CN103619638A - 燃料电池***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

燃料电池***（10）包括：电动机（16）；彼此并联地连接到电动机（16）的燃料电池（11）和蓄电装置（13）；在电动机（16）和燃料电池（11）之间的第一电压转换器（12）；在电动机（16）和蓄电装置（13）之间的第二电压转换器（14）；在第一电压转换器（12）和第二电压转换器（14）两者与电动机（16）之间的负载电路，以及控制单元（20）。当满足条件VFC>VM_min且VFC>VBAT+α时，控制单元（20）停止第一电压转换器（12）的升压操作，而当不满足该条件时，控制单元（20）禁止停止第一电压转换器（12）的升压操作，其中，在该条件中，VFC是燃料电池端子电压，VBAT是蓄电装置端子电压，并且VM_min是被设定成在确保电动机（16）所需的扭矩的同时最小化***损耗的负载电路输入端子电压。

Description

燃料电池***及其控制方法
技术领域
本发明涉及将从燃料电池输出的电力供给到电动机的燃料电池***及其控制方法。
背景技术
已知这种类型的***，其中，燃料电池和蓄电装置（诸如二次电池）与电动机并联连接，在电动机和燃料电池之间提供升压DC-DC转换器（在下文中，称为“FC升压转换器”），并且在电动机和蓄电装置之间提供升压DC-DC转换器（在下文中，称为“蓄电池升压转换器”）（例如，见日本专利申请公开No.2007-318938（JP2007-318938A））。此外，已知构造成取决于环境而停止FC升压转换器或蓄电池升压转换器的升压操作的***（例如，见日本专利申请公开No.2007-209161（JP2007-209161A）、日本专利申请公开No.2010-45889（JP2010-45889A）、日本专利申请公开No.2010-124689（JP2010-124689A）等等）。
在由此构成的现有***中，当不经意地停止上述转换器的每一个的升压操作时，***中的电压控制崩溃。在一些情况下，这可能导致过电流或过电压。
发明内容
本发明提供一种解决上述不便的燃料电池***及其控制方法。
本发明的第一方面涉及燃料电池***。该燃料电池***包括：电动机；燃料电池；蓄电装置；第一电压转换器；第二电压转换器；负载电路和控制单元。将从燃料电池和蓄电装置的至少一个输出的电力经由负载电路供给到电动机（例如，见作为申请人的相关申请的日本专利申请公开No.2009-165244）。注意，可以将燃料电池称为“燃料电池堆”
燃料电池和蓄电装置彼此并联地与电动机连接。第一电压转换器是被提供在电动机和燃料电池之间的电压转换器（升压DC-DC转换器），并且将输入到第一电压转换器的燃料电池的端子电压升压并输出。类似地，第二电压转换器是被提供在电动机和蓄电装置之间的电压转换器（升压DC-DC转换器），并且将输入到第二电压转换器的蓄电装置的端子电压升压并输出。负载电路被提供在第一电压转换器和第二电压转换器两者与电动机之间。提供控制单元以便控制在燃料电池***中的各种单元的操作。
当满足条件（1）VFC>VM_min和条件（2）VFC>VBAT+α时，控制单元停止第一电压转换器的升压操作并且将燃料电池的输出直接传输到负载电路，而当不满足条件（1）和条件（2）的至少任何一个时，控制单元禁止停止第一电压转换器的升压操作，其中，在该条件中，VFC是燃料电池的端子电压；VBAT是蓄电装置的端子电压；VM_min是负载电路输入下限电压，其是被设定成最小化燃料电池***中的损耗，同时确保电动机所需的扭矩的负载电路的输入端子电压；并且α是符号为正的常数。
当满足条件（1）时，燃料电池的端子电压高于负载电路输入下限电压（负载电路的输入端子电压，被设定成最小化燃料电池***中的损耗同时确保电动机所需的扭矩）。
其中，当蓄电装置的端子电压为VBAT时，条件（2）中的“VBAT+α”具体地对应于下述下限电压，在该下限电压处或之上，能由第二电压转换器执行电压控制（作为申请人的相关申请的日本专利申请公开No.2010-273496中的“可升压最小电压”）。即，当满足条件（2）时，相对于第二电压转换器的输入侧电压，稳定地可控制第二电压转换器的输出侧电压。因此，当满足条件（2）时，即使当停止第一电压转换器的升压操作时（即，即使当负载电路的输入端子电压不受第一电压转换器控制时），可以由第二电压转换器稳定地控制负载电路的输入端子电压。
因此，在根据本发明的第一方面的燃料电池***中，当满足条件（1）和条件（2）时，停止第一电压转换器的升压操作。因此，负载电路的输入端子直接电连接到燃料电池。此外，燃料电池的输出可以直接地传输到负载电路的输入端子，而不干预第一电压转换器的开关操作。
由此，通过具有上述构造的根据本发明的第一方面的燃料电池***，降低了第一电压转换器的开关损耗，由此提高***的效率。此外，可以由第二电压转换器稳定地控制负载电路的输入端子电压以及直接电连接到输入端子的燃料电池的端子电压。
另一方面，当不满足条件（1）时，需要升压燃料电池的端子电压。此外，在满足条件（1）而不满足条件（2）的情况下，当停止第一电压转换器时，相对于第二电压转换器的输入侧电压，第二电压转换器的输出侧电压不是稳定地可控制的。因此，当在不满足条件（2）的情况下，停止第一电压转换器时，不能稳定地控制负载电路的输入端子电压以及直接电连接到输入端子的燃料电池的端子电压。
因此，在根据本发明的第一方面的燃料电池***中，当不满足条件（1）和条件（2）的至少任何一个时，禁止停止第一电压转换器的升压操作。此时，通过第一电压转换器（以及第二电压转换器）的操作来控制负载电路的输入端子电压。
本发明的第二方面涉及用于燃料电池***的控制方法。燃料电池***包括：电动机；燃料电池和蓄电装置，其彼此并联地与电动机连接；第一电压转换器，其被提供在电动机和燃料电池之间，并且将输入到第一电压转换器的燃料电池的端子电压升压并输出；第二电压转换器，其被提供在电动机和蓄电装置之间，并且将输入到第二电压转换器的蓄电装置的端子电压升压并输出；以及负载电路，其被提供在第一电压转换器和第二电压转换器两者与电动机之间。该控制方法包括：将从燃料电池和蓄电装置的至少一个经由负载电路输出的电力供给到电动机；以及，当满足条件VFC>VM_min和VFC>VBAT+α时，停止第一电压转换器的升压操作，并且将燃料电池的输出直接传输到负载电路，而当不满足该条件时，禁止停止第一电压转换器的升压操作，其中，在该条件中，VFC是燃料电池的端子电压；VBAT是蓄电装置的端子电压；VM_min是负载电路输入下限电压，其是被设定成最小化燃料电池***中的损耗，同时确保电动机所需的扭矩的负载电路的输入端子电压；并且α是符号为正的常数，并且其中，当蓄电装置的端子电压为VBAT时，VBAT+α对应于下述下限电压，在该下限电压处或之上，能由第二电压转换器执行电压控制。
用这种方式，利用具有上述构造的根据本发明的方面的燃料电池***及其控制方法，能适当地控制负载电路的输入端子电压和燃料电池的端子电压，由此实现***的适当效率。
附图说明
在下文中，将参考附图，描述本发明的示例性实施例的特征、优点和技术及工业重要性，在附图中，相同的数字表示相同的元件，并且其中：
图1是示出根据本发明的一个实施例的燃料电池***的示意性构造以及配备有该燃料电池***的车辆的视图；
图2是示出图1中所示的FC升压转换器的电路构造的视图；
图3是示意性地示出用来获取负载电路输入下限电压VM_min并存储在图1所示的控制单元的ROM中的图谱（map）的视图；
图4是用于示例导出用来获取电路输入下限电压VM_min并如图3所示的图谱的过程的参考视图；
图5是用于示例导出用来获取电路输入下限电压VM_min并如图3所示的图谱的过程的参考视图；以及
图6是示出由图1中所示的控制单元的CPU执行的FC升压转换器的操作控制过程的具体例子的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图，描述本发明的实施例。注意，下述实施例中的说明仅具体地描述本发明的方面的例子。由此，如稍后所述，当然，本发明的方面不受下述实施例的具体构造的限制。在最后段落中总体地描述了对本实施例的各种改变（修改）。
***构造
图1是示出根据本发明的实施例的燃料电池***的示意性构造以及配备有该燃料电池***的车辆WV的视图。车辆WV配备有根据本实施例的燃料电池***10。根据本实施例的燃料电池***10包括燃料电池11、FC升压转换器12、蓄电池13、蓄电池升压转换器14、逆变器15、电动机16、氢罐17、压缩机18和控制单元20。燃料电池***10将从燃料电池11和/或蓄电池13输出的电力经由逆变器15供给到电动机16，由此驱动驱动轮W。
燃料电池11经由FC升压转换器12电连接到逆变器15。此外，蓄电池13经由蓄电池升压转换器14电连接到逆变器15。逆变器15被提供在FC升压转换器12和蓄电池升压转换器12两者与电动机16之间。逆变器15对应于根据本发明的方面的负载电路。即，燃料电池11和蓄电池13并联地与逆变器15和电动机16连接。
FC升压转换器12是升压DC-DC转换器，并且被构造成能将输入到FC升压转换器12的燃料电池11的端子电压升压，并且将升压电压输出到逆变器15。FC升压转换器12对应于根据本发明的方面的第一电压转换器。图2是示出图1中所示的FC升压转换器12的电子电路构造的视图。注意，在图2中，为了简化示例，省略蓄电池13和蓄电池升压转换器14。
如图2所示，FC升压转换器12被构造成能通过在升压操作期间调整开关元件S1的开关占空比来改变升压比，并且被构造成能在升压操作停止期间经由线圈L1和二极管D5，将燃料电池11的端子电压直接传输到逆变器15（注意本领域的技术人员当看到图2所示的电子电路构造时，能易于理解升压转换器12如何具体地操作，并且当需要时，参见日本专利申请公开No.2009-165244（JP2009-165244A）等等）。
再参考图1，蓄电池升压转换器14是升压DC-DC转换器，并且构造成能将输入到蓄电池升压转换器14的蓄电池13的端子电压升压，并且将升压电压输出到逆变器15。蓄电池升压转换器14对应于根据本发明的方面的第二电压转换器。
控制单元（ECU）20是用来控制燃料电池***10中的各种部分的操作的所谓微型计算机。控制单元20包括CPU、ROM、RAM、备用RAM、接口和连接这些设备的双向总线。ROM预存由CPU执行的例程（程序）、当执行例程时查询的表（查找表、图谱）等等。
控制单元20经由上述接口电连接到各种传感器。各种传感器包括提供在燃料电池11或蓄电池13上的传感器（电流传感器、电压传感器等等）、提供在电动机16上的转速传感器（未示出）、加速器踏板传感器21等等。此外，控制单元20经由上述接口电连接到FC自动变速器12、蓄电池升压转换器14、逆变器和电动机16，并且被构造成控制这些设备的操作。此外，控制单元20电连接到燃料气体供给***和氧化气体供给***，并且被构造成控制这些***的操作。燃料气体供给***包括提供在氢罐17上的开关阀（未示出）等等。氧化气体供给***包括压缩机18等等。
操作***的概述
控制单元20在电动机转速、由加速器踏板传感器21检测的加速器踏板操作量等等的基础上，计算燃料电池***10所需的总电力（车辆行驶电力和辅助电力的总值），并且确定从燃料电池11输出的电力和从蓄电池13输出的电力的分配。此外，控制单元20控制燃料气体供给***和氧化气体供给***，使得由燃料电池11生成的电力量与目标电力相符，并且控制FC升压转换器12和蓄电池升压转换器14以由此控制燃料电池11的操作点（端子电压和输出电流）。此外，控制单元20经由逆变器15控制电动机16的输出扭矩和转速，使得可以获得对应于加速器踏板操作量的目标扭矩等等。
在根据本实施例的燃料电池***10中，在燃料电池11和逆变器15之间提供FC升压转换器12，使得燃料电池11的端子电压被升压并被供给到逆变器15（电动机16）。因此，通过例如减少燃料电池11中的电池堆的数量来减少燃料电池***10的尺寸。通过这样做，降低了车辆WV的重量，由此进一步提高车辆WV的能源效率。
顺便提一下，在由此构造的燃料电池***10中，发电燃料电池11是用于电动机16的主动力源。由此，可假定降低在夹在燃料电池11和逆变器15之间的FC升压转换器12中的电力损耗显著地有助于燃料电池***10整体上的效率提高。因此，在根据本实施例的燃料电池***10中，FC升压转换器12经受间歇操作控制，以由此尽可能地抑制FC升压转换器12的开关损耗。通过这样做，***的效率提高。
在此，在对FC升压转换器12的间歇操作控制中，用于停止FC升压转换器12的升压操作的条件是满足下述条件（1）和（2）两者。另一方面，当不满足条件（1）和（2）的至少任何一个时，禁止停止FC升压转换器12的升压操作（即，维持FC升压转换器12的升压操作）。
条件（1）VFC>VM_min
条件（2）VFC>VBAT+α
在上述条件中，VFC表示燃料电池11的端子电压，VBAT表示蓄电池13的端子电压，VM_min表示负载电路输入下限电压，并且α是符号为正的常数。负载电路输入下限电压VM_min是被设定成最小化燃料电池***10中的损耗，同时确保电动机16所需的扭矩的逆变器15的输入端子电压。
图3是示意性地示出用来获取负载电路输入下限电压VM_min并被存储在图1中所示的控制单元20的ROM中的图谱的视图。注意，在图3中，横坐标轴代表电动机转速N，纵坐标轴代表电动机扭矩T，并且最右上侧处的虚线是指示可以由电动机16生成的最大扭矩的最大扭矩线。如图3所示，在电动机转速N和电动机扭矩T的基础上，从图3所示的图谱获取负载电路输入下限电压VM_min。
图4和图5是用于示例导出用来获取负载电路输入下限电压VM_min并在图3中所示的图谱的过程的参考视图。在电动机16的可生成上限扭矩（见图4，并且图4中的实线与图3中所示的最大扭矩线相同）以及在燃料电池11的操作点处的燃料电池***10的损耗特性的基础上，计算图3中所示的图谱。电动机16的可生成上限扭矩基于逆变器电压VM和电动机转速N。逆变器电压VM是逆变器15的输入端子电压。
在此，当所施加的电压减小时，FC升压转换器12、蓄电池升压转换器14和逆变器15的每一个中的开关损耗降低。此外，当所施加的电压减小时，电动机16中的铁损耗（滞后损耗和涡流损耗）也降低。即，在开关损耗和铁损耗方面，当逆变器电压VM减小时，损耗降低。
另一方面，图5是通过等高线示出在各个逆变器电压VM处具有最高效率的操作点的视图。如从图5看出，当逆变器电压VM减小时，因为电流增加，可能相反地发生损耗（例如铜损耗）增加。此外，还存在由诸如继电器的提供在FC升压转换器12中的电路元件确定的连续额定电流的约束。
由此，概念上，以下述方式获得负载电路输入下限电压VM_min。首先，在当前电动机转速N、所需扭矩T、图4所示的图谱以及上述连续额定电流的基础上，确定驱动电动机16所需的最小逆变器电压VM1（获得所需扭矩T并且在电流未超出连续额定值的范围内最大程度减小电流的逆变器电压VM）。然后，在逆变器电压VM1和各个操作点的损耗特性（图5等等）的基础上，计算负载电路输入下限电压VM_min。具体地，例如，当在使电压从由此确定的逆变器电压VM1增加小量ΔVM的情况下，***的效率提高时，将与ΔVM相加的新值确定为新的逆变器电压VM1。通过重复该计算，最终获得负载电路输入下限电压VM_min。即，可以将图3的图谱看作由图5的图谱等等校正图4的图谱。
操作的具体示例
图6是示出由图1中所示的控制单元20的CPU（在下文中，简称为“CPU”）执行的FC升压转换器12的操作控制过程的具体例子的流程图。注意到，在图6所示的流程图中，“步骤”简写成“S”。
CPU以预定时间间隔执行图6中所示的FC升压转换器控制例程600。当开始例程600时，在步骤610，在当前电动机转速N、加速器踏板操作量等等的基础上，CPU初始地计算电动机扭矩T。然后，如上所述，在步骤620，在电动机速度N和电动机扭矩T的基础上，CPU获取负载电路输入下限电压VM_min。随后，在步骤630，CPU获取燃料电池端子电压VFC，并且在步骤640，获取蓄电池端子电压VBAT。
在此之后，在步骤650，CPU确定是否满足上述条件（1）。当满足条件（1）时（步骤650为是），过程进入到步骤660，然后，CPU确定是否满足上述条件（2）。当满足条件（2）时（步骤660为是），过程进入步骤670，然后，CPU停止FC升压转换器12中的开关操作，在此之后，CPU结束该例程。另一方面，当不满足条件（1）和（2）的至少任何一个时，过程进入步骤680，然后，CPU禁止停止FC升压转换器12中的开关操作，在此之后，CPU结束该例程。
操作和有益效果
当满足条件（1）时，即，当燃料电池端子电压VFC高于负载电路输入下限电压VM_min时，燃料电池11的输出可以直接传输到逆变器15的输入端，同时，停止FC升压转换器12的升压操作（即，不升压燃料电池11的端子电压）。
此外，当满足条件（2）时，相对于蓄电池升压转换器14的输入侧电压，蓄电池升压转换器14的输出侧电压是稳定可控制的。因此，在满足条件（2）的情况下，即使当在停止FC升压转换器12的升压操作时（即，即使在不由FC升压转换器12控制逆变器15的输入端子电压的情况下），可以由蓄电池升压转换器14稳定地控制逆变器15的输入端子电压。
然后，在根据本实施例的燃料电池***10中，当满足条件（1）和满足条件（2）时，停止FC升压转换器12的升压操作，并且将燃料电池11的输出直接传输到逆变器15。通过这样做，减少原本假定在FC升压转换器12中发生的开关损耗，因此，***的效率提高。此外，可以由蓄电池升压转换器14稳定地控制逆变器15的输入端子电压和直接电连接到输入端子的燃料电池11的端子电压。
另一方面，当不满足条件（1）时，有必要升压燃料电池11的端子电压。此外，当满足条件（1）时但不满足条件（2）时，相对于蓄电池升压转换器14的输入侧电压，蓄电池升压转换器14的输出侧电压不是稳定地可控制的。因此，当在不满足条件（2）的情况下，停止FC升压转换器12时，不能稳定地控制逆变器15的输入端子电压和直接电连接到输入端子的燃料电池11的端子电压。
因此，在根据本实施例的燃料电池***10中，当不满足条件（1）和条件（2）的至少任何一个时，禁止停止FC升压转换器12的升压操作。由此，在这种情况下，通过FC升压转换器12（以及蓄电池升压转换器14）的操作，控制逆变器15的输入端子电压。
用这种方式，通过根据本实施例的燃料电池***10，适当地控制逆变器15的输入端子电压和燃料电池11的端子电压，由此实现***的适当效率。此外，将升压DC-DC转换器用作分别连接到燃料电池11和蓄电池13的电压转换器，由此使得可以尽可能地减少设备内的开关元件的数量。由此，能实现设备构造的简化以及***效率的进一步提高。
修改
注意上述实施例仅示例本发明的方面的典型实施例。由此，本发明的方面不受上述实施例限制。由此，当然，在不背离本发明的本质的情况下，可以将上述实施例修改成各种形式。
在下文中，将描述一些典型的修改。当然，修改不限于下面列出的这些。此外，只要适当，在没有与本发明的范围的任何技术矛盾的情况下，也可以应用两个或多个修改的组合。
不应当在上述实施例以及下述的修改的基础上，限制性地解释本发明的方面。
本发明的方面不限于在上述实施例中所述的具体装置构造。例如，本发明的方面不限于配备有燃料电池***的车辆。此外，根据本发明的方面的“蓄电装置”不限于蓄电池。具体地，例如，可以将电容器等等用作“蓄电装置”。此外，本发明的方面可以适当地应用于提供多个燃料电池堆或多个蓄电装置的构造。
本发明的方面不限于在上述实施例中所述的具体过程。例如，可以通过计算来获得从图谱获取的参数。
为适当地控制燃料电池11的操作点（例如，端子电压），当燃料电池11输出电力时，蓄电池升压转换器14令人满意地持续操作。通过这样做，能尽可能地避免由于燃料电池11的端子电压增加到接近开路端子电压而引起的故障，诸如烧结。就这一点而言，当燃料电池11输出电力时，令人满意地控制燃料电池***10，使得逆变器15的输入端子电压不低于下述下限电压，在该下限电压处或之上，能由蓄电池升压转换器14执行电压控制。
除上述外，当然，在不背离本发明的本质的情况下，未具体描述的修改也包括在本发明的范围中。此外，在本发明的方面中描述的操作和功能元件不仅仅包括在实施例和修改中所述的具体构造，而是可以包括能实现操作和功能的任何构造。此外，在本说明书中引用的公开文献的描述（包括说明书和附图）可以用来构成本说明书的一部分。

Claims (4)

1.一种燃料电池***，其特征在于包括：
电动机；
燃料电池和蓄电装置，所述燃料电池和所述蓄电装置彼此并联地连接到所述电动机；
第一电压转换器，所述第一电压转换器被提供在所述电动机和所述燃料电池之间，并且将输入到所述第一电压转换器的所述燃料电池的端子电压升压并输出；
第二电压转换器，所述第二电压转换器被提供在所述电动机和所述蓄电装置之间，并且将输入到所述第二电压转换器的所述蓄电装置的端子电压升压并输出；
负载电路，所述负载电路被提供在所述第一电压转换器和所述第二电压转换器两者与所述电动机之间，其中，从所述燃料电池和所述蓄电装置的至少一个输出的电力经由所述负载电路被供给到所述电动机；以及
控制单元，当满足条件VFC>VM_min且VFC>VBAT+α时，所述控制单元停止所述第一电压转换器的升压操作并且将所述燃料电池的输出直接传输到所述负载电路，而当不满足所述条件时，所述控制单元禁止停止所述第一电压转换器的升压操作，
其中，在所述条件中，VFC是所述燃料电池的端子电压；VBAT是所述蓄电装置的端子电压；VM_min是负载电路输入下限电压，所述负载电路输入下限电压是被设定成在确保所述电动机所需的扭矩的同时最小化所述燃料电池***中的损耗的所述负载电路的输入端子电压；并且α是符号为正的常数，并且其中，当所述蓄电装置的端子电压为VBAT时，VBAT+α对应于下限电压，在所述下限电压处或之上，能够由所述第二电压转换器执行电压控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中，所述条件中的VBAT+α是下限电压，在所述下限电压处或之上，能够由所述第二电压转换器执行电压控制。
3.一种用于燃料电池***的控制方法，所述燃料电池***包括：电动机；燃料电池和蓄电装置，所述燃料电池和所述蓄电装置彼此并联地连接到所述电动机；第一电压转换器，所述第一电压转换器被提供在所述电动机和所述燃料电池之间，并且将输入到所述第一电压转换器的所述燃料电池的端子电压升压并输出；第二电压转换器，所述第二电压转换器被提供在所述电动机和所述蓄电装置之间，并且将输入到所述第二电压转换器的所述蓄电装置的端子电压升压并输出；以及负载电路，所述负载电路被提供在所述第一电压转换器和所述第二电压转换器两者与所述电动机之间，所述控制方法的特征在于包括：
将从所述燃料电池和所述蓄电装置的至少一个输出的电力经由所述负载电路供给到所述电动机；以及
当满足条件VFC>VM_min且VFC>VBAT+α时，停止所述第一电压转换器的升压操作，并且将所述燃料电池的输出直接传输到所述负载电路，而当不满足所述条件时，禁止停止所述第一电压转换器的升压操作，
其中，在所述条件中，VFC是所述燃料电池的端子电压；VBAT是所述蓄电装置的端子电压；VM_min是负载电路输入下限电压，所述负载电路输入下限电压是被设定成在确保所述电动机所需的扭矩的同时最小化所述燃料电池***中的损耗的所述负载电路的输入端子电压；并且α是符号为正的常数，并且其中，当所述蓄电装置的端子电压为VBAT时，VBAT+α对应于下限电压，在所述下限电压处或之上，能够由所述第二电压转换器执行电压控制。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其中，所述条件中的VBAT+α是下限电压，在所述下限电压处或之上，能够由所述第二电压转换器执行电压控制。
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