CN102204001B - 燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

即使在对于转换器的输入电压及燃料电池的输出端子电压要求急剧的变动的情况下，也实现稳定的转换器控制。控制器(160)判断为对于燃料电池(110)的要求电力的变化率超过设定的阈值时，执行转换器稳定化处理。控制器(160)首先控制蓄电池转换器(180)直到逆变器(130)的输入电压Vin成为设定的目标输入电压Vtin。并且，控制器(160)在逆变器(130)的输入电压Vin达到目标输入电压Vtin之后，控制FC转换器(140)直到燃料电池(110)的输出端子电压Vfc成为设定的目标输出端子电压Vtfc。

Description

燃料电池***
技术领域
本发明涉及燃料电池***，特别是涉及作为动力源具备燃料电池和蓄电池的混合型的燃料电池***。
背景技术
在汽车等上搭载的燃料电池***中，为了应对超过燃料电池的发电能力的急剧的负载的变化等，提出有各种具备燃料电池和蓄电池的混合型的燃料电池***作为动力源（例如，参照下述专利文献1）。
图7是例示汽车中搭载的混合型的燃料电池***（以下称为FCHV***）的图。FCHV***100中，燃料电池110和蓄电池120相对于负载130并联连接，并且负载130上连接有将从燃料电池110或蓄电池120供给的直流电力变换成交流电力的逆变器140。另外，在燃料电池110和逆变器140之间设有控制燃料电池110的端子电压（输出电压）Vfc的DC/DC转换器（以下称为FC转换器）155，在蓄电池120和逆变器140之间设有控制逆变器140的输入电压Vin的DC/DC转换器（以下称为蓄电池转换器）150。
控制器160基于从油门传感器等传感器组170供给的检测信号（例如表示油门开度的检测信号等），算出负载130的要求电力，并且基于算出的要求电力控制逆变器140，由此将与要求电力相当的电力经由逆变器140供给至负载130。
专利文献1：JP特开2000-12059号公报
发明内容
在上述FCHV***100中，控制器160算出负载130的要求电力后，决定应作为目标的逆变器140的输入电压（以下称为目标输入电压）Vtin，并且决定应作为目标的燃料电池110的输出端子电压（以下称为目标输出端子电压）Vtfc。
此处，图8是例示负载130的要求电力中存在变动时的逆变器140的输入电压Vin和燃料电池110的输出端子电压Vfc之间的关系的图。此外，图8中，以实线表示逆变器140的输入电压Vin的变化，以虚线表示燃料电池110的输出端子电压Vfc的变化。
例如，驾驶员踏下油门踏板等而使负载130的要求电力急剧增加时，通过蓄电池转换器150使逆变器140的目标输入电压Vtin向高电压侧转移（参照图8的箭头α），另一方面，通过FC转换器155使燃料电池110的目标输出端子电压Vtfc向低电压侧转移（参照图8的箭头β）。
其结果是，逆变器140的输入电压Vin通过蓄电池转换器150而朝向设定的高电压侧的目标输入电压Vtin（参照图8的△）急剧地升压，并且燃料电池110的输出端子电压Vfc通过FC转换器155而朝向设定的目标输出端子电压（参照图8的▲）急剧地降压，但这种逆变器140的输入电压Vin和燃料电池110的输出端子电压Vfc的急剧的变动对于FC转换器155要求超过控制界限（在可控制的响应频率范围内的动作）的动作，会使人担心出现控制故障。
本发明鉴于以上说明的问题而创立，其目的在于提供即使在对于逆变器的输入电压及燃料电池的输出端子电压要求急剧的变动的情况下也能够实现稳定的转换器控制的燃料电池***等。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池***，包括：相对于负载并联连接的燃料电池及蓄电装置；与所述负载连接的逆变器；在所述燃料电池和所述逆变器之间设置且控制所述燃料电池的端子电压的第一电压变换装置；在所述蓄电装置和所述逆变器之间设置且控制所述逆变器的输入电压的第二电压变换装置；及控制所述各电压变换装置的动作的控制单元，其特征在于，在使所述燃料电池的输出电力增大的情况下，所述控制单元控制所述第二电压变换装置的动作直到所述逆变器的输入电压达到设定要求电压，之后，控制所述第一电压变换装置的动作以使所述燃料电池的端子电压成为与所述输出电力相应的输出要求电压。
根据该构成，在使燃料电池的输出电力增大的情况下，利用第二电压变换装置控制逆变器的输入电压（参照图8的α），之后，利用第一电压变换装置控制燃料电池的输出端子电压（参照图8的β）。通过该控制，能够不对于第一电压变换装置要求超过控制界限（在可控制的响应频率范围内的动作）的动作，而将导致控制故障之类的现有的问题防止于未然，能够实现稳定的转换器控制。
此处，在上述构成中，优选下述方式：在对所述燃料电池要求的输出电力的变化率超过设定的阈值的情况下，所述控制单元控制所述第二电压变换装置的动作直到所述逆变器的输入电压达到设定要求电压，之后，控制所述第一电压变换装置的动作以使所述燃料电池的端子电压成为与所述输出电力相应的输出要求电压。
另外，在上述构成中，优选下述方式：在所述第一电压变换装置的输出侧、输入侧的电压的变化率之和超过设定的阈值的情况下，所述控制单元控制所述第二电压变换装置的动作直到所述逆变器的输入电压达到设定要求电压，之后，控制所述第一电压变换装置的动作以使所述燃料电池的端子电压成为与所述输出电力相应的输出要求电压。
另外，本发明的燃料电池***，包括：相对于负载并联连接的燃料电池及蓄电装置；与所述负载连接的逆变器；在所述燃料电池和所述逆变器之间设置且控制所述燃料电池的端子电压的第一电压变换装置；在所述蓄电装置和所述逆变器之间设置且控制所述逆变器的输入电压的第二电压变换装置；及控制所述各电压变换装置的动作的控制单元，其特征在于，在使所述燃料电池的输出电力减少的情况下，所述控制单元控制所述第一电压变换装置的动作直到所述燃料电池的端子电压达到与所述输出电力相应的输出要求电压，之后，控制所述第二电压变换装置的动作以使所述逆变器的输入电压成为设定要求电压。
此处，在上述构成中，优选下述方式：在对所述燃料电池要求的输出电力的变化率超过设定的阈值的情况下，所述控制单元控制所述第一电压变换装置的动作直到所述燃料电池的端子电压达到与所述输出电力相应的输出要求电压，之后，控制所述第二电压变换装置的动作以使所述逆变器的输入电压成为设定要求电压。
另外，在上述构成中，还优选下述方式：在所述第一电压变换装置的输出侧、输入侧的电压的变化率之和超过设定的阈值的情况下，所述控制单元控制所述第一电压变换装置的动作直到所述燃料电池的端子电压达到与所述输出电力相应的输出要求电压，之后，控制所述第二电压变换装置的动作以使所述逆变器的输入电压成为设定要求电压。
根据本发明，即使在对于逆变器的输入电压及燃料电池的输出端子电压要求急剧的变动的情况下，也能够实现稳定的转换器控制。
附图说明
图1是本实施方式的FCHV***的***构成图。
图2是例示本实施方式的FC转换器的1个相的单相电路的构成的图。
图3是表示本实施方式的FCHV***的动作的流程图。
图4是表示本实施方式的转换器稳定化处理的流程图。
图5是表示变形例的转换器稳定化处理的流程图。
图6是例示变形例的气体流量和燃料电池的I-V特性之间的关系的图。
图7是现有的FCHV***的***构成图。
图8是例示在负载的要求电力中存在变动时的逆变器的输入电压和燃料电池的输出端子电压之间的关系的图。
具体实施方式
A.本实施方式
以下，参照各图说明本发明的实施方式。图1表示本实施方式的车辆所搭载的FCHV***的构成。此外，以下的说明中作为车辆的一例假想了燃料电池汽车（FCHV；Fuel Cell Hybrid Vehicle），但也能够适用于电动汽车等。另外，不仅是车辆，还能够适用于各种移动体（例如，船舶、飞机、机器人等）及定置型电源、以及便携型的燃料电池***。另外，为了易于对说明的理解，对于与图7对应的部分标注相同的标号。
（***构成）
图1是本发明的实施方式的FCHV***100的***整体图。
本实施方式的FCHV***100特别是在蓄电池120和逆变器140之间设有DC/DC转换器（以下称为蓄电池转换器）180的方面具有特征。
燃料电池110是将多个单元电池串联地层叠而成的固体高分子电解质型电池组。在燃料电池110上安装有用于检测燃料电池组110的输出端子电压Vfc的电压传感器、及用于检测输出电流（FC电流）的电流传感器（均省略图示）。燃料电池110中，在阳极发生（1）式的氧化反应，在阴极发生（2）式的还原反应，作为燃料电池110整体发生（3）式的起电反应。
H2→2H++2e-…（1）
（1/2）O2+2H++2e-→H2O…（2）
H2+（1/2）O2→H2O…（3）
单元电池具有利用用于供给燃料气体和氧化气体的隔板夹持MEA而成的结构，所述MEA为利用燃料极及空气极这两个电极夹持高分子电解质膜等而成。阳极在多孔质支撑层上设有阳极用催化剂层，阴极在多孔质支撑层上设有阴极用催化剂层。
燃料电池110中设有向阳极供给燃料气体的***、向阴极供给氧化气体的***、及提供冷却液的***（均省略图示），根据来自控制器160的控制信号控制燃料气体的供给量、氧化气体的供给量，由此能够产生期望的电力。
FC转换器（第一电压变换装置）150承担控制燃料电池110的输出端子电压Vfc的作用，是将输入到一次侧（输入侧:燃料电池110侧）的FC输出端子电压Vfc变换（升压或降压）成与一次侧不同的电压值而向二次侧（输出侧:逆变器140侧）输出，或者相反将输入到二次侧的电压变换成与二次侧不同的电压而输出到一次侧的双方向的电压变换装置。通过该FC转换器150进行控制以使燃料电池110的输出端子电压Vfc成为与目标输出相应的电压（即，目标输出端子电压vfc）。
该FC转换器150例如是升压转换器，采用三相运转方式。作为具体的电路方式，具备作为由U相151、V相152、W相153构成的三相桥形转换器的电路构成。三相桥形转换器的电路构成由将输入的直流电压暂时变换成交流的类似逆变器的电路部分和将该交流再次整流而变换成不同的直流电压的部分组合而成。
图2是将FC转换器150的1个相的电路抽出后的负载驱动电路的构成图。此外，在以下的说明中，将输入到FC转换器150的升压前的电压称为输入电压Vin，将从FC转换器150输出的升压后的电压称为输出电压Vout。
如图2所示，FC转换器150（1个相）具备电抗器L1、整流用的二极管D1、及由IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等构成的开关元件SW1。电抗器L1中，其一端与燃料电池110的输出端（图示略）连接，另一端与开关元件SW1的集电极连接。此处，流向电抗器L1的电流由检测各相的电抗器电流的电流传感器I1～I3（参照图1）检测。开关元件SW1连接于逆变器140的电源线和接地线之间。具体而言，开关元件SW1的集电极与电源线连接，发射极与接地线连接。在该构成中，首先，接通开关SW1时，电流以燃料电池110→电感器L1→开关SW1的顺序流动，此时电感器L1被直流励磁而蓄积磁能。
接着使开关SW1断开后，电感器L1中蓄积的磁能所产生的感应电压与燃料电池110的FC电压（输入电压Vin）重叠，比输入电压Vin高的工作电压（输出电压Vout）从电感器L1输出，并且输出电流经由二极管D1被输出。控制器160通过适宜变更该开关SW1的接通/断开的占空比（后述）而获得期望的输出电压Vout。此外，该FC转换器150的输入电流（即，燃料电池110的输出电流）通过电流传感器（图示略）检测，FC转换器150的输入电压（即，燃料电池110的输出电压）通过电压传感器（图示略）检测。
回到图1，蓄电池（蓄电装置）120相对于负载130与燃料电池110并联连接，作为剩余电力的储藏源、再生制动时的再生能量储藏源、伴随燃料电池车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器起作用。作为蓄电池120，例如利用镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。
蓄电池转换器（第二电压变换装置）180承担控制逆变器140的输入电压Vin的作用，例如具有与FC转换器150同样的电路构成。本实施方式中，在负载130的要求电力急剧地变化时（以下假定为增加的情况），首先，控制蓄电池转换器180直到逆变器140的输入电压Vin成为设定的目标输入电压Vtin（参照图8的△）。并且，在逆变器140的输入电压Vin达到目标输入电压Vtin之后，控制FC转换器150直到燃料电池110的输出端子电压Vfc成为设定的目标输出端子电压Vtfc。这样，在对于燃料电池110的要求电力急剧地增加时，利用蓄电池转换器180控制逆变器140的输入电压Vin，之后，利用FC转换器150控制燃料电池110的输出端子电压Vfc，从而能够实现稳定的转换器控制（详细的动作如后所述）。此外，蓄电池转换器180的电路构成不限于上述构成，可以采用能够控制逆变器140的输入电压Vin的所有构成。
逆变器140是例如以脉冲宽度调制方式驱动的PWM逆变器，根据来自控制器160的控制指令，将从燃料电池110或蓄电池120输出的直流电力变换为三相交流电力，控制牵引电动机131的转矩。
牵引电动机131是作为本车辆的主动力的装置，在减速时也产生再生电力。差速器132是减速装置，使牵引电动机131的高速旋转减速为规定的转速，使设有轮胎133的轴旋转。在轴上设有未图示的车轮速度传感器等，由此检测该车辆的车速等。此外，本实施方式中，将接受从燃料电池110供给的电力而能够进行动作的所有设备（包括牵引电动机131、差速器132）总称为负载130。
控制器160是FCHV***100的控制用的计算机***，例如具备CPU、RAM、ROM等。控制器160输入从传感器组170供给的各种信号（例如，表示油门开度的信号、表示车速的信号、表示燃料电池110的输出电流、输出端子电压的信号等）而求出负载130的要求电力（即，***整体的要求电力）。
负载130的要求电力是例如车辆行驶电力和辅机电力的总计值。辅机电力中包括由车载辅机类（加湿器、空气压缩机、氢泵、及冷却水循环泵等）所消耗的电力、由车辆行驶中需要的装置（变速器、车轮控制装置、转向装置、及悬架装置等）所消耗的电力、由在乘员空间内配置的装置（空调装置、照明器具、及音响等）所消耗的电力等。
并且，控制器（控制装置）160决定燃料电池110和蓄电池120各自的输出电力的分配，并计算发电指令值。控制器160求出对于燃料电池110及蓄电池120的要求电力时，控制FC转换器150及蓄电池转换器180的动作以得到它们的要求电力。并且，控制器160为了得到与油门开度相对应的目标转矩，对于逆变器140例如输出U相、V相、及W相的各交流电压指令值作为开关指令，控制牵引电动机131的输出转矩及转速。
而且，控制器160在对于燃料电池110的要求电力满足规定条件的情况下（在此处为要求电力急剧地增加的情况下），为了实现稳定的转换器控制，首先，控制蓄电池转换器180直到逆变器140的输入电压Vin达到设定的目标输入电压（设定要求电压）Vtin（参照图8的△）。并且，在逆变器140的输入电压Vin达到目标输入电压Vtin之后，实施控制FC转换器150的处理（以下称为转换器稳定化处理）直到燃料电池110的输出端子电压Vfc成为设定的目标输出端子电压（在输出要求中）Vtfc为止。
此处，上述的规定条件可以任意地设定/变更，例如也可以在对于燃料电池110的要求电力的变化率超过设定的阈值的情况（第一条件）下、FC转换器150的输入侧、输出侧的电压的变化率之和超过设定的阈值的情况（第二条件）下，执行转换器稳定化处理。此外，设定的各阈值预先通过试验等求出而存储于存储器（图示略）等即可。另外，对于阈值，虽然可以为固定值，但也可以设定成能够根据运转条件、用户的操作等而适宜地设定/变更。以下，以采用第一条件作为规定条件的情况为例进行说明。
（动作）
图3是表示FCHV***100的处理动作的流程图。
控制器160输入从传感器组170供给的各种的信号（例如，表示油门开度的信号、表示车速的信号、表示燃料电池110的输出电流或输出端子电压的信号等），算出负载130的要求电力（步骤S1）。控制器160决定燃料电池110和蓄电池120的各自的输出电力的分配，计算发电指令值，求出对于燃料电池110的要求电力（步骤S2）。并且，控制器160判断对于燃料电池110的要求电力是否满足规定条件（步骤S3）。如上所述，本实施方式中，作为规定条件设定有第一条件（即，对于燃料电池110的要求电力的变化率是否超过设定的阈值），因此控制器160判断对于燃料电池110的要求电力的变化率是否超过设定的阈值。
控制器160在判断为对于燃料电池110的要求电力的变化率没有超过设定的阈值的情况下（步骤S103；否），前进到步骤S104，执行通常运转处理。另一方面，驾驶员踏下油门踏板等而使对于燃料电池110的要求电力急剧地增加时，控制器160判断为对于燃料电池110的要求电力的变化率超过设定的阈值（步骤S103；是），执行转换器稳定化处理（步骤S105）。
<通常运转处理>
转移到步骤S104后，控制器160控制氧化气体及燃料气体的供给，以使燃料电池110的发电量与目标电力（即，燃料电池110的发电指令值）一致。
而且，控制器160控制FC转换器150，调整燃料电池110的输出端子电压Vfc，从而控制燃料电池110的运转点（输出电流、输出电压）。此外，通常运转处理时的燃料电池110的输出电压表示例如1.0V/单电池～0.6V/单电池的范围的状况。控制器160为了得到与油门开度相对应的目标转矩，例如作为开关指令将U相、V相、及W相的各交流电压指令值向逆变器140输出，控制牵引电动机131的输出转矩、及转速。
<转换器稳定化处理>
转移到步骤S105后，控制器160执行图4所示的转换器稳定化处理流程。详细说明如下，控制器160首先控制蓄电池转换器180，直到逆变器140的输入电压Vin成为设定的目标输入电压Vtin（参照图8的△）（步骤S201）。并且，控制器160在逆变器140的输入电压Vin达到目标输入电压Vtin之后，控制FC转换器150直到燃料电池110的输出端子电压Vfc成为设定的目标输出端子电压Vtfc（步骤S202），并结束处理。
如以上说明，根据本实施方式，判断对于燃料电池110的要求电力是否满足规定条件（例如燃料电池110的要求电力的变化率是否超过设定的阈值），在判断为满足的情况下利用蓄电池转换器180控制逆变器140的输入电压Vin，之后，利用FC转换器150控制燃料电池110的输出端子电压Vfc。通过该控制，能够不对于FC转换器150要求超过控制界限（在可控制的响应频率范围内的动作）的动作，而将导致控制故障之类的现有的问题防止于未然，能够实现稳定的转换器控制。
B.变形例
（1）在上述的本实施方式中，作为燃料电池110的要求电力的变化率超过设定的阈值的例子，以对于燃料电池110的要求电力急剧地增大的情况（即，要求电力变化率为正的情况）为例进行了说明，但在对于燃料电池110的要求电力急剧地减少的情况（即，要求电力变化率为负的情况）下也同样能够适用。
图5是表示变形例的转换器稳定化处理的流程图。
驾驶员踏下制动器踏板等而使对于燃料电池110的要求电力急剧地减少时，控制器160执行图5所示的转换器稳定化处理。详细说明如下，控制器160首先控制FC转换器150直到燃料电池110的输出端子电压Vfc成为设定的目标输出端子电压（输出要求电压）Vtfc（步骤S301）。并且，控制器160在燃料电池110的输出端子电压Vfc达到目标输入电压Vtin后，控制蓄电池转换器180直到逆变器140的输入电压Vin成为设定的目标输入电压（设定要求电压）Vtin（步骤S302），并结束处理。
通过该控制，能够不对于FC转换器150要求超过控制界限（在可控制的响应频率范围内的动作）的动作，而将导致控制故障之类的现有的问题防止于未然，能够实现稳定的转换器控制。
此处，作为变形例中的规定条件，例如也可以在对于燃料电池110的要求电力的变化率超过设定的阈值的情况（第3条件）下、FC转换器150的输入侧、输出侧的电压的变化率超过设定的阈值的情况（第4条件）下，执行转换器稳定化处理。此外，设定的各阈值预先通过试验等求出而存储于存储器（图示略）等即可。另外，对于阈值，虽然可以为固定值，但也可以设定成能够根据运转条件、用户的操作等而适宜地设定/变更。
另外，在上述的本实施方式中，对于燃料电池110的输出电流-输出电压特性（I-V特性）没有特别说明，但燃料电池110的I-V特性根据运转状况等而不同。
图6是例示氧化气体及燃料气体的供给量（气体流量）和燃料电池110的I-V特性之间的关系的图，在图6中从气体流量较小一方开始依次表示I-V特性F1、F2、F3、F4。
控制器160将图6所示的特性映射存储于存储器（图示略）中，在执行转换器稳定化处理的情况下，首先利用流量计等而把握该时点下的气体流量。并且，控制器160从存储器读出与把握的气体流量对应的I-V特性（例如，I-V特性F2等），利用读出的I-V特性而求出应作为目标的运转动作点（输出电流，输出电压）。对于之后的动作能够与本实施方式同样地进行说明，因此省略了说明。这样，也可以准备多种燃料电池110的I-V特性，利用与运转状况相对应的I-V特性而决定运转动作点。
标号说明
100…FCHV***、110…燃料电池、120…蓄电池、130…负载、140…逆变器、150…FC转换器、160…控制器、170…传感器组、180…蓄电池转换器。

Claims (6)

1.一种燃料电池***，包括：
相对于负载并联连接的燃料电池及蓄电装置；
与所述负载连接的逆变器；
在所述燃料电池和所述逆变器之间设置且控制所述燃料电池的端子电压的第一电压变换装置；
在所述蓄电装置和所述逆变器之间设置且控制所述逆变器的输入电压的第二电压变换装置；及
控制所述各电压变换装置的动作的控制单元，
所述燃料电池***的特征在于，
在使所述燃料电池的输出电力增大的情况下，
所述控制单元控制所述第二电压变换装置的动作直到所述逆变器的输入电压达到设定要求电压，之后，控制所述第一电压变换装置的动作以使所述燃料电池的端子电压成为与所述输出电力相应的输出要求电压。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***，其特征在于，
在对所述燃料电池要求的输出电力的变化率超过设定的阈值的情况下，
所述控制单元控制所述第二电压变换装置的动作直到所述逆变器的输入电压达到设定要求电压，之后，控制所述第一电压变换装置的动作以使所述燃料电池的端子电压成为与所述输出电力相应的输出要求电压。
3.根据权利要求1所述的燃料电池***，其特征在于，
在所述第一电压变换装置的输出侧、输入侧的电压的变化率之和超过设定的阈值的情况下，
所述控制单元控制所述第二电压变换装置的动作直到所述逆变器的输入电压达到设定要求电压，之后，控制所述第一电压变换装置的动作以使所述燃料电池的端子电压成为与所述输出电力相应的输出要求电压。
4.一种燃料电池***，包括：
相对于负载并联连接的燃料电池及蓄电装置；
与所述负载连接的逆变器；
在所述燃料电池和所述逆变器之间设置且控制所述燃料电池的端子电压的第一电压变换装置；
在所述蓄电装置和所述逆变器之间设置且控制所述逆变器的输入电压的第二电压变换装置；及
控制所述各电压变换装置的动作的控制单元，
所述燃料电池***的特征在于，
在使所述燃料电池的输出电力减少的情况下，
所述控制单元控制所述第一电压变换装置的动作直到所述燃料电池的端子电压达到与所述输出电力相应的输出要求电压，之后，控制所述第二电压变换装置的动作以使所述逆变器的输入电压成为设定要求电压。
5.根据权利要求4所述的燃料电池***，其特征在于，
在对所述燃料电池要求的输出电力的变化率超过设定的阈值的情况下，
所述控制单元控制所述第一电压变换装置的动作直到所述燃料电池的端子电压达到与所述输出电力相应的输出要求电压，之后，控制所述第二电压变换装置的动作以使所述逆变器的输入电压成为设定要求电压。
6.根据权利要求4所述的燃料电池***，其特征在于，
在所述第一电压变换装置的输出侧、输入侧的电压的变化率之和超过设定的阈值的情况下，
所述控制单元控制所述第一电压变换装置的动作直到所述燃料电池的端子电压达到与所述输出电力相应的输出要求电压，之后，控制所述第二电压变换装置的动作以使所述逆变器的输入电压成为设定要求电压。
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