ハイブリッドシステムの動作を管理する方法
【課題】ハイブリッドシステムの性能を最適化し、燃料電池スタックの寿命を向上させる。
【解決手段】本発明は、ハイブリッド連続電流源の動作を管理する方法に関し、その電流源は、燃料電池スタック（２）、バッテリ（６）、さらに入力と出力を有するＤＣ／ＤＣコンバータ（４）を含み、コンバータ（４）の入力は燃料電池スタックの出力に接続され、出力はバッテリと並列に変動負荷（８）に接続されており、燃料電池スタックは、燃料と酸化ガスから電気を発生させるように構成された複数の電気化学セルで形成されている。
【解決手段】本発明は、ハイブリッド連続電流源の動作を管理する方法に関し、その電流源は、燃料電池スタック（２）、バッテリ（６）、さらに入力と出力を有するＤＣ／ＤＣコンバータ（４）を含み、コンバータ（４）の入力は燃料電池スタックの出力に接続され、出力はバッテリと並列に変動負荷（８）に接続されており、燃料電池スタックは、燃料と酸化ガスから電気を発生させるように構成された複数の電気化学セルで形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド連続電流源の動作を管理する方法に関するものであり、その電源は、燃料電池スタック、バッテリ、さらに入力と出力を有するＤＣ／ＤＣコンバータを含み、そのコンバータの入力は燃料電池スタックの出力に接続され、出力はバッテリと並列に変動負荷に接続されており、燃料電池スタックは、燃料と酸化ガスから電気を発生させるように構成された複数の電気化学セルで形成されている。
【背景技術】
【０００２】
電気化学ユニットを直列に接続したアセンブリ（スタックと呼ばれることが多い）が知られている。このようにアセンブリをなす電気化学ユニットは、例えば蓄電素子、または燃料電池により構成することができる。燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学デバイスである。例えば、１つのタイプの燃料電池は、アノードとカソードを有し、それらの間に、高分子電解質膜とよく呼ばれるプロトン交換膜が配されている。この種の膜は、燃料電池のアノードとカソードの間にプロトンのみを通過させる。アノードでは、二原子水素が反応を起こしてＨ+イオンを発生し、これが高分子電解質膜を通過する。この反応により発生する電子は、燃料電池の外部の回路によってカソードにつながり、こうして電流を発生させる。単セルの燃料電池は、一般に、低い電圧（１Ｖ前後）しか生成しないので、燃料電池は、多くの場合、直列に接続されて、より高い電圧を各セルの電圧の和で発生させることができる燃料電池スタックを形成する。
【０００３】
自動車産業で用いられる場合、このような燃料電池スタックは、通常、バッテリと結び付けられてハイブリッドシステムを形成する。このシステムは、燃料電池スタックとバッテリが、同時に、または別々に、バスと呼ばれる共通部を介して車両に電力を供給するように、燃料電池スタックとバッテリを並列に接続している。このようなハイブリッド化によると、燃料電池スタックでバッテリを充電することも可能である。ハイブリッドシステムは、これが図１に示すように燃料電池スタックの出力に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを使用している場合、“アクティブ”と呼ばれる。このＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池スタックおよびバッテリの電圧レベルを適応させて、燃料電池スタックによって供給される電力を調整するために用いられる。
【０００４】
電力を調整するには、車両の電気エンジンの電力要求およびシステム制約に従って、燃料電池スタックとバッテリとの間で電力を割り振るための制御戦略を実施する必要がある。制御戦略で考慮しなければならないシステム制約は、燃料電池スタックおよびバッテリの最大電圧と最大電流、超えてはならない温度範囲、バッテリの充電状態などであり、すなわち、例えばバッテリが既に１００％充電されている場合などには、これを充電してはならない。
【０００５】
このハイブリッドシステムの制御戦略の１つは、バッテリの充電状態を、このバッテリの最大充電量または最小充電量に達することが決してないように、公称値あたりに調整することである。この場合、バッテリは、燃料電池スタックによって充電され、また場合によってはブレーキング時の車両から運動エネルギーを回収することにより充電されるので、外部から充電する必要は全くない。これは、燃料電池スタックが車両の電気エンジンにより消費される平均電力を供給し、一方バッテリはエネルギーを蓄積または放出するエネルギーバッファ手段として使用されることを意味する。この戦略は、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いてバス電圧を一定値に調整することにより実現される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この周知の戦略の１つの欠点は、燃料電池スタックが開路電圧（“ＯＣＶ”）で動作することを防ぐために何も行われていないことである。“開路電圧”とは、１セルあたりの電圧が０．８５〜０．９Ｖよりも高い動作領域を意味する。このような電圧は、燃料電池スタックの寿命を大幅に縮めることが知られている。従って、燃料電池スタックがこのようなモードで動作することは望ましくない。
【０００７】
開路電圧動作モードは、燃料電池スタックが定圧力電流でのみ制御される場合に生じ得る。この制御方式は、低出力ではＯＣＶ領域を回避するために燃料電池スタックの動作圧力を下げるという考えによるものである。しかし、圧力変化のダイナミクスは、電流変化のダイナミクスよりも遥かに遅いことを考慮しなければならない（圧力は秒のオーダ、電流はミリ秒のオーダ）。また、燃料電池スタック圧力の低下は、電流が消費される場合にのみ生じ得ることであり、電流値が圧力低下速度に直接影響するということも考慮する必要がある。従って、燃料電池スタックの出力が数ｋＷから０ｋＷに瞬時に（すなわち急速に）変化する場合、圧力を下げるための電流がもはや無いので、ＯＣＶ領域を回避することは不可能であり、燃料電池スタックが損傷を受けることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、燃料電池スタックとバッテリとを備えるハイブリッドシステムの動作を管理する方法を提供することであり、これにより、ハイブリッドシステムの性能を最適化し、燃料電池スタックの寿命を向上させる。
【０００９】
そこで、本発明は、添付の請求項１に記載の、ハイブリッド連続電流源の動作を管理する方法に関するものである。
【００１０】
本発明の１つの利点は、燃料電池スタックをより長寿命にしていることである。実際には、ハイブリッドシステムが低出力モードにあるか高出力モードにあるかに応じて、異なる調整方法を選択することにより、システムは、両方の調整モードを活用しながら、それらの欠点を回避する。実際に、低出力のときには、低出力とは電流が小さいことを意味するので、圧力変化を利用する調整が効果的である。このように、電流変化と圧力変化の反応性の違いは低出力では感じられないのに対して、高出力すなわち高電流では、この違いは、ハイブリッドシステムがＯＣＶ領域に入ることにつながることがある。
【００１１】
本発明の方法の効果的な実施形態は、添付の従属請求項の要旨をなすものである。
【００１２】
第１の効果的な実施形態は、請求項２で規定される。
【００１３】
請求項３に記載の第２の効果的な実施形態では、変動負荷を表現する変数は、第３の基準値とバッテリの測定電圧との差である。
【００１４】
請求項４に記載の第３の効果的な実施形態では、変動負荷を表現する変数は、変動負荷により要求される電力と燃料電池の出力電力との差である。
【００１５】
別の効果的な実施形態では、第２の限界値は２．４５ｂａｒである。
【００１６】
別の効果的な実施形態では、第１の所定の限界値は０．８４５Ｖである。
【００１７】
別の効果的な実施形態では、第２の基準値は１セルあたり０．８５Ｖである。
【００１８】
別の効果的な実施形態では、第１の基準値は２．５ｂａｒである。
【００１９】
別の効果的な実施形態では、燃料電池スタックは、燃料として水素を、酸化ガスとして酸素を使用する。
【００２０】
本発明は、さらに、ハイブリッドシステムに関するものであり、これは、還元燃料と酸化剤を用いて燃料電池電圧を供給するための複数の直列なセルを含む燃料電池スタックと、変動負荷に並列に接続されてバッテリ電圧を供給するバッテリとを備え、燃料電池スタックは、この燃料電池スタックを制御するＤＣ／ＤＣコンバータを介して、上記変動負荷に接続されている。このハイブリッドシステムは、動作するために、本発明の要旨である動作方法を用いる。
【００２１】
本発明によるハイブリッドシステムの目的、効果、および特徴は、限定するものではない単なる例として提供され、添付の図面により示される、本発明の少なくとも１つの実施形態についての以下の詳細な説明において、より明確となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、周知のハイブリッドシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の第１の動作モードにより動作するハイブリッドシステムの概略図である。
【図３】図３は、本発明の第２の動作モードにより動作するハイブリッドシステムの概略図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態による２つの動作モード間の遷移条件の概略図である。
【図５】図５は、本発明によるハイブリッドシステムの動作のシミュレーションを示している。
【図６】図６は、図４に示す本発明の一実施形態により動作する場合の燃料電池スタックの動作点を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の説明において、当業者によく知られている燃料電池スタックの部分はすべて、簡単に説明する。
【００２４】
図１は、本発明によるハイブリッドシステム１の概略図を示している。このハイブリッドシステム１は、燃料電池スタック２、すなわち複数の直列に実装された電気化学セルを備える。この燃料電池スタック２は、水素などの還元燃料と酸素などの酸化剤によって作動する。還元燃料と酸化剤との反応により燃料電池電圧を発生させる。還元燃料と酸化剤との反応で生じるガスは、再循環ポンプを備えた循環回路によって排出することができる。ハイブリッドシステム１は、さらに、１つまたは複数のバッテリなど、エネルギーを蓄積する手段６を備える。残りの説明では、この電気エネルギーを蓄積する手段は、１つのバッテリ６であると仮定するが、複数のバッテリを使用することを阻むものは何もない。このバッテリ６は、バッテリ電圧を供給するものであって、燃料電池スタック２に並列に接続されており、これにより、燃料電池スタック２とバッテリ６の両方が変動負荷８に接続されている。この変動負荷８は、例えば車両エンジンとすることができる。
【００２５】
このハイブリッドシステム１は、さらに、２つの入力と２つの出力を有するＤＣ／ＤＣコンバータ４を備える。燃料電池スタック２の出力はＤＣ／ＤＣコンバータ４の２つの入力に接続されており、よって、これは、燃料電池スタック２により供給される電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ４に入力されることを意味している。変動負荷８とバッテリ６との接続点がＤＣ／ＤＣコンバータ４の２つの出力に接続されている。
【００２６】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、燃料電池スタック２の電圧レベルと、さらにバッテリ６の電圧レベルも適応させることが可能であり、これによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、ハイブリッドシステム１を制御するように構成されている。同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池スタック２により供給される電力を調整することができる。
【００２７】
実際には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の役割は、バッテリ６と燃料電池スタック２が連携して動作することで負荷８に電力供給するように、ハイブリッドシステム１を制御することである。ＤＣ／ＤＣコンバータの機能は、さらに、燃料電池スタックにより供給される電力を、自動車適用例ではエンジンである負荷とバッテリとの間で割り振ることである。ハイブリッドシステム１の制御は、当然のことながら、燃料電池スタック２の電圧および電流の制限、バッテリ６の電圧および電流の制限、バッテリ６の充電状態の制限、超えてはならない温度限界などの制約を受ける。
【００２８】
１つの制御戦略は、バッテリ６の充電状態を、最大または最小の充電限度に達することが決してないように、公称値あたりに調整することである。つまり、バッテリを外部から充電する必要は全くなく、燃料電池スタックによってそれを再充電し、さらに車両の場合はブレーキング時の運動エネルギーの回収により再充電する。この戦略の１つの結果として、燃料電池スタック２は、エンジンの平均エネルギー要求に対処し、バッテリ６はエネルギーを蓄積または放出するエネルギーバッファ手段として機能する。この戦略は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４によって実現される。
【００２９】
本発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、ハイブリッドシステム１を２つの動作モードで動作させるように構成されており、これにより、開路電圧モードを回避する。このモードは、燃料電池スタック２により生成される電力が小さいときに生じ、０．８５Ｖを超えるセル電圧によって特徴付けられることが思い出される。そして、このモードは、燃料電池スタック２のセルの損傷を引き起こし、スタックの寿命を縮める。
【００３０】
燃料電池スタックは、このスタックを形成するセルの端子における電圧と、これが生成する電流との関係によって特徴付けられる。実際に、個々の燃料電池スタック２は、電流とセル電圧との関係によって特徴付けられ、つまり、電流が所与である場合、各セルは、その所与の電流と結び付いた値の電圧を生成する。この場合、電流が増加するとセルの端子電圧Ｖｃｅｌｌが減少することが認められる。この電流／セル電圧の関係は、圧力にも依存するという点で、さらに複雑である。これは、燃料電池スタック２の性能が、燃料電池スタックに注入される還元燃料および酸化ガスの圧力に依存することを意味する。このように圧力により性能が変動する結果として、電流／セル電圧の関係は各圧力について存在する。様々な圧力についてのセル電圧‐電流特性を示す図６において、圧力が高いほど、セル電圧‐電流曲線の傾きが小さくなることが認められる。さらに、所与の電流に対して、圧力Ｐが高いほど、セル電圧が高くなることが認められる。
【００３１】
第１の動作モードは、ハイブリッドシステム１の低出力動作モードである。この第１の動作モードは、バッテリ６の電圧および燃料電池スタック２の電圧を調整する特有の調整方法を有する。この調整は、図２に示す第１の調整ループ９および第２の調整ループ１１を用いて実行される。
【００３２】
第１の調整ループ９は、第１のコンパレータ１０を含み、これは、燃料電池スタックの基準電圧Ｖｃｅｌｌ０としての第２の基準値を、燃料電池スタックの測定電圧Ｖｃｅｌｌすなわち燃料電池スタック２の出力電圧と比較する。このことは、燃料電池の基準電圧Ｖｃｅｌｌ０が第１のコンパレータ１０の正入力に接続され、燃料電池の測定電圧Ｖｃｅｌｌが第１のコンパレータ１０の負入力に接続されていることを意味している。第１のコンパレータ１０の出力は、第１の電圧コントローラ１２に接続されている。この第１の電圧コントローラ１２は、燃料電池の基準電圧Ｖｃｅｌｌ０と燃料電池の測定電圧Ｖｃｅｌｌとの比較から得られるデータを制御および分析して、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に命令信号または目標信号Ｓｉｇｎａｌ‐１を供給するように構成されている。この命令信号Ｓｉｇｎａｌ‐１は、燃料電池スタック２に供給される電流の値を制御する。この電流がＤＣ／ＤＣコンバータ４のインピーダンスに作用し、ひいては燃料電池スタック２の各セルの電圧に作用する。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の電流を調整することにより、燃料電池スタック２の各セルの電圧を所定の値に調整することが可能である。本例では、各セルの電圧は、公称動作値である１セルあたり０．８５Ｖの第２の基準値に調整される。当然のことながら、この値は、使用される燃料電池スタックのタイプに応じて異なることがある。この調整によって、燃料電池スタックを開路電圧領域から保護する。
【００３３】
第２の調整ループ１１は、電力を変化させるために用いられる。この第２のループ１１は、第２コンパレータ１４を含み、これは、基準バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ０を、バッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔと比較する。このことは、基準バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ０が第２のコンパレータ１４の正入力に接続され、バッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔが第２のコンパレータの負入力に接続されていることを意味している。第２のコンパレータ１４の出力は、第２の電圧コントローラ１６に接続されている。この第２の電圧コントローラ１６は、基準バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの比較から得られるデータを分析して、燃料電池スタックの圧力に作用するように構成されている。これを実現するため、第２の電圧コントローラ１６は、圧力を増加または減少させるようにバルブに作用する信号Ｓｉｇｎａｌ‐Ｐを供給する。一定のセル電圧では、圧力の変化はセル電圧‐電流曲線の変化を意味するので、圧力に作用することによって燃料電池スタック２の電力が制御される。圧力が増加すると電流が増加し、また、その逆も同様である。バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの調整は、ハイブリッドシステム１の制御戦略として有効である。実際には、バッテリ電圧はその公称値に調整され、これによって、バッテリ６は、燃料電池スタック２とブレーキング時の車両からの運動エネルギー回収とにより再充電されるので、外部から充電する必要は全くない。結果として、燃料電池スタック２は車両の電気エンジン８の平均電力を供給し、一方バッテリ６はエネルギーを蓄積または放出するエネルギーバッファ手段として使用される。
【００３４】
このように、低出力モードすなわちモード１での動作中には、燃料電池スタックのセル電圧Ｖｃｅｌｌは、１セルあたり０．８５Ｖの第２の基準値に調整され、また、圧力を変化させることによって電力を変化させる。こうして、セル電圧が１セルあたり０．８５Ｖを超えないようにすることができる動作モードが得られ、これにより、燃料電池スタックは開路電圧領域に入ることがないので、セルが損傷を受けることはない。
【００３５】
しかしながら、燃料電池スタックのセル電圧Ｖｃｅｌｌを一定の値に調整することにより、各セルの端子電圧が制限されるので、収率が低くなる。燃料電池スタックの収率は、圧力Ｐが最大であるときに最大となる。本例では、この第１の動作モードは低出力により特徴付けられるので、収率の低下は許容できる。収率が低下することは、この第１の調整モードでは、その収率の低下による影響が限られたものであれば、許容可能である。例えば、この第１の動作モードで５００Ｗの理論最大出力の場合、収率が９０％から８５％に変化すると、供給される電力は４５０Ｗから４２５Ｗに変化することになる。
【００３６】
第２の動作モードすなわちモード２は、ハイブリッドシステム１が高出力で動作するときの動作モードである。この第２の動作モードでは、図３に示すように、燃料電池スタック圧力Ｐを強制し、さらに、燃料電池スタック２のセル電圧Ｖｃｅｌｌを調整する。
【００３７】
この第２の動作モードでは、図３に示す第３の調整ループ１３が実行される。これは、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０をバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔすなわちバッテリ出力電圧と比較する第３のコンパレータ１８を含んでいる。これは、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０が第３のコンパレータ１８の正入力に接続され、バッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔが第３のコンパレータ１８の負入力に接続されていることを意味している。第３のコンパレータ１８の出力は、第３の電圧コントローラ２０に接続されている。この第３の電圧コントローラ２０は、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの比較から得られるデータを分析して、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に信号Ｓｉｇｎａｌ‐２を供給するように構成されている。この信号Ｓｉｇｎａｌ‐２のこの目的は、燃料電池スタック２の各セルの電圧に作用することにより、燃料電池スタック２の電流を変化させることであり、これによって結果的にバッテリ６が保護される。この調整ループ１３は、第１の動作モードで圧力Ｐを変化させて電力を供給するのに用いられる第２の調整ループ１１と類似している。変形例では、第２の調整ループ１１と第３の調整ループ１３が、電圧コンパレータ１８または１４と、電圧コントローラ１６または２０を、共通の要素として持つことを想定することができる。電圧コントローラは、システムが第１の動作モードで動作しているときの信号Ｓｉｇｎａｌ‐１と、システム１が第２の動作モードで動作しているときの信号Ｓｉｇｎａｌ‐２のどちらかを供給するための選択手段を有する。この構成によって、必要な構成部品がより少なくなる。この制御と並行して、還元燃料すなわち水素の圧力Ｐおよび酸化ガスすなわち酸素の圧力が、一定の最大圧力レベルＰｍａｘに維持される。この場合、この最大圧力Ｐｍａｘによって、燃料電池スタック２の最大収率が得られる。
【００３８】
当然のことながら、本発明による方法を実行するのに他のタイプの調整を用いてもよく、記載した例は決して限定するものではない。
【００３９】
このようにして、２つの動作モードすなわち、電圧が一定で圧力Ｐが可変である第１の動作モードと、電圧が可変で圧力Ｐが一定である第２の動作モードで動作するハイブリッドシステム１が得られる。このシステム１は、第１の動作モードにおいて開路電圧領域から燃料電池スタック２を保護すると共に、第２の動作モードにおいて過充電からバッテリ６を保護する。ただし、変動負荷８からハイブリッドシステム１へのリターン電流がある場合に、その電流がバッテリ６ではなく燃料電池スタック２に送られるように、バッテリ６の保護を燃料電池スタック２の保護よりも優先させることが好ましい。これは、バッテリ６の過充電が危険であることによる。特に、バッテリ６が自動車のハイブリッドシステム１で用いられる場合、バッテリ６を過充電することによって、これの爆発を引き起こすことがある。このように、安全上の理由で、バッテリ６よりは、燃料電池スタック２の損傷を選ぶほうがよい。
【００４０】
この変形例によるハイブリッドシステム１は、遷移のための条件が組み合わさったときに、１つ動作モードから別の動作モードに変わる。２つの遷移状況があり、第１の状況に達すると、これにより、ハイブリッドシステム１は、第１の動作モードから第２の動作モードに変わり、また、第２の状況に達すると、これにより、ハイブリッドシステム１は、第２の動作モードから第１の動作モードに変わる。
【００４１】
第１の遷移は２つの変数を使用し、これらは、ハイブリッドシステム１が第１から第２の動作モードに変わることができるためには、２つの条件を満たさなければならない。これらの条件のうち第１のものは、圧力条件である。この圧力条件は、燃料電池スタックにおける圧力Ｐが、第２の限界値である２．４５ｂａｒ以上であるときにのみ達成される。実際に、低出力モードと呼ばれる第１の動作モードでは、圧力Ｐを変化させることによって電力を変化させ、このとき、圧力Ｐの増加によって電力の増加が生じ、また、その逆も同様である。各セルの端子電圧は、ここでは０．８５Ｖである第２の基準値に調整され、圧力Ｐが最大であるときに電力の限界に達する。それでも、この限界は、燃料電池スタック２が提供することができる最大電力ではない。従って、動作モードは、より大きな電力を供給することができる動作モードに入るように変更されなければならない。それは、上記第２の動作モードである。
【００４２】
ただし、より大きな電力が必要であることを示すシグナルがなければならない。実際に、第１の動作モードから第２の動作モードへの変更が、単純に圧力Ｐが最大圧力に達したときに行われた場合、このことは、ハイブリッドシステム１が、最大圧力値を持つ圧力Ｐで、電圧が０．８５Ｖに等しいときに供給される電力で動作したいときに、１つのモードからもう１つのモードへのタイミングの悪い切り替えが生じるという懸念につながり得る。圧力Ｐのピークによって、そのような切り替えが生じることになる。そこで、電力要求を表現する追加条件を適切に設定する必要がある。この条件は、ハイブリッドシステム１が、より大きな電力を供給する必要があるか、より小さな電力を供給する必要があるかを示すものである。この条件は、バッテリの設定値Ｖｂａｔｔ０とバッテリ電圧の測定値Ｖｂａｔｔとの電圧差εによるものとすることができる。バッテリ６の充電は、このバッテリが過充電されることが決してないように制御されるので、この電圧条件は目標電力を表現している。従って、バッテリ６が十分に充電されているときは、その電力要求は小さいかゼロであり、この場合、電力を減少させる必要がある。第１の遷移の場合、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの差εがゼロより大きいときに、電力条件となる電圧条件が満たされる。これは、ハイブリッドシステム１で電力の増加が必要であることを意味している。このように、第１と第２の条件が満たされると、第１の動作モードと第２の動作モードとの間で遷移が行われ、ハイブリッドシステム１は、より大きな電力をハイブリッドシステム１に供給することができる第２の動作モードで動作を開始する。
【００４３】
第２の遷移の場合も、同じく２つの条件がある。第１の条件は、電力要求を表現する条件、すなわちバッテリ６の電圧設定値または基準電圧Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの差εがゼロ未満であることである。これは、ハイブリッドシステム１が電力を減少させようとしていることを意味する。この電圧条件は、電圧条件である第２の条件と結び付けられる。この電圧条件は、燃料電池スタックの各セルの電圧が、第１の限界値である０．８４５Ｖ以上であるときにのみ達成される。実際に、高出力モードでは、電力の変化は、各セルの端子電圧を減少させることによって実現される。このモードでは、燃料電池スタック２は、最大圧力Ｐｍａｘのセル電圧‐電流曲線に従って動作する。この場合、各セルの端子電圧がより多く減少するほど、電流ひいては電力がより多く増加する。逆に、各セルの端子電圧が増加すると、電流が減少し、そして電力も減少する。電力が減少するときには、各セルの端子電圧が増加し、このときの減少は、各セルの端子で超えてはならない限界である０．８５Ｖに近い電圧が生じるほどになることがある。ハイブリッドシステム１は、さらに低い電力が必要である場合、第１の動作モードに変更しなければならない。このように、第１と第２の条件が満たされると、第２の動作モードと第１の動作モードとの間で遷移が行われ、ハイブリッドシステム１は第１の動作モードで動作する。
【００４４】
ただし、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの差εがゼロに等しい場合、ハイブリッドシステムは、供給されている電力が必要であると解釈する。従って、ハイブリッドシステム１は、基準バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの差εがゼロに等しい間は、電流値および圧力値が一定に設定および保持されるようにしている。
【００４５】
第１と第２の限界値である０．８４５Ｖと２．４５ｂａｒの値は、安全のため、０．８５Ｖおよび２．５ｂａｒとは異なるように選択されている。実際に、動作モードのタイミングの悪い変更を防ぐため、ヒステリシスが人為的に作り出される。圧力Ｐの閾値が２．５ｂａｒに選択されたとすると、圧力が２．４９５ｂａｒに下がれば動作モードの変更が起こることになる。従って、０．８４５Ｖの電圧および２．４５ｂａｒの圧力は、０．８５Ｖ−ｘおよび２．５ｂａｒ−ｘと表記することができると考えられ、ここで、ｘは調整可能な値を有する。ヒステリシスは、このように、これらの小さな変動を排除することが可能であり、これにより、動作方法をより安定的にすることを意味する。第１と第２の限界値であるそれぞれ０．８４５Ｖと２．４５ｂａｒの値は、限定するものではなく、他の値を選択することもできることは明らかであろう。
【００４６】
当然のことながら、電力の設定点は、必ずしも基準バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの差εである必要はない。この電力設定点は、燃料電池スタック２によって発生する電流と電圧に基づき測定された電力に関係した設定点としてもよい。電力要求を表現するこの設定点は、ペダルの位置とすることができる。この場合、システムは、アクセルペダルがその休止位置にないことを検出すると、電力が必要であると推測する。逆に、システムは、アクセルペダルがその休止位置にあることを検出すると、ゼロ出力が必要であって、システム１は電力を減少させることができると判断する。
【００４７】
本発明による動作管理方法の様々なステップでは、
ａ） 電気を発生させる化学反応を引き起こすことができるように、燃料ガス流および酸化ガス流を電気化学セルの各々に供給する。
ｂ） 変動負荷または電力要求を表現する設定点を定義する。この設定点は、バッテリ電圧の所定の設定値とバッテリの測定電圧との差とすることができる。
ｃ） 圧力センサを用いて、燃料電池スタック２における燃料ガス圧力および酸化ガス圧力を監視する。これは、燃料電池スタック２の圧力が連続的に分かることを意味する。複数のセンサによって、この圧力の平均値を提供し、これにより信頼性のより高い圧力値を提供する。
ｄ） 燃料電池スタック２における圧力を第１の基準値に調整する。燃料電池スタックから最大出力が得られるように、燃料電池スタック２における圧力Ｐは、その最大値Ｐｍａｘに維持される。第１の基準値は２．５ｂａｒである。
ｅ） 上記設定点に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の出力電圧（Ｖｃｅｌｌ）を変化させることにより、変動負荷を燃料電池スタック２とバッテリ６の間で割り振る。ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、燃料電池スタック２の電圧レベルに作用し、具体的には、各セルの端子電圧の和である燃料電池スタック２の出力電圧Ｖｃｅｌｌに作用する。各セルの端子電圧を変化させることにより、規定の電流ひいては規定の電力を供給する。
ｆ） 燃料電池スタックの電気化学セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す電圧を監視し、あるいはさらに、燃料電池スタックの出力電圧が第１の所定の限界値を超えているかどうか確認する。ここで確認するのは、各セルの端子電圧が、この電圧の最大目標値である０．８５Ｖの値に近いかどうかである。本例では、第１の限界値は０．８４５Ｖである。
ｇ） 電力要求を表現する設定点が、より低い電力が必要であることを示しているかどうか監視する。これは、システムが、より大きな電力を要求しているのか、より小さな電力を要求しているのか確認することである。この設定点は、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０とバッテリの測定電圧Ｖｂａｔｔとの差、または電力の設定値と電力測定値との差とすることができる。
【００４８】
セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す電圧が第１の所定の限界値を超えている場合、かつ、上記変数が変動負荷の減少を示している場合には、
ｈ） 燃料電池スタックにおける圧力を基準値に維持するステップを中断し、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して燃料電池スタックの出力電圧を変化させることにより燃料電池スタックの出力電力を変更および調整するステップを中断する。
ｉ） ＤＣ／ＤＣコンバータの入力インピーダンスを適応させることにより、セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す電圧を第２の基準値に調整する。第２の基準値は０．８５Ｖである。
ｊ） 圧力を変化させることにより、すなわち圧力を変化させることで燃料電池スタックの出力電力を変化させることにより、変動負荷を燃料電池スタックとバッテリの間で割り振る。各セルの端子電圧が一定であるときには、電力の調整を可能にする電流調整は圧力に依存する。各圧力について、電流に応じたセル端子電圧の曲線が存在する。固定電流では、各セルの端子電圧は圧力とともに増加するので、よって、各セルの端子電圧が固定の場合は、電流は圧力とともに増加することになる。
【００４９】
燃料電池スタックにおける圧力が第２の所定の限界値を超えている場合、かつ、設定点が変動負荷の増加を示している場合には、
ｋ） 処理（ｉ）を中断し、さらに処理（ｊ）を中断し、そして処理（ｄ）と処理（ｅ）を繰り返す。
【００５０】
図５は、これをシミュレートした動作における、ハイブリッドシステム１の様々な特性変数を表す曲線を示している。
【００５１】
上記で提示した発明のいくつかの実施形態について、当業者には明らかである種々の変更および／または改良および／または組み合わせが、添付の請求項により規定される発明の範囲から逸脱することなく実施可能であることは、明らかであろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド連続電流源の動作を管理する方法に関するものであり、その電源は、燃料電池スタック、バッテリ、さらに入力と出力を有するＤＣ／ＤＣコンバータを含み、そのコンバータの入力は燃料電池スタックの出力に接続され、出力はバッテリと並列に変動負荷に接続されており、燃料電池スタックは、燃料と酸化ガスから電気を発生させるように構成された複数の電気化学セルで形成されている。
【背景技術】
【０００２】
電気化学ユニットを直列に接続したアセンブリ（スタックと呼ばれることが多い）が知られている。このようにアセンブリをなす電気化学ユニットは、例えば蓄電素子、または燃料電池により構成することができる。燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学デバイスである。例えば、１つのタイプの燃料電池は、アノードとカソードを有し、それらの間に、高分子電解質膜とよく呼ばれるプロトン交換膜が配されている。この種の膜は、燃料電池のアノードとカソードの間にプロトンのみを通過させる。アノードでは、二原子水素が反応を起こしてＨ+イオンを発生し、これが高分子電解質膜を通過する。この反応により発生する電子は、燃料電池の外部の回路によってカソードにつながり、こうして電流を発生させる。単セルの燃料電池は、一般に、低い電圧（１Ｖ前後）しか生成しないので、燃料電池は、多くの場合、直列に接続されて、より高い電圧を各セルの電圧の和で発生させることができる燃料電池スタックを形成する。
【０００３】
自動車産業で用いられる場合、このような燃料電池スタックは、通常、バッテリと結び付けられてハイブリッドシステムを形成する。このシステムは、燃料電池スタックとバッテリが、同時に、または別々に、バスと呼ばれる共通部を介して車両に電力を供給するように、燃料電池スタックとバッテリを並列に接続している。このようなハイブリッド化によると、燃料電池スタックでバッテリを充電することも可能である。ハイブリッドシステムは、これが図１に示すように燃料電池スタックの出力に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを使用している場合、“アクティブ”と呼ばれる。このＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池スタックおよびバッテリの電圧レベルを適応させて、燃料電池スタックによって供給される電力を調整するために用いられる。
【０００４】
電力を調整するには、車両の電気エンジンの電力要求およびシステム制約に従って、燃料電池スタックとバッテリとの間で電力を割り振るための制御戦略を実施する必要がある。制御戦略で考慮しなければならないシステム制約は、燃料電池スタックおよびバッテリの最大電圧と最大電流、超えてはならない温度範囲、バッテリの充電状態などであり、すなわち、例えばバッテリが既に１００％充電されている場合などには、これを充電してはならない。
【０００５】
このハイブリッドシステムの制御戦略の１つは、バッテリの充電状態を、このバッテリの最大充電量または最小充電量に達することが決してないように、公称値あたりに調整することである。この場合、バッテリは、燃料電池スタックによって充電され、また場合によってはブレーキング時の車両から運動エネルギーを回収することにより充電されるので、外部から充電する必要は全くない。これは、燃料電池スタックが車両の電気エンジンにより消費される平均電力を供給し、一方バッテリはエネルギーを蓄積または放出するエネルギーバッファ手段として使用されることを意味する。この戦略は、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いてバス電圧を一定値に調整することにより実現される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この周知の戦略の１つの欠点は、燃料電池スタックが開路電圧（“ＯＣＶ”）で動作することを防ぐために何も行われていないことである。“開路電圧”とは、１セルあたりの電圧が０．８５〜０．９Ｖよりも高い動作領域を意味する。このような電圧は、燃料電池スタックの寿命を大幅に縮めることが知られている。従って、燃料電池スタックがこのようなモードで動作することは望ましくない。
【０００７】
開路電圧動作モードは、燃料電池スタックが定圧力電流でのみ制御される場合に生じ得る。この制御方式は、低出力ではＯＣＶ領域を回避するために燃料電池スタックの動作圧力を下げるという考えによるものである。しかし、圧力変化のダイナミクスは、電流変化のダイナミクスよりも遥かに遅いことを考慮しなければならない（圧力は秒のオーダ、電流はミリ秒のオーダ）。また、燃料電池スタック圧力の低下は、電流が消費される場合にのみ生じ得ることであり、電流値が圧力低下速度に直接影響するということも考慮する必要がある。従って、燃料電池スタックの出力が数ｋＷから０ｋＷに瞬時に（すなわち急速に）変化する場合、圧力を下げるための電流がもはや無いので、ＯＣＶ領域を回避することは不可能であり、燃料電池スタックが損傷を受けることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、燃料電池スタックとバッテリとを備えるハイブリッドシステムの動作を管理する方法を提供することであり、これにより、ハイブリッドシステムの性能を最適化し、燃料電池スタックの寿命を向上させる。
【０００９】
そこで、本発明は、添付の請求項１に記載の、ハイブリッド連続電流源の動作を管理する方法に関するものである。
【００１０】
本発明の１つの利点は、燃料電池スタックをより長寿命にしていることである。実際には、ハイブリッドシステムが低出力モードにあるか高出力モードにあるかに応じて、異なる調整方法を選択することにより、システムは、両方の調整モードを活用しながら、それらの欠点を回避する。実際に、低出力のときには、低出力とは電流が小さいことを意味するので、圧力変化を利用する調整が効果的である。このように、電流変化と圧力変化の反応性の違いは低出力では感じられないのに対して、高出力すなわち高電流では、この違いは、ハイブリッドシステムがＯＣＶ領域に入ることにつながることがある。
【００１１】
本発明の方法の効果的な実施形態は、添付の従属請求項の要旨をなすものである。
【００１２】
第１の効果的な実施形態は、請求項２で規定される。
【００１３】
請求項３に記載の第２の効果的な実施形態では、変動負荷を表現する変数は、第３の基準値とバッテリの測定電圧との差である。
【００１４】
請求項４に記載の第３の効果的な実施形態では、変動負荷を表現する変数は、変動負荷により要求される電力と燃料電池の出力電力との差である。
【００１５】
別の効果的な実施形態では、第２の限界値は２．４５ｂａｒである。
【００１６】
別の効果的な実施形態では、第１の所定の限界値は０．８４５Ｖである。
【００１７】
別の効果的な実施形態では、第２の基準値は１セルあたり０．８５Ｖである。
【００１８】
別の効果的な実施形態では、第１の基準値は２．５ｂａｒである。
【００１９】
別の効果的な実施形態では、燃料電池スタックは、燃料として水素を、酸化ガスとして酸素を使用する。
【００２０】
本発明は、さらに、ハイブリッドシステムに関するものであり、これは、還元燃料と酸化剤を用いて燃料電池電圧を供給するための複数の直列なセルを含む燃料電池スタックと、変動負荷に並列に接続されてバッテリ電圧を供給するバッテリとを備え、燃料電池スタックは、この燃料電池スタックを制御するＤＣ／ＤＣコンバータを介して、上記変動負荷に接続されている。このハイブリッドシステムは、動作するために、本発明の要旨である動作方法を用いる。
【００２１】
本発明によるハイブリッドシステムの目的、効果、および特徴は、限定するものではない単なる例として提供され、添付の図面により示される、本発明の少なくとも１つの実施形態についての以下の詳細な説明において、より明確となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、周知のハイブリッドシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の第１の動作モードにより動作するハイブリッドシステムの概略図である。
【図３】図３は、本発明の第２の動作モードにより動作するハイブリッドシステムの概略図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態による２つの動作モード間の遷移条件の概略図である。
【図５】図５は、本発明によるハイブリッドシステムの動作のシミュレーションを示している。
【図６】図６は、図４に示す本発明の一実施形態により動作する場合の燃料電池スタックの動作点を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の説明において、当業者によく知られている燃料電池スタックの部分はすべて、簡単に説明する。
【００２４】
図１は、本発明によるハイブリッドシステム１の概略図を示している。このハイブリッドシステム１は、燃料電池スタック２、すなわち複数の直列に実装された電気化学セルを備える。この燃料電池スタック２は、水素などの還元燃料と酸素などの酸化剤によって作動する。還元燃料と酸化剤との反応により燃料電池電圧を発生させる。還元燃料と酸化剤との反応で生じるガスは、再循環ポンプを備えた循環回路によって排出することができる。ハイブリッドシステム１は、さらに、１つまたは複数のバッテリなど、エネルギーを蓄積する手段６を備える。残りの説明では、この電気エネルギーを蓄積する手段は、１つのバッテリ６であると仮定するが、複数のバッテリを使用することを阻むものは何もない。このバッテリ６は、バッテリ電圧を供給するものであって、燃料電池スタック２に並列に接続されており、これにより、燃料電池スタック２とバッテリ６の両方が変動負荷８に接続されている。この変動負荷８は、例えば車両エンジンとすることができる。
【００２５】
このハイブリッドシステム１は、さらに、２つの入力と２つの出力を有するＤＣ／ＤＣコンバータ４を備える。燃料電池スタック２の出力はＤＣ／ＤＣコンバータ４の２つの入力に接続されており、よって、これは、燃料電池スタック２により供給される電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ４に入力されることを意味している。変動負荷８とバッテリ６との接続点がＤＣ／ＤＣコンバータ４の２つの出力に接続されている。
【００２６】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、燃料電池スタック２の電圧レベルと、さらにバッテリ６の電圧レベルも適応させることが可能であり、これによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、ハイブリッドシステム１を制御するように構成されている。同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池スタック２により供給される電力を調整することができる。
【００２７】
実際には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の役割は、バッテリ６と燃料電池スタック２が連携して動作することで負荷８に電力供給するように、ハイブリッドシステム１を制御することである。ＤＣ／ＤＣコンバータの機能は、さらに、燃料電池スタックにより供給される電力を、自動車適用例ではエンジンである負荷とバッテリとの間で割り振ることである。ハイブリッドシステム１の制御は、当然のことながら、燃料電池スタック２の電圧および電流の制限、バッテリ６の電圧および電流の制限、バッテリ６の充電状態の制限、超えてはならない温度限界などの制約を受ける。
【００２８】
１つの制御戦略は、バッテリ６の充電状態を、最大または最小の充電限度に達することが決してないように、公称値あたりに調整することである。つまり、バッテリを外部から充電する必要は全くなく、燃料電池スタックによってそれを再充電し、さらに車両の場合はブレーキング時の運動エネルギーの回収により再充電する。この戦略の１つの結果として、燃料電池スタック２は、エンジンの平均エネルギー要求に対処し、バッテリ６はエネルギーを蓄積または放出するエネルギーバッファ手段として機能する。この戦略は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４によって実現される。
【００２９】
本発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、ハイブリッドシステム１を２つの動作モードで動作させるように構成されており、これにより、開路電圧モードを回避する。このモードは、燃料電池スタック２により生成される電力が小さいときに生じ、０．８５Ｖを超えるセル電圧によって特徴付けられることが思い出される。そして、このモードは、燃料電池スタック２のセルの損傷を引き起こし、スタックの寿命を縮める。
【００３０】
燃料電池スタックは、このスタックを形成するセルの端子における電圧と、これが生成する電流との関係によって特徴付けられる。実際に、個々の燃料電池スタック２は、電流とセル電圧との関係によって特徴付けられ、つまり、電流が所与である場合、各セルは、その所与の電流と結び付いた値の電圧を生成する。この場合、電流が増加するとセルの端子電圧Ｖｃｅｌｌが減少することが認められる。この電流／セル電圧の関係は、圧力にも依存するという点で、さらに複雑である。これは、燃料電池スタック２の性能が、燃料電池スタックに注入される還元燃料および酸化ガスの圧力に依存することを意味する。このように圧力により性能が変動する結果として、電流／セル電圧の関係は各圧力について存在する。様々な圧力についてのセル電圧‐電流特性を示す図６において、圧力が高いほど、セル電圧‐電流曲線の傾きが小さくなることが認められる。さらに、所与の電流に対して、圧力Ｐが高いほど、セル電圧が高くなることが認められる。
【００３１】
第１の動作モードは、ハイブリッドシステム１の低出力動作モードである。この第１の動作モードは、バッテリ６の電圧および燃料電池スタック２の電圧を調整する特有の調整方法を有する。この調整は、図２に示す第１の調整ループ９および第２の調整ループ１１を用いて実行される。
【００３２】
第１の調整ループ９は、第１のコンパレータ１０を含み、これは、燃料電池スタックの基準電圧Ｖｃｅｌｌ０としての第２の基準値を、燃料電池スタックの測定電圧Ｖｃｅｌｌすなわち燃料電池スタック２の出力電圧と比較する。このことは、燃料電池の基準電圧Ｖｃｅｌｌ０が第１のコンパレータ１０の正入力に接続され、燃料電池の測定電圧Ｖｃｅｌｌが第１のコンパレータ１０の負入力に接続されていることを意味している。第１のコンパレータ１０の出力は、第１の電圧コントローラ１２に接続されている。この第１の電圧コントローラ１２は、燃料電池の基準電圧Ｖｃｅｌｌ０と燃料電池の測定電圧Ｖｃｅｌｌとの比較から得られるデータを制御および分析して、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に命令信号または目標信号Ｓｉｇｎａｌ‐１を供給するように構成されている。この命令信号Ｓｉｇｎａｌ‐１は、燃料電池スタック２に供給される電流の値を制御する。この電流がＤＣ／ＤＣコンバータ４のインピーダンスに作用し、ひいては燃料電池スタック２の各セルの電圧に作用する。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の電流を調整することにより、燃料電池スタック２の各セルの電圧を所定の値に調整することが可能である。本例では、各セルの電圧は、公称動作値である１セルあたり０．８５Ｖの第２の基準値に調整される。当然のことながら、この値は、使用される燃料電池スタックのタイプに応じて異なることがある。この調整によって、燃料電池スタックを開路電圧領域から保護する。
【００３３】
第２の調整ループ１１は、電力を変化させるために用いられる。この第２のループ１１は、第２コンパレータ１４を含み、これは、基準バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ０を、バッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔと比較する。このことは、基準バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ０が第２のコンパレータ１４の正入力に接続され、バッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔが第２のコンパレータの負入力に接続されていることを意味している。第２のコンパレータ１４の出力は、第２の電圧コントローラ１６に接続されている。この第２の電圧コントローラ１６は、基準バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの比較から得られるデータを分析して、燃料電池スタックの圧力に作用するように構成されている。これを実現するため、第２の電圧コントローラ１６は、圧力を増加または減少させるようにバルブに作用する信号Ｓｉｇｎａｌ‐Ｐを供給する。一定のセル電圧では、圧力の変化はセル電圧‐電流曲線の変化を意味するので、圧力に作用することによって燃料電池スタック２の電力が制御される。圧力が増加すると電流が増加し、また、その逆も同様である。バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの調整は、ハイブリッドシステム１の制御戦略として有効である。実際には、バッテリ電圧はその公称値に調整され、これによって、バッテリ６は、燃料電池スタック２とブレーキング時の車両からの運動エネルギー回収とにより再充電されるので、外部から充電する必要は全くない。結果として、燃料電池スタック２は車両の電気エンジン８の平均電力を供給し、一方バッテリ６はエネルギーを蓄積または放出するエネルギーバッファ手段として使用される。
【００３４】
このように、低出力モードすなわちモード１での動作中には、燃料電池スタックのセル電圧Ｖｃｅｌｌは、１セルあたり０．８５Ｖの第２の基準値に調整され、また、圧力を変化させることによって電力を変化させる。こうして、セル電圧が１セルあたり０．８５Ｖを超えないようにすることができる動作モードが得られ、これにより、燃料電池スタックは開路電圧領域に入ることがないので、セルが損傷を受けることはない。
【００３５】
しかしながら、燃料電池スタックのセル電圧Ｖｃｅｌｌを一定の値に調整することにより、各セルの端子電圧が制限されるので、収率が低くなる。燃料電池スタックの収率は、圧力Ｐが最大であるときに最大となる。本例では、この第１の動作モードは低出力により特徴付けられるので、収率の低下は許容できる。収率が低下することは、この第１の調整モードでは、その収率の低下による影響が限られたものであれば、許容可能である。例えば、この第１の動作モードで５００Ｗの理論最大出力の場合、収率が９０％から８５％に変化すると、供給される電力は４５０Ｗから４２５Ｗに変化することになる。
【００３６】
第２の動作モードすなわちモード２は、ハイブリッドシステム１が高出力で動作するときの動作モードである。この第２の動作モードでは、図３に示すように、燃料電池スタック圧力Ｐを強制し、さらに、燃料電池スタック２のセル電圧Ｖｃｅｌｌを調整する。
【００３７】
この第２の動作モードでは、図３に示す第３の調整ループ１３が実行される。これは、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０をバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔすなわちバッテリ出力電圧と比較する第３のコンパレータ１８を含んでいる。これは、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０が第３のコンパレータ１８の正入力に接続され、バッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔが第３のコンパレータ１８の負入力に接続されていることを意味している。第３のコンパレータ１８の出力は、第３の電圧コントローラ２０に接続されている。この第３の電圧コントローラ２０は、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの比較から得られるデータを分析して、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に信号Ｓｉｇｎａｌ‐２を供給するように構成されている。この信号Ｓｉｇｎａｌ‐２のこの目的は、燃料電池スタック２の各セルの電圧に作用することにより、燃料電池スタック２の電流を変化させることであり、これによって結果的にバッテリ６が保護される。この調整ループ１３は、第１の動作モードで圧力Ｐを変化させて電力を供給するのに用いられる第２の調整ループ１１と類似している。変形例では、第２の調整ループ１１と第３の調整ループ１３が、電圧コンパレータ１８または１４と、電圧コントローラ１６または２０を、共通の要素として持つことを想定することができる。電圧コントローラは、システムが第１の動作モードで動作しているときの信号Ｓｉｇｎａｌ‐１と、システム１が第２の動作モードで動作しているときの信号Ｓｉｇｎａｌ‐２のどちらかを供給するための選択手段を有する。この構成によって、必要な構成部品がより少なくなる。この制御と並行して、還元燃料すなわち水素の圧力Ｐおよび酸化ガスすなわち酸素の圧力が、一定の最大圧力レベルＰｍａｘに維持される。この場合、この最大圧力Ｐｍａｘによって、燃料電池スタック２の最大収率が得られる。
【００３８】
当然のことながら、本発明による方法を実行するのに他のタイプの調整を用いてもよく、記載した例は決して限定するものではない。
【００３９】
このようにして、２つの動作モードすなわち、電圧が一定で圧力Ｐが可変である第１の動作モードと、電圧が可変で圧力Ｐが一定である第２の動作モードで動作するハイブリッドシステム１が得られる。このシステム１は、第１の動作モードにおいて開路電圧領域から燃料電池スタック２を保護すると共に、第２の動作モードにおいて過充電からバッテリ６を保護する。ただし、変動負荷８からハイブリッドシステム１へのリターン電流がある場合に、その電流がバッテリ６ではなく燃料電池スタック２に送られるように、バッテリ６の保護を燃料電池スタック２の保護よりも優先させることが好ましい。これは、バッテリ６の過充電が危険であることによる。特に、バッテリ６が自動車のハイブリッドシステム１で用いられる場合、バッテリ６を過充電することによって、これの爆発を引き起こすことがある。このように、安全上の理由で、バッテリ６よりは、燃料電池スタック２の損傷を選ぶほうがよい。
【００４０】
この変形例によるハイブリッドシステム１は、遷移のための条件が組み合わさったときに、１つ動作モードから別の動作モードに変わる。２つの遷移状況があり、第１の状況に達すると、これにより、ハイブリッドシステム１は、第１の動作モードから第２の動作モードに変わり、また、第２の状況に達すると、これにより、ハイブリッドシステム１は、第２の動作モードから第１の動作モードに変わる。
【００４１】
第１の遷移は２つの変数を使用し、これらは、ハイブリッドシステム１が第１から第２の動作モードに変わることができるためには、２つの条件を満たさなければならない。これらの条件のうち第１のものは、圧力条件である。この圧力条件は、燃料電池スタックにおける圧力Ｐが、第２の限界値である２．４５ｂａｒ以上であるときにのみ達成される。実際に、低出力モードと呼ばれる第１の動作モードでは、圧力Ｐを変化させることによって電力を変化させ、このとき、圧力Ｐの増加によって電力の増加が生じ、また、その逆も同様である。各セルの端子電圧は、ここでは０．８５Ｖである第２の基準値に調整され、圧力Ｐが最大であるときに電力の限界に達する。それでも、この限界は、燃料電池スタック２が提供することができる最大電力ではない。従って、動作モードは、より大きな電力を供給することができる動作モードに入るように変更されなければならない。それは、上記第２の動作モードである。
【００４２】
ただし、より大きな電力が必要であることを示すシグナルがなければならない。実際に、第１の動作モードから第２の動作モードへの変更が、単純に圧力Ｐが最大圧力に達したときに行われた場合、このことは、ハイブリッドシステム１が、最大圧力値を持つ圧力Ｐで、電圧が０．８５Ｖに等しいときに供給される電力で動作したいときに、１つのモードからもう１つのモードへのタイミングの悪い切り替えが生じるという懸念につながり得る。圧力Ｐのピークによって、そのような切り替えが生じることになる。そこで、電力要求を表現する追加条件を適切に設定する必要がある。この条件は、ハイブリッドシステム１が、より大きな電力を供給する必要があるか、より小さな電力を供給する必要があるかを示すものである。この条件は、バッテリの設定値Ｖｂａｔｔ０とバッテリ電圧の測定値Ｖｂａｔｔとの電圧差εによるものとすることができる。バッテリ６の充電は、このバッテリが過充電されることが決してないように制御されるので、この電圧条件は目標電力を表現している。従って、バッテリ６が十分に充電されているときは、その電力要求は小さいかゼロであり、この場合、電力を減少させる必要がある。第１の遷移の場合、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの差εがゼロより大きいときに、電力条件となる電圧条件が満たされる。これは、ハイブリッドシステム１で電力の増加が必要であることを意味している。このように、第１と第２の条件が満たされると、第１の動作モードと第２の動作モードとの間で遷移が行われ、ハイブリッドシステム１は、より大きな電力をハイブリッドシステム１に供給することができる第２の動作モードで動作を開始する。
【００４３】
第２の遷移の場合も、同じく２つの条件がある。第１の条件は、電力要求を表現する条件、すなわちバッテリ６の電圧設定値または基準電圧Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの差εがゼロ未満であることである。これは、ハイブリッドシステム１が電力を減少させようとしていることを意味する。この電圧条件は、電圧条件である第２の条件と結び付けられる。この電圧条件は、燃料電池スタックの各セルの電圧が、第１の限界値である０．８４５Ｖ以上であるときにのみ達成される。実際に、高出力モードでは、電力の変化は、各セルの端子電圧を減少させることによって実現される。このモードでは、燃料電池スタック２は、最大圧力Ｐｍａｘのセル電圧‐電流曲線に従って動作する。この場合、各セルの端子電圧がより多く減少するほど、電流ひいては電力がより多く増加する。逆に、各セルの端子電圧が増加すると、電流が減少し、そして電力も減少する。電力が減少するときには、各セルの端子電圧が増加し、このときの減少は、各セルの端子で超えてはならない限界である０．８５Ｖに近い電圧が生じるほどになることがある。ハイブリッドシステム１は、さらに低い電力が必要である場合、第１の動作モードに変更しなければならない。このように、第１と第２の条件が満たされると、第２の動作モードと第１の動作モードとの間で遷移が行われ、ハイブリッドシステム１は第１の動作モードで動作する。
【００４４】
ただし、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの差εがゼロに等しい場合、ハイブリッドシステムは、供給されている電力が必要であると解釈する。従って、ハイブリッドシステム１は、基準バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの差εがゼロに等しい間は、電流値および圧力値が一定に設定および保持されるようにしている。
【００４５】
第１と第２の限界値である０．８４５Ｖと２．４５ｂａｒの値は、安全のため、０．８５Ｖおよび２．５ｂａｒとは異なるように選択されている。実際に、動作モードのタイミングの悪い変更を防ぐため、ヒステリシスが人為的に作り出される。圧力Ｐの閾値が２．５ｂａｒに選択されたとすると、圧力が２．４９５ｂａｒに下がれば動作モードの変更が起こることになる。従って、０．８４５Ｖの電圧および２．４５ｂａｒの圧力は、０．８５Ｖ−ｘおよび２．５ｂａｒ−ｘと表記することができると考えられ、ここで、ｘは調整可能な値を有する。ヒステリシスは、このように、これらの小さな変動を排除することが可能であり、これにより、動作方法をより安定的にすることを意味する。第１と第２の限界値であるそれぞれ０．８４５Ｖと２．４５ｂａｒの値は、限定するものではなく、他の値を選択することもできることは明らかであろう。
【００４６】
当然のことながら、電力の設定点は、必ずしも基準バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ０とバッテリ測定電圧Ｖｂａｔｔとの差εである必要はない。この電力設定点は、燃料電池スタック２によって発生する電流と電圧に基づき測定された電力に関係した設定点としてもよい。電力要求を表現するこの設定点は、ペダルの位置とすることができる。この場合、システムは、アクセルペダルがその休止位置にないことを検出すると、電力が必要であると推測する。逆に、システムは、アクセルペダルがその休止位置にあることを検出すると、ゼロ出力が必要であって、システム１は電力を減少させることができると判断する。
【００４７】
本発明による動作管理方法の様々なステップでは、
ａ） 電気を発生させる化学反応を引き起こすことができるように、燃料ガス流および酸化ガス流を電気化学セルの各々に供給する。
ｂ） 変動負荷または電力要求を表現する設定点を定義する。この設定点は、バッテリ電圧の所定の設定値とバッテリの測定電圧との差とすることができる。
ｃ） 圧力センサを用いて、燃料電池スタック２における燃料ガス圧力および酸化ガス圧力を監視する。これは、燃料電池スタック２の圧力が連続的に分かることを意味する。複数のセンサによって、この圧力の平均値を提供し、これにより信頼性のより高い圧力値を提供する。
ｄ） 燃料電池スタック２における圧力を第１の基準値に調整する。燃料電池スタックから最大出力が得られるように、燃料電池スタック２における圧力Ｐは、その最大値Ｐｍａｘに維持される。第１の基準値は２．５ｂａｒである。
ｅ） 上記設定点に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の出力電圧（Ｖｃｅｌｌ）を変化させることにより、変動負荷を燃料電池スタック２とバッテリ６の間で割り振る。ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、燃料電池スタック２の電圧レベルに作用し、具体的には、各セルの端子電圧の和である燃料電池スタック２の出力電圧Ｖｃｅｌｌに作用する。各セルの端子電圧を変化させることにより、規定の電流ひいては規定の電力を供給する。
ｆ） 燃料電池スタックの電気化学セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す電圧を監視し、あるいはさらに、燃料電池スタックの出力電圧が第１の所定の限界値を超えているかどうか確認する。ここで確認するのは、各セルの端子電圧が、この電圧の最大目標値である０．８５Ｖの値に近いかどうかである。本例では、第１の限界値は０．８４５Ｖである。
ｇ） 電力要求を表現する設定点が、より低い電力が必要であることを示しているかどうか監視する。これは、システムが、より大きな電力を要求しているのか、より小さな電力を要求しているのか確認することである。この設定点は、バッテリ電圧の設定値Ｖｂａｔｔ０とバッテリの測定電圧Ｖｂａｔｔとの差、または電力の設定値と電力測定値との差とすることができる。
【００４８】
セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す電圧が第１の所定の限界値を超えている場合、かつ、上記変数が変動負荷の減少を示している場合には、
ｈ） 燃料電池スタックにおける圧力を基準値に維持するステップを中断し、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して燃料電池スタックの出力電圧を変化させることにより燃料電池スタックの出力電力を変更および調整するステップを中断する。
ｉ） ＤＣ／ＤＣコンバータの入力インピーダンスを適応させることにより、セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す電圧を第２の基準値に調整する。第２の基準値は０．８５Ｖである。
ｊ） 圧力を変化させることにより、すなわち圧力を変化させることで燃料電池スタックの出力電力を変化させることにより、変動負荷を燃料電池スタックとバッテリの間で割り振る。各セルの端子電圧が一定であるときには、電力の調整を可能にする電流調整は圧力に依存する。各圧力について、電流に応じたセル端子電圧の曲線が存在する。固定電流では、各セルの端子電圧は圧力とともに増加するので、よって、各セルの端子電圧が固定の場合は、電流は圧力とともに増加することになる。
【００４９】
燃料電池スタックにおける圧力が第２の所定の限界値を超えている場合、かつ、設定点が変動負荷の増加を示している場合には、
ｋ） 処理（ｉ）を中断し、さらに処理（ｊ）を中断し、そして処理（ｄ）と処理（ｅ）を繰り返す。
【００５０】
図５は、これをシミュレートした動作における、ハイブリッドシステム１の様々な特性変数を表す曲線を示している。
【００５１】
上記で提示した発明のいくつかの実施形態について、当業者には明らかである種々の変更および／または改良および／または組み合わせが、添付の請求項により規定される発明の範囲から逸脱することなく実施可能であることは、明らかであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッド連続電流源の動作を管理する方法であって、前記電流源は、燃料電池スタック（２）、バッテリ（６）、さらに入力と出力を有するＤＣ／ＤＣコンバータ（４）を含み、前記コンバータ（４）の入力は前記燃料電池スタックの出力に接続され、出力は前記バッテリと並列に変動負荷（８）に接続されて、前記燃料電池スタックは、燃料と酸化ガスから電気を発生させるように構成された複数の電気化学セルで形成されており、当該方法は、
ａ）燃料流および酸化ガス流を前記電気化学セルの各々に供給するステップと、
ｂ）前記変動負荷を表現する設定点を定義するステップと、
ｃ）前記燃料電池スタックにおける燃料圧力および酸化ガス圧力を監視するステップと、
ｄ）前記燃料電池スタックにおける圧力（Ｐ）を第１の基準値に調整するステップと、
ｅ）前記設定点に応じて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（４）の出力電圧（Ｖｃｅｌｌ）を変化させることにより、前記変動負荷を前記燃料電池スタック（２）と前記バッテリ（６）の間で割り振るステップと、
ｆ）前記燃料電池スタックの前記電気化学セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す電圧を監視するステップと、
ｇ）前記設定点を監視するステップと、
前記セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す前記電圧が第１の所定の限界値を超えている場合、かつ、前記設定点が前記変動負荷の減少を示している場合には、
ｈ）前記ステップ（ｄ）を中断し、さらに前記ステップ（ｅ）を中断するステップと、
ｉ）前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力インピーダンスを適応させることにより、前記セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す前記電圧を第２の基準値に調整するステップと、
ｊ）前記圧力を変化させることにより、前記変動負荷を前記燃料電池スタックと前記バッテリの間で割り振るステップと、を含むことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記燃料電池スタックにおける前記圧力が第２の所定の限界値を超えている場合、かつ、前記設定点が前記変動負荷の増加を示している場合には、
ｋ）前記ステップ（ｉ）を中断し、さらに前記ステップ（ｊ）を中断し、そして前記ステップ（ｄ）と前記ステップ（ｅ）を繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の管理方法。
【請求項３】
前記変動負荷を表現する前記設定点は、第３の基準値と前記バッテリの測定電圧（Ｖｂａｔｔ）との差（ε）であることを特徴とする、請求項１または２に記載の管理方法。
【請求項４】
前記変動負荷を表現する前記設定点は、前記変動負荷により要求される電力と前記燃料電池スタックの出力電力との差であることを特徴とする、請求項１または２に記載の管理方法。
【請求項５】
前記第２の限界値は２．４５ｂａｒであることを特徴とする、請求項２、３および４のいずれかに記載の管理方法。
【請求項６】
前記第１の所定の限界値は０．８４５Ｖであることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の管理方法。
【請求項７】
前記第２の基準値は１セルあたり０．８５Ｖの値であることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の管理方法。
【請求項８】
前記第１の基準値は２．５ｂａｒであることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の管理方法。
【請求項９】
前記燃料電池スタック（２）は、燃料として水素を、酸化ガスとして酸素を使用することを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載の管理方法。
【請求項１０】
ハイブリッド連続電流源を管理するシステムであって、前記電流源は、燃料電池スタック（２）、バッテリ（６）、さらに入力と出力を有するＤＣ／ＤＣコンバータ（４）を含み、前記コンバータ（４）の入力は前記燃料電池スタックの出力に接続され、出力は前記バッテリ（６）と並列に変動負荷に接続されており、前記燃料電池スタックは、燃料と酸化ガスから電気を発生させるように構成された複数の電気化学セルで形成されている、システム。
【請求項１】
ハイブリッド連続電流源の動作を管理する方法であって、前記電流源は、燃料電池スタック（２）、バッテリ（６）、さらに入力と出力を有するＤＣ／ＤＣコンバータ（４）を含み、前記コンバータ（４）の入力は前記燃料電池スタックの出力に接続され、出力は前記バッテリと並列に変動負荷（８）に接続されて、前記燃料電池スタックは、燃料と酸化ガスから電気を発生させるように構成された複数の電気化学セルで形成されており、当該方法は、
ａ）燃料流および酸化ガス流を前記電気化学セルの各々に供給するステップと、
ｂ）前記変動負荷を表現する設定点を定義するステップと、
ｃ）前記燃料電池スタックにおける燃料圧力および酸化ガス圧力を監視するステップと、
ｄ）前記燃料電池スタックにおける圧力（Ｐ）を第１の基準値に調整するステップと、
ｅ）前記設定点に応じて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（４）の出力電圧（Ｖｃｅｌｌ）を変化させることにより、前記変動負荷を前記燃料電池スタック（２）と前記バッテリ（６）の間で割り振るステップと、
ｆ）前記燃料電池スタックの前記電気化学セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す電圧を監視するステップと、
ｇ）前記設定点を監視するステップと、
前記セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す前記電圧が第１の所定の限界値を超えている場合、かつ、前記設定点が前記変動負荷の減少を示している場合には、
ｈ）前記ステップ（ｄ）を中断し、さらに前記ステップ（ｅ）を中断するステップと、
ｉ）前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力インピーダンスを適応させることにより、前記セルのうちの少なくとも１つの端子電圧を表す前記電圧を第２の基準値に調整するステップと、
ｊ）前記圧力を変化させることにより、前記変動負荷を前記燃料電池スタックと前記バッテリの間で割り振るステップと、を含むことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記燃料電池スタックにおける前記圧力が第２の所定の限界値を超えている場合、かつ、前記設定点が前記変動負荷の増加を示している場合には、
ｋ）前記ステップ（ｉ）を中断し、さらに前記ステップ（ｊ）を中断し、そして前記ステップ（ｄ）と前記ステップ（ｅ）を繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の管理方法。
【請求項３】
前記変動負荷を表現する前記設定点は、第３の基準値と前記バッテリの測定電圧（Ｖｂａｔｔ）との差（ε）であることを特徴とする、請求項１または２に記載の管理方法。
【請求項４】
前記変動負荷を表現する前記設定点は、前記変動負荷により要求される電力と前記燃料電池スタックの出力電力との差であることを特徴とする、請求項１または２に記載の管理方法。
【請求項５】
前記第２の限界値は２．４５ｂａｒであることを特徴とする、請求項２、３および４のいずれかに記載の管理方法。
【請求項６】
前記第１の所定の限界値は０．８４５Ｖであることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の管理方法。
【請求項７】
前記第２の基準値は１セルあたり０．８５Ｖの値であることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の管理方法。
【請求項８】
前記第１の基準値は２．５ｂａｒであることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の管理方法。
【請求項９】
前記燃料電池スタック（２）は、燃料として水素を、酸化ガスとして酸素を使用することを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載の管理方法。
【請求項１０】
ハイブリッド連続電流源を管理するシステムであって、前記電流源は、燃料電池スタック（２）、バッテリ（６）、さらに入力と出力を有するＤＣ／ＤＣコンバータ（４）を含み、前記コンバータ（４）の入力は前記燃料電池スタックの出力に接続され、出力は前記バッテリ（６）と並列に変動負荷に接続されており、前記燃料電池スタックは、燃料と酸化ガスから電気を発生させるように構成された複数の電気化学セルで形成されている、システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２５３０２３（Ｐ２０１２−２５３０２３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１２５７１６（Ｐ２０１２−１２５７１６）
【出願日】平成２４年６月１日（２０１２．６．１）
【出願人】（５１００１０８９４）ベレノス・クリーン・パワー・ホールディング・アーゲー (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月１日（２０１２．６．１）
【出願人】（５１００１０８９４）ベレノス・クリーン・パワー・ホールディング・アーゲー (18)
【Ｆターム（参考）】
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