作動方式に引き戻す。これが生じた場合、燃料電池システム１０は、それからの回復が困難な望ましくない作動点にトラップされる可能性がある。   As described above, the power storage device 48 supplies power to the load 8 during the current pulsing mode and the bridge-off mode. Thus, the power storage device 48 is discharging during these periods, and the terminal voltage of the power storage device 48 is dropping. After the bridge off period ends and after the DC / DC converter 12 is enabled, the total equivalent load applied to the fuel cell stack 16 is therefore the load 8 and the load associated with the recharging of the power storage device 48. And the sum. This load combination is likely to overload the fuel cell stack 16 during transient operation, and pulls the fuel cell stack 16 back to a low efficiency, high current operation mode. If this occurs, the fuel cell system 10 may be trapped at an undesirable operating point that is difficult to recover from.

短時間の「パルス化」は燃料電池スタック１６の性能向上を助けるが、パルス化中の燃料電池スタック１６からの電流抽出は、ピーク電力出力用の電流抽出よりも典型的に高い。電流パルス化は、燃料電池スタック１６にとって非効率な作動方式である。したがって、「パルス化」の実行後、燃料電池スタック１６をピーク電力点を越えて作動することは望ましくない。燃料電池システム１０のパルス化中、制御は、外部負荷への電力供給にもはや基づかない。ある場合には、このことは正しくない制御を招くことがある（例えば、ピーク電力出力が望ましい場合、燃料電池システム１０が作動しているピーク電力曲線のいずれかの側に応じて、電流を増加又は減少させる必要があり得る）。したがって、効率のために、ならびに燃料電池システム１０に対する適切な制御を維持するために、燃料電池システム１０に過負荷をかけることを防止することが望ましい。   Although a short “pulsing” helps improve the performance of the fuel cell stack 16, current extraction from the fuel cell stack 16 during pulsing is typically higher than current extraction for peak power output. Current pulsing is an inefficient mode of operation for the fuel cell stack 16. Therefore, it is not desirable to operate the fuel cell stack 16 beyond the peak power point after performing “pulsing”. During pulsing of the fuel cell system 10, control is no longer based on power supply to an external load. In some cases, this can lead to incorrect control (eg, if peak power output is desired, the current increases depending on which side of the peak power curve the fuel cell system 10 is operating on). Or may need to be reduced). Therefore, it is desirable to prevent overloading the fuel cell system 10 for efficiency and to maintain proper control over the fuel cell system 10.

この望ましくない状態を軽減又は防止するために、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、ブリッジオフ期間に続く電流制限期間の持続時間中にステップ８６で電流制限モードに入る。電流制限モードは、特に完全な負荷状態で、燃料電池システム１０が電流パルス化作動中に安定的に作動することを補助する。電流制限モードは、パルス化後に燃料電池スタック１６からの電流／電力を制限するように設計され、これにより、過渡期間に燃料電池スタック１６が安定化され、燃料電池スタック１６の過負荷が防止される。   To alleviate or prevent this undesirable condition, the DC / DC power converter 12 enters a current limit mode at step 86 during the duration of the current limit period following the bridge off period. The current limit mode assists the fuel cell system 10 to operate stably during the current pulsing operation, particularly at full load conditions. The current limit mode is designed to limit the current / power from the fuel cell stack 16 after pulsing, thereby stabilizing the fuel cell stack 16 during the transient period and preventing overloading of the fuel cell stack 16. The

特に、電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐは、ロジック合成ブロック６６から電流クランプ回路６０に供給され、電流制限モードを作動する。電流クランプがイネーブルにされると（例えば、ＯＮ）、電流クランプ回路６０の電流限度は、ＩＬＭＡＸ２からＩＬＭＡＸ１に低減され、ここで、ＩＬＭＡＸ１は、電流パルス後に燃料電池スタック１６からの抽出が許容される最大電流であり、またＩＬＭＡＸ２は、定常状態作動中に燃料電池スタック１６から抽出して利用可能な最大電流である。ＩＬＭＡＸ１及びＩＬＭＡＸ２の両方はハードウェアを介して構成可能であり、また燃料電池システム１０の特定の燃料電池スタック１６の作動特性に左右され得る。 In particular, the current clamp enable signal I_Clamp is supplied from the logic synthesis block 66 to the current clamp circuit 60 to activate the current limit mode. When current clamp is enabled (e.g., ON), the current limit of the current clamp circuit 60 is reduced from IL MAX2 to IL MAX1, where, IL MAX1 is the extraction from the fuel cell stack 16 after the current pulse The maximum current allowed, and IL MAX2 is the maximum current that can be extracted and used from the fuel cell stack 16 during steady state operation. Both IL MAX1 and IL MAX2 is configurable via hardware, also may depend on the operating characteristics of the particular fuel cell stack 16 of the fuel cell system 10.

図６は、上に詳細に説明したＩＬＭＡＸ２からＩＬＭＡＸ１を含む電流クランプ回路６０の入力／出力特性を示している。 Figure 6 is a IL MAX2 described in detail above shows the input / output characteristics of the current clamp circuit 60 including IL MAX1.

図７は、図４の燃料電池システム１０の作動の例示した一実施形態による、１次側５２のスイッチＳ１−Ｓ４、電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐ及び電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ ＥＮＡＢＬＥのタイミング図と共に、燃料電池電流ＩＦＣ、燃料電池電圧ＶＦＣ、及び出力電圧ＶＯのグラフを示しており、この場合、モード１は電流パルス化モードに対応し、モード２はブリッジオフモードに対応し、またモード３は電流制限モードに対応する。 7 together with a timing diagram of primary side switches S 1 -S 4 , current clamp enable signal I_Clamp and current pulse enable signal CURRENT_PULSE ENABLE according to an exemplary embodiment of operation of fuel cell system 10 of FIG. , Fuel cell current I FC , fuel cell voltage V FC , and output voltage V O , where mode 1 corresponds to current pulsing mode, mode 2 corresponds to bridge-off mode, and Mode 3 corresponds to the current limiting mode.

通常作動中、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の１次側５２のスイッチＳ１−Ｓ４は、所望の基準電圧ＶＯ＿ＲＥＦで燃料電池電圧ＶＦＣを負荷又は出力電圧ＶＯに変換するために、従来の方法で作動される。電流パルス化作動は、電流パルスイネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ ＥＮＡＢＬＥが燃料電池制御器１８（図１）によって作動されるときに行われる。ロジック合成ブロック６６は、完全な電流パルス化作動を実施するために、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２を制御して、電流パルス化モード、ブリッジオフモード、及び電流制限モードを順次実行する。 During normal operation, the switches S 1 -S 4 on the primary side 52 of the DC / DC power converter 12 are used to convert the fuel cell voltage V FC into a load or output voltage V O at the desired reference voltage V O — REF. Operated in a conventional manner. The current pulsing operation is performed when the current pulse enable signal CURRENT_PULSE ENABLE is activated by the fuel cell controller 18 (FIG. 1). The logic synthesis block 66 controls the DC / DC power converter 12 to perform the current pulsing mode, the bridge-off mode, and the current limiting mode in order to perform a complete current pulsing operation.

燃料電池制御器１８は電流パルス化モードの持続時間を決定する。約２０〜３００ミリ秒のパルス持続時間が適切であり得、３０〜６００秒毎に１つの周波数又は期間が適切であり得る。貯蔵から始動中、より長いパルス及び／又はより頻繁なパルス化が望ましいかもしれない。
The fuel cell controller 18 determines the duration of the current pulsing mode. A pulse duration of about 20-300 milliseconds may be appropriate, and one frequency or period every 30-600 seconds may be appropriate. During startup from storage, longer pulses and / or more frequent pulsing may be desirable.

燃料電池制御器１８はまた、例えば、ハードウェアに記憶されたパラメータを介してまた特定の燃料電池システム１０の燃料電池スタック１６のタイプの特性に基づき、ブリッジオフモード及び電流制限モードの持続時間を決定する。ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側５２のスイッチＳ１−Ｓ４は、通常作動モード中にブーストコンバータとして作動し、ＯＮになって、電流パルス化モード中にＯＮ状態に留まって電流パルスを発生し、ＯＦＦになって、ブリッジオフモード中にＯＦＦに留まり、最後に、電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐがイネーブルにされ又はＯＮである間よりも低い電流限度で、電流制限モード中にブーストコンバータとして作動する。 The fuel cell controller 18 also determines the duration of the bridge-off mode and the current limit mode, for example, via parameters stored in hardware and based on the characteristics of the fuel cell stack 16 type of the particular fuel cell system 10. decide. The switches S 1 -S 4 on the primary side 52 of the DC / DC converter operate as a boost converter during the normal operation mode and are ON and remain ON during the current pulsing mode to generate current pulses. , OFF, stays OFF during the bridge OFF mode, and finally operates as a boost converter during the current limit mode with a lower current limit than while the current clamp enable signal I_Clamp is enabled or ON.

図８は、例示した他の実施形態による燃料電池システム１０の別の実施形態を示している。図８の実施形態は、図４の絶縁ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２の代わりに非絶縁ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２を使用する。非絶縁ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、図４の実施形態のスイッチＳ１−Ｓ８及び変圧器Ｔに取って代わる単一のスイッチＳ１として示されている。非絶縁パワーコンバータ１２はまた、ブーストインダクタＬ１を備える。 FIG. 8 illustrates another embodiment of a fuel cell system 10 according to another illustrated embodiment. The embodiment of FIG. 8 uses a non-isolated DC / DC power converter 12 instead of the isolated DC / DC power converter 12 of FIG. Non-isolated DC / DC power converter 12 is shown as a single switch S 1 that replaces switches S 1 -S 8 and transformer T of the embodiment of FIG. Non-isolated power converter 12 also includes a boost inductor L 1.

図９は、図８の燃料電池システム１０の作動の例示した一実施形態による、１次側５２のスイッチＳ１、電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐ及び電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ ＥＮＡＢＬＥのタイミング図と共に、燃料電池電流ＩＦＣ、燃料電池電圧ＶＦＣ、及び出力電圧ＶＯのグラフを示しており、この場合、モード１は電流パルス化モードに対応し、モード２はブリッジオフモードに対応し、またモード３は電流制限モードに対応する。 FIG. 9 illustrates a fuel cell, along with a timing diagram of primary side switch S 1 , current clamp enable signal I_Clamp and current pulse enable signal CURRENT_PULSE ENABLE, according to an illustrative embodiment of the operation of fuel cell system 10 of FIG. A graph of current I FC , fuel cell voltage V FC , and output voltage V O is shown, where mode 1 corresponds to current pulsing mode, mode 2 corresponds to bridge-off mode, and mode 3 Corresponds to current limit mode.

図９に示したように、電流クランプイネーブル信号Ｉ＿Ｃｌａｍｐは、電流制限モードの開始の前に作動することができる。例えば、電流クランプイネーブル信号は、図９の陰付きの領域によって示されるように、電流パルス化モード及び／又はブリッジオフモード中に常に作動し得る。いくつかの実施形態では、電流制限モードの開始前に電流クランプ回路６０に追加の定着時間を与えるために、電流パルス化イネーブル信号ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＰＵＬＳＥ ＥＮＡＢＬＥの立ち上がりエッジと同期して、電流制限ロジックを作動することが好ましいかもしれない。   As shown in FIG. 9, the current clamp enable signal I_Clamp can be activated before the start of the current limit mode. For example, the current clamp enable signal may always operate during the current pulsing mode and / or the bridge-off mode, as indicated by the shaded area in FIG. In some embodiments, the current limit logic is activated in synchronization with the rising edge of the current pulsed enable signal CURRENT_PULSE ENABLE to give the current clamp circuit 60 additional fixing time before the start of the current limit mode. May be preferred.

上記の教示は、図１０と図１１に示したように、非常に多様な出力電力及び電圧の電源システムの提供にモジュール式に実施することが可能である。   The above teachings can be implemented modularly to provide a very diverse output power and voltage power supply system, as shown in FIGS.

図１０は、電力を負荷８に供給するために電圧バス１４で電気的に直列結合されたいくつかの電源６１−６ｎを示している。省略符号は、任意の数の追加の電源を第１の電源６１とｎ番目の電源６ｎとの間に電気的に結合し得ることを示している。このモジュール式アプローチにより、顧客は、同一の燃料電池スタック設計及び同一の電源６モジュールを利用しつつ、ｎ倍の出力電圧においてｎ倍の出力電力の電源システムを再構成することができる。モジュール式アプローチは、システムの冗長性を有利に可能にする。すなわち、システムはある程度の余剰能力により設計可能であり、１つ以上のモジュールが故障しても十分な電力を供給することが可能である。 FIG. 10 shows several power supplies 6 1 -6 n electrically connected in series with voltage bus 14 to supply power to load 8. Ellipsis indicates that it is possible to electrically coupled between the additional power for any number of the first power source 61 and the n-th power 6 n. This modular approach allows customers to reconfigure a power system with n times the output power at n times the output voltage while utilizing the same fuel cell stack design and the same power supply 6 modules. The modular approach advantageously allows for system redundancy. In other words, the system can be designed with a certain amount of surplus capacity and can supply sufficient power even if one or more modules fail.

図１１は、電力を負荷８に供給するための電圧線路１４ａ、１４ｂによって形成された電圧バス１４で電気的に並列結合されたいくつかの電源６１−６ｎを示している。このモジュール式アプローチにより、顧客は、同一の燃料電池スタック設計及び同一の電源６モジュールを利用しつつ、同一の電圧においてｎ倍の出力電力の電源システムを再構成することができる。図１０と図１１の実施形態は、直列及び並列に結合された様々な構成で組み合わせて、電源システムの製造、検証、及び流通に対するモジュール式アプローチを提供することができる。 FIG. 11 shows several power supplies 6 1 -6 n electrically connected in parallel with a voltage bus 14 formed by voltage lines 14 a, 14 b for supplying power to a load 8. This modular approach allows customers to reconfigure a power system with n times the output power at the same voltage while utilizing the same fuel cell stack design and the same power supply 6 module. The embodiments of FIGS. 10 and 11 can be combined in various configurations coupled in series and in parallel to provide a modular approach to power system manufacturing, verification, and distribution.

多数の燃料電池システム１０を使用するいくつかの用途では、各燃料電池システム１０から抽出された電力は、燃料電池システム１０の間の小さな差、例えば、構造又は作動寿命の差のため異なることがある。このような用途では、燃料電池システム１０の間で抽出される電力の差がある指定した範囲内にあることを確実にすることが有益であり得る。１つのアプローチでは、プラントバランス（ＢｏＰ）、すなわち燃料電池システム１０の内部システムへの電力は、変圧器を通して供給して、直流絶縁を提供することが可能であり、ＢｏＰは燃料電池スタック１２を基準に接地される。電気貯蔵装置４８及び負荷８は、燃料電池システム１０のＢｏＰから電気的に絶縁される。様々な燃料電池システム１０の燃料電池制御器１８は、内部インタフェースバス２１（図１と図２）を介して通信結合可能である。   In some applications using multiple fuel cell systems 10, the power extracted from each fuel cell system 10 may differ due to small differences between fuel cell systems 10, for example, differences in structure or operating life. is there. In such applications, it may be beneficial to ensure that the difference in power extracted between the fuel cell systems 10 is within a specified range. In one approach, plant balance (BoP), i.e., power to the internal system of the fuel cell system 10 can be supplied through a transformer to provide DC isolation, with BoP referenced to the fuel cell stack 12. Grounded. The electrical storage device 48 and the load 8 are electrically isolated from the BoP of the fuel cell system 10. The fuel cell controllers 18 of the various fuel cell systems 10 can be communicatively coupled via an internal interface bus 21 (FIGS. 1 and 2).

一般に、当業者に公知である負荷共有方法の任意の方法を使用することが可能である。例えば、周知の受動的な電流共有方法（例えば、「ドループ」方法）、ならびにここで説明するような能動電流共有方法がある。広く言って、負荷共有は、電流及び／又は電圧を基礎とし得る。このように、平均化は、同一の電圧、同一の電流、又は両方のある組み合わせを得るために実行可能である。   In general, any of the load sharing methods known to those skilled in the art can be used. For example, there are well known passive current sharing methods (eg, “droop” methods), as well as active current sharing methods as described herein. Broadly speaking, load sharing can be based on current and / or voltage. Thus, averaging can be performed to obtain the same voltage, the same current, or some combination of both.

さらに、燃料電池システム１０の各々の燃料電池スタックからの電流は、内部インタフェース２１（図１と図２）を通して１つ以上の燃料電池制御器１８に報告可能であり、それぞれのＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２は、互いにより平均化された電流を出力するように作動される。ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１２に対する電圧基準３４は、燃料電池スタック１６の間の電流共有を実施するために、燃料電池制御器１８によって適切に調整される。   In addition, the current from each fuel cell stack of the fuel cell system 10 can be reported to one or more fuel cell controllers 18 through an internal interface 21 (FIGS. 1 and 2), each DC / DC power converter. 12 are operated to output currents that are more averaged with each other. The voltage reference 34 for the DC / DC power converter 12 is appropriately adjusted by the fuel cell controller 18 to implement current sharing between the fuel cell stacks 16.

追加して、又は代わりに、単独であるいは他の燃料電池システム１０と組み合わせて作動する燃料電池システム１０は、ファン電力制御方法を使用することが可能である。   Additionally or alternatively, the fuel cell system 10 operating alone or in combination with other fuel cell systems 10 can use the fan power control method.

ファン２６は、燃料電池システム１０の多数の機能を実行してもよい。例えば、ファン２６は、酸化剤及び／又は冷却剤の流れを提供してもよく、パワーエレクトロニクスを冷却してもよく、通気されるか又はリークされる水素を薄めてもよく、また燃料電池スタック１６及び／又はパワーエレクトロニクスによって加熱された空気を水蒸発器の上方に循環させて、蒸発を補助してもよい。例えば、ファン２６の速度は、主に、燃料電池スタック１６用の冷却要件に基づき設定してもよい。この場合、空気／酸化剤流れ（すなわち、空気の化学量論）は、単に、ある一定の最小よりも大きければよい。水素希釈のため、空気流も、通常、ある一定の最小よりも大きければよい。パワーエレクトロニクス、特にＤＣ／／ＤＣコンバータ１２、５０は、簡単に過熱可能であるべきでない。したがって、ファン２６はある最小速度で又はそれを超えて動作する。上述において、一般に、ＰＩＤループはスタック温度に従ってファン速度を制御する。他のＰＩＤループを使用して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、５０の温度を制限してもよい。すなわち、第２のＰＩＤループは、必要ならば、ファン速度制御をオーバライドして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、５０の充分な冷却を保証するが、このことは、望むよりも強い燃料スタック１６の冷却をもたらす可能性がある。水素レベルが余りに高くなった場合、水素センサを使用して、この状態を検出しかつ燃料電池システム１０を遮断することが可能である。当然、他のファン制御方法が可能である。   The fan 26 may perform a number of functions of the fuel cell system 10. For example, the fan 26 may provide oxidant and / or coolant flow, cool power electronics, dilute hydrogen that is vented or leaked, and fuel cell stacks. 16 and / or air heated by power electronics may be circulated above the water evaporator to assist in evaporation. For example, the speed of the fan 26 may be set primarily based on the cooling requirements for the fuel cell stack 16. In this case, the air / oxidant flow (ie, air stoichiometry) simply needs to be greater than a certain minimum. Due to the hydrogen dilution, the air flow usually needs to be larger than a certain minimum. The power electronics, in particular the DC // DC converters 12, 50, should not be easily overheated. Thus, fan 26 operates at or beyond some minimum speed. In the above, generally, the PID loop controls the fan speed according to the stack temperature. Other PID loops may be used to limit the temperature of the DC / DC converters 12,50. That is, the second PID loop overrides the fan speed control, if necessary, to ensure sufficient cooling of the DC / DC converters 12, 50, which is a stronger cooling of the fuel stack 16 than desired. May bring about. If the hydrogen level becomes too high, a hydrogen sensor can be used to detect this condition and shut off the fuel cell system 10. Of course, other fan control methods are possible.

開示した実施形態は、既存のシステムに対しいくつかの利点を提供し得る。例えば、上述のアプローチは、顧客の特定の所望の電力要件及び電圧要件に見合う適切な電源システムを製造するために必要な時間を低減することが可能である。電源システムを実際の負荷要件により密接に適合させることにより、及び／又はパワーコンバータを介して出力電圧を調整できる電源システムにより、コストが節約されるが、この理由は、燃料電池スタック１６の電池が少なくて済むからであり、また比較的少数の、場合によっては１つのみの標準燃料電池スタック１６を設計、検証、製造、在庫及び流通すればよいからである。さらに、電源システムを実際の負荷要件により密接に適合させることにより、燃料電池スタック１６のより効率的に作動が可能になる。   The disclosed embodiments may provide several advantages over existing systems. For example, the approach described above can reduce the time required to produce a suitable power supply system that meets a customer's specific desired power and voltage requirements. Costs are saved by adapting the power system more closely to the actual load requirements and / or by a power system that can regulate the output voltage via a power converter because the cells in the fuel cell stack 16 This is because only a small number of standard fuel cell stacks 16 may be designed, verified, manufactured, stocked and distributed. Further, the fuel cell stack 16 can be operated more efficiently by more closely adapting the power supply system to the actual load requirements.

パワーコンバータを用いて電圧を調整することにより、所望の負荷電圧と無関係に、最大負荷における燃料電池スタック１６の作動が可能になり、同様に、最適の分極曲線に沿った燃料電池スタックのより効率的な作動が可能になる。上記のように、高価で損失の多い高圧スイッチ及び／又はダイオードの排除は、コストを節減し、効率を高める。さらに上に説明したように、ファン用の専用電源の除去は相当のコスト節減をもたらし、効率を高める。負荷８にわたって電力貯蔵装置４８を結合することにより、燃料電池スタック１６の最大出力定格を低減することによって相当の節減が行われる。さらに、主パワーコンバータ１２は、時折、あるいは必要に応じて、電流パルスを発生して燃料電池スタック性能を高めることが可能である。   Regulating the voltage using a power converter allows operation of the fuel cell stack 16 at full load, regardless of the desired load voltage, as well as more efficient of the fuel cell stack along the optimal polarization curve. Operation becomes possible. As noted above, the elimination of expensive and lossy high voltage switches and / or diodes saves cost and increases efficiency. As further explained above, the removal of the dedicated power supply for the fan results in considerable cost savings and increases efficiency. By coupling the power storage device 48 across the load 8, considerable savings are made by reducing the maximum output rating of the fuel cell stack 16. Furthermore, the main power converter 12 can generate current pulses from time to time or as needed to enhance fuel cell stack performance.

電源の特定の実施形態及びその実施例について、例示目的で本明細書に説明しているが、当業者によって認識されるように、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の精神と範囲から逸脱することなく、様々な等価の修正を行うことができる。本明細書に提供された教示は、必ずしも一般に上述した模範的な燃料電池システムではなく、他の燃料電池システムに適用することができる。   While specific embodiments of power supplies and examples thereof are described herein for purposes of illustration, as will be appreciated by those skilled in the art, they depart from the spirit and scope of the power converter architecture and method of the present invention. And various equivalent modifications can be made. The teachings provided herein can be applied to other fuel cell systems, not necessarily the exemplary fuel cell system generally described above.

上述の様々な実施形態は、別の実施形態を提供するために組み合わせることができる。共通に譲渡された出願中の米国特許出願第１０／０１７，４８０号明細書、表題「燃料電池システムからの電圧を制御するための方法と装置」（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｆｒｏｍ ａ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ」）；同第１０／０１７，４６２号明細書、表題「燃料電池システムからの電圧の多数モード制御用の方法と装置」（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｆｒｏｍ ａ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ）；同第１０／０１７，４６１号明細書、表題「燃料電池システムの多段電圧制御の方法と装置」（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｔａｇｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）、すべて２００１年１２月１４日に出願；同第６０／４２１，１２６号明細書、表題「電源の燃料電池システムの調整可能なアレイ」（Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ａｒｒａｙ Ｏｆ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）、２００２年５月１６日に出願；同第６０／４３６，７５９号明細書、表題「燃料電池システムの調整可能なアレイを有する電力計画」（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎ Ｗｉｔｈ Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ａｒｒａｙ Ｏｆ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、２００２年１２月１７日に出願；及び同第１０／４２６，９４２号明細書、２００３年４月２９日に出願、表題「一体型燃料電池ベースの電源用のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法」（ＰＯＷＥＲ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＦＵＥＬ ＣＥＬＬ ＢＡＳＥＤ ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＩＥＳ）を含むが、それらに限定されない上記の米国特許、特許出願及び本明細書で参照される文献のすべては、それらの全体が本明細書に参考としてすべて組み込まれている。   The various embodiments described above can be combined to provide other embodiments. Commonly assigned pending US patent application Ser. No. 10 / 017,480, entitled “Method and Apparatus for Controlling Voltage from a Fuel Cell System” (Method and Apparatus for Controlling Fuel Cell System) No. 10 / 017,462, entitled “Method and Apparatus for Multiple Mode Control of Voltage from a Fuel Cell System” (Method and Apparatus for Multiple Mode of Voltage From Fuel Cell System); No. 10 / 017,461, entitled “Method and apparatus for multi-stage voltage control of fuel cell system” (Fuel Cell System Multiple Stags) Voltage Control Method and Apparatus, all filed on Dec. 14, 2001; No. 60 / 421,126, entitled “Adjustable Array of Fuel Cell Systems of Power Source” (Adjustable Array Of Fuel Systems In Power). (Supply), filed May 16, 2002; 60 / 436,759, entitled “Power Plan with Adjustable Array of Fuel Cell Systems” (Electric Power Plan With Adjustable Cell Systems). No. 10 / 426,942, filed Apr. 29, 2003, entitled “Integrated Fuel Cell Base”; All of the above US patents, patent applications and references referred to herein, including, but not limited to, "POWER CONVERTER ARCHITECTURE AND METHOD FOR INTERGRATED FUEL CELL BASED POWER SUPPLIES" Are all incorporated herein by reference in their entirety.

本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法の態様は、必要ならば、様々な特許、用途及び文献のシステム、回路及び構想を利用して、本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法のさらに別の実施形態を提供するために修正することができる。適切な作動方法は、追加のステップを含み、いくつかのステップを排除し、及び／又は異なる順序でいくつかのステップを実行することが可能である。例えば、燃料電池制御器１８は、作動状態を決定するために、及び／又はスイッチＳＷ１、ＳＷ２を開閉するために異なる順序を使用することが可能である。 Aspects of the power converter architecture and method of the present invention provide further embodiments of the power converter architecture and method of the present invention, utilizing various patent, application and literature systems, circuits and concepts, if necessary. Can be modified to A suitable actuation method can include additional steps, eliminate some steps, and / or perform some steps in a different order. For example, the fuel cell controller 18 can use a different order to determine operating conditions and / or to open and close the switches SW 1 , SW 2 .

上記の詳細な説明に鑑み、これらの及び他の変更を本発明のパワーコンバータアーキテクチャ及び方法に行うことができる。一般に、次の特許請求の範囲において、使用する用語は、明細書及び特許請求の範囲に開示した特定の実施形態に本発明を限定すると解釈されるべきでなく、特許請求の範囲に従って作動するすべての燃料電池システムを含むと解釈されるべきである。したがって、本発明は開示によって限定されず、代わりにその範囲は次の特許請求の範囲によって完全に決定される。   These and other changes can be made to the power converter architecture and method of the present invention in light of the above detailed description. In general, in the following claims, the terms used should not be construed to limit the invention to the specific embodiments disclosed in the specification and the claims, and all that operate according to the claims. Should be construed as including the fuel cell system. Accordingly, the invention is not limited by the disclosure, but instead its scope is to be determined entirely by the following claims.

外部負荷に動力を供給する燃料電池システムの概略図であり、燃料電池システムは、例示した一実施形態による燃料電池スタック、ファン、主絶縁パワーコンバータ、絶縁パワーコンバータ、電力貯蔵装置、燃料電池制御器、ＤＣ／ＤＣ制御器及び１対のスイッチを備える。1 is a schematic diagram of a fuel cell system that supplies power to an external load, and the fuel cell system includes a fuel cell stack, a fan, a main insulated power converter, an insulated power converter, a power storage device, and a fuel cell controller according to an illustrated embodiment. A DC / DC controller and a pair of switches. 一代替実施形態による単投双極スイッチを含む燃料電池システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a fuel cell system including a single throw, bipolar switch according to an alternative embodiment. FIG. 例示した一実施形態による燃料電池システムを作動するための状態遷移図である。2 is a state transition diagram for operating a fuel cell system according to an exemplary embodiment; FIG. 図３Ａの状態遷移図による燃料電池システムを作動するための状態遷移表である。It is a state transition table for operating the fuel cell system according to the state transition diagram of FIG. 3A. 図３Ａの状態遷移図による燃料電池システムを作動するための状態遷移表である。It is a state transition table for operating the fuel cell system according to the state transition diagram of FIG. 3A. 外部負荷に動力を供給する燃料電池システムの概略図であり、燃料電池システムは、例示した一実施形態による燃料電池スタック、主絶縁ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ、電力貯蔵装置、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ制御ロジックを備える。1 is a schematic diagram of a fuel cell system for powering an external load, the fuel cell system including a fuel cell stack, a main isolated DC / DC power converter, a power storage device, and a DC / DC power converter control logic according to one illustrated embodiment. Is provided. 例示した一実施形態による図４の燃料電池システムを作動する方法のフローチャートである。5 is a flowchart of a method of operating the fuel cell system of FIG. 4 according to one illustrated embodiment. 図４の制御ロジックの部分であり得る電流クランプ回路の模範的な入力／出力特性のグラフ図である。FIG. 5 is a graph of exemplary input / output characteristics of a current clamp circuit that may be part of the control logic of FIG. 例示した一実施形態による図４の燃料電池システムのＤＣ／ＤＣコンバータを駆動するための信号に関する様々な電流及び電圧のグラフ図である。FIG. 5 is a graph of various currents and voltages for signals for driving the DC / DC converter of the fuel cell system of FIG. 4 according to one illustrated embodiment. 外部負荷に動力を供給する燃料電池システムの概略図であり、燃料電池システムは、例示した一実施形態による燃料電池スタック、主ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ、電力貯蔵装置、及びＤＣ／ＤＣパワーコンバータ制御ロジックを備える。1 is a schematic diagram of a fuel cell system for powering an external load, the fuel cell system including a fuel cell stack, a main DC / DC power converter, a power storage device, and a DC / DC power converter control logic according to one illustrated embodiment. Is provided. 例示した一実施形態による図８の燃料電池システムのＤＣ／ＤＣコンバータを駆動するための信号に関する様々な電流及び電圧のグラフ図である。FIG. 9 is a graph of various currents and voltages for signals for driving the DC / DC converter of the fuel cell system of FIG. 8 according to one illustrated embodiment. 所望の電圧で所望の電力を負荷に供給するために電気的に直列結合されたいくつかの燃料電池システムの概略図である。1 is a schematic diagram of several fuel cell systems electrically coupled in series to provide a desired power to a load at a desired voltage. FIG. 所望の電圧で電力を負荷に供給するために電気的に並列結合されたいくつかの燃料電池システムの概略図である。1 is a schematic diagram of several fuel cell systems that are electrically coupled in parallel to supply power to a load at a desired voltage. FIG.

Claims (19)

第１の側と第２の側とを備える主パワーコンバータと、該主パワーコンバータの第１の側に電気的に結合された燃料電池スタックと、該主パワーコンバータの第２の側に電気的に結合された負荷と、を備える燃料電池システムを作動するための方法であって、
前記燃料電池スタックからの電流を前記負荷にブースト変換する通常作動に続く電流パルス化作動を開始すべき時間を決定するステップと、
前記主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、前記電流パルス化作動の少なくとも一部分としての電流パルス化期間中に、前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップと、
前記電流パルス化期間に続く、ブリッジを形成する前記第１の側のスイッチがオフにされるブリッジオフ期間中に前記主パワーコンバータの作動を一時的に停止するステップと、
前記ブリッジオフ期間に続く電流制限期間中に前記主パワーコンバータの第２の側からの電流を規定閾値に制限するステップと、
を含む方法。A main power converter comprising a first side and a second side, a fuel cell stack electrically coupled to the first side of the main power converter, and an electric power to the second side of the main power converter And a load coupled to the fuel cell system, the method comprising:
Determining a time to initiate a current pulsing operation following a normal operation of boost converting current from the fuel cell stack to the load;
Selectively activating several switches on the first side of the main power converter to electrically short the fuel cell stack during a current pulsing period as at least a portion of the current pulsing operation. When,
Temporarily stopping the operation of the main power converter during a bridge off period following the current pulsing period when the first side switch forming the bridge is turned off;
Limiting the current from the second side of the main power converter to a specified threshold during a current limiting period following the bridge off period;
Including methods. 前記燃料電池スタックと、前記主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチの少なくとも１つとに電気的に直列結合されたインダクタを、前記電流パルス化期間中に飽和させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。  Further comprising saturating an inductor electrically coupled in series with the fuel cell stack and at least one of several switches on a first side of the main power converter during the current pulsing period. Item 2. The method according to Item 1. 前記主パワーコンバータの第２の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、前記電流パルス化期間の少なくとも一部分中に前記負荷から前記主パワーコンバータを電気的に絶縁するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。  Further comprising selectively activating several switches on a second side of the main power converter to electrically isolate the main power converter from the load during at least a portion of the current pulsing period; The method of claim 2. 前記主パワーコンバータの第１の側及び第２の側の少なくとも一方のいくつかのスイッチを選択的に作動して、通常作動に入るために、前記電流制限期間に続くブースト変換期間中に前記燃料電池スタックからの電流を前記負荷にブースト変換するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。The fuel during a boost conversion period following the current limit period to selectively activate some switches on at least one of the first side and the second side of the main power converter to enter normal operation. the current from the battery stack further comprises a step of boost converter to the load, the method according to claim 1. 前記ブースト変換期間の少なくとも一部分の間に、前記燃料電池スタックから、前記主パワーコンバータの第２の側にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置にエネルギを貯蔵するステップと、
前記電流パルス化期間中に前記電力貯蔵装置から前記負荷にエネルギを放出するステップとをさらに含む、
請求項４に記載の方法。Storing energy from the fuel cell stack to a power storage device electrically coupled across a second side of the main power converter during at least a portion of the boost conversion period;
Discharging energy from the power storage device to the load during the current pulsing period;
The method of claim 4 . 前記主パワーコンバータの第２の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、前記電流パルス化期間の少なくとも一部分中に前記負荷から前記主パワーコンバータを電気的に絶縁するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。Further comprising selectively activating several switches on a second side of the main power converter to electrically isolate the main power converter from the load during at least a portion of the current pulsing period; The method of claim 5 . 前記主パワーコンバータの第１の側にわたって、電圧スパイククランプ回路で電圧スパイクをクランプするステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。The method of claim 5 , further comprising clamping a voltage spike with a voltage spike clamp circuit across a first side of the main power converter. 前記主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、前記電流パルス化作動の少なくとも一部分としての電流パルス化期間中に、前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップが、第１の対のトランジスタを電気的に作動して、変圧器の１次側の第１の極を正の電圧線路及び負の電圧線路の両方に電気的に結合し、また第２の対のトランジスタを電気的に作動して、変圧器の前記１次側の第２の極を前記正の電圧線路及び前記負の電圧線路の両方に電気的に結合するステップを含む、請求項１に記載の方法。  Selectively activating several switches on the first side of the main power converter to electrically short the fuel cell stack during a current pulsing period as at least a portion of the current pulsing operation. Electrically actuate the first pair of transistors to electrically couple the first pole on the primary side of the transformer to both the positive voltage line and the negative voltage line; The method includes electrically actuating a pair of transistors to electrically couple the second pole on the primary side of the transformer to both the positive voltage line and the negative voltage line. The method described in 1. 電流パルス化作動を開始すべき時間を決定するステップが、間隔の経過を決定するステップ及び前記燃料電池スタックの少なくとも一部分にわたる電圧が閾値電圧未満に低下したことを決定するステップの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。  Determining the time at which to start the current pulsing operation includes at least one of determining the passage of an interval and determining that the voltage across at least a portion of the fuel cell stack has dropped below a threshold voltage; The method of claim 1. 電流パルス化作動を開始すべき時間を決定するステップが、３０〜６００秒の間隔が経過したことを決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。  The method of claim 1, wherein determining a time at which to start a current pulsing operation comprises determining that an interval of 30 to 600 seconds has elapsed. 前記主パワーコンバータの第１の側のいくつかのスイッチを選択的に作動して、前記電流パルス化作動の少なくとも一部分としての電流パルス化期間中に、前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップが、前記主パワーコンバータの第１の側の前記いくつかのスイッチを選択的に作動して、前記燃料電池スタックから２０〜３００ミリ秒のパルス持続時間を有する電流パルスを生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。  Selectively activating several switches on the first side of the main power converter to electrically short the fuel cell stack during a current pulsing period as at least a portion of the current pulsing operation. Selectively actuating the several switches on the first side of the main power converter to generate current pulses having a pulse duration of 20-300 milliseconds from the fuel cell stack; The method of claim 1. 燃料電池スタックを有する燃料電池システムのパワーコンバータを作動する方法であって、前記パワーコンバータが、入力部と、出力部と、前記入力部と前記出力部との間に電気的に結合された変圧器と、前記入力部と前記変圧器の１次側との間に電気的に結合された選択的に作動可能ないくつかの１次側スイッチと、前記出力部と前記変圧器の２次側との間に電気的に結合された選択的に作動可能ないくつかの２次側スイッチとを備え、
前記方法が、
ブースト変換期間中に前記変圧器の第１の側から前記変圧器の第２の側に電流をブースト変換するステップと、
前記１次側スイッチを閉じて、前記ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるステップと、
前記２次側スイッチを開いて、前記電流パルス化期間中に前記変圧器の２次側を電気的に切り離すステップと、
前記電流パルス化期間に続く、ブリッジを形成する前記１次側スイッチがオフにされるブリッジオフ期間中に前記パワーコンバータの作動を一時的に停止するステップと、
前記ブリッジオフ期間に続く電流制限期間中に前記パワーコンバータの出力部からの電流を規定閾値に制限するステップと、
を含む方法。A method for operating a power converter of a fuel cell system having a fuel cell stack, wherein the power converter is electrically coupled between an input unit, an output unit, and the input unit and the output unit. , Several selectively actuable primary switches electrically coupled between the input and the primary side of the transformer, the output and the secondary side of the transformer A number of selectively actuable secondary switches electrically coupled to each other,
The method comprises
Boost converting current from a first side of the transformer to a second side of the transformer during a boost conversion period;
Closing the primary switch and electrically shorting the fuel cell stack during a current pulsing period following the boost conversion period;
Opening the secondary side switch to electrically disconnect the secondary side of the transformer during the current pulsing period;
Temporarily stopping the operation of the power converter during a bridge-off period in which the primary switch forming the bridge is turned off following the current pulsing period;
Limiting the current from the output of the power converter to a specified threshold during a current limiting period following the bridge off period;
Including methods. 前記ブースト変換期間の少なくとも一部分の間に、前記パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置にエネルギを貯蔵するステップと、
前記電流パルス化期間の少なくとも一部分の間に、前記電力貯蔵装置からエネルギを放出するステップと、
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。Storing energy in a power storage device electrically coupled across the output of the power converter during at least a portion of the boost conversion period;
Releasing energy from the power storage device during at least a portion of the current pulsing period;
The method of claim 12 , further comprising: 燃料電池システムであって、
入力部と、出力部と、第１の組のスイッチと、第２の組のスイッチとを備える主パワーコンバータと、
前記主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された燃料電池スタックと、
前記主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された電力貯蔵装置と、
前記主パワーコンバータのスイッチを制御するように結合された少なくとも１つの制御器であって、前記少なくとも第１の組のスイッチを作動して、ブースト変換期間中に前記燃料電池スタックからの電流をブースト変換し、また前記第１の組のスイッチを作動して、前記ブースト変換期間に続く電流パルス化期間中に前記燃料電池スタックを電気的に短絡させるように構成される制御器と、
を備え、
前記制御器が、前記電流パルス化期間に続く、ブリッジを形成する前記第１の組のスイッチがオフにされるブリッジオフ期間中に前記主パワーコンバータの作動を一時的に停止し、また前記ブリッジオフ期間に続く電流制限期間中に前記主パワーコンバータの出力部からの電流を規定閾値に制限する燃料電池システム。A fuel cell system,
A main power converter comprising an input unit, an output unit, a first set of switches, and a second set of switches;
A fuel cell stack electrically coupled across the input of the main power converter;
A power storage device electrically coupled across the output of the main power converter;
At least one controller coupled to control a switch of the main power converter, wherein the at least first set of switches is activated to boost current from the fuel cell stack during a boost conversion period; A controller configured to convert and actuate the first set of switches to electrically short the fuel cell stack during a current pulsing period following the boost conversion period;
With
The controller temporarily stops operation of the main power converter during a bridge off period in which the first set of switches forming the bridge are turned off following the current pulsing period, and the bridge the fuel cell system that limits the current from the output portion of the main power converter during the current limiting period following the off period in the designated threshold. 前記主パワーコンバータが、前記入力部と前記第１の組のスイッチの少なくとも１つとの間に電気的に直列結合されたインダクタをさらに備える、請求項１４に記載の燃料電池システム。The fuel cell system of claim 14 , wherein the main power converter further comprises an inductor electrically coupled in series between the input and at least one of the first set of switches. 前記主パワーコンバータが、前記主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された電圧スパイククランプ回路をさらに備える、請求項１４に記載の燃料電池システム。The fuel cell system of claim 14 , wherein the main power converter further comprises a voltage spike clamp circuit electrically coupled across an input of the main power converter. 前記主パワーコンバータが、前記主パワーコンバータの入力部にわたって電気的に結合された入力コンデンサをさらに備える、請求項１６に記載の燃料電池システム。The fuel cell system of claim 16 , wherein the main power converter further comprises an input capacitor electrically coupled across an input of the main power converter. 前記主パワーコンバータが、前記主パワーコンバータの出力部にわたって電気的に結合された出力コンデンサをさらに備える、請求項１７に記載の燃料電池システム。The fuel cell system of claim 17 , wherein the main power converter further comprises an output capacitor electrically coupled across an output of the main power converter. 前記主パワーコンバータが、前記第１及び第２の組のスイッチの間に電気的に結合された、１次側及び２次側を備える変圧器をさらに備える、請求項１８に記載の燃料電池システム。19. The fuel cell system of claim 18 , wherein the main power converter further comprises a transformer with a primary side and a secondary side electrically coupled between the first and second sets of switches. .
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