CN104340082B - 燃料电池车 - Google Patents

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Abstract

一种能避免燃料电池劣化、输出降低且能与运转状况的变化对应地维持高效率的燃料电池车。一种燃料电池车，燃料电池与蓄电池经过DC－DC转换器并列连接于行驶用驱动逆变器和驱动电机，包括：燃料电池侧直接连结电路，其可将上述DC－DC转换器旁路，使得上述燃料电池和上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机；控制部件，其用于控制上述DC－DC转换器和上述各侧直接连结电路的开闭；构成为可根据运行状况，将上述燃料电池与上述蓄电池中的任一者通过上述各侧直接连结电路有选择地与上述驱动逆变器和驱动电机直接连结，并且上述燃料电池与上述蓄电池中的另一者通过恒定电流控制动作的上述DC－DC转换器进行连接或者使上述DC－DC转换器停止工作。

Description

燃料电池车
技术领域
本发明涉及一种燃料电池车，进一步详细地说，涉及一种具有燃料电池和蓄电池的电动车的控制***。
背景技术
燃料电池车为了提高电力的利用效率而同时搭载有燃料电池和蓄电池是较有利的。例如，燃料电池与驱动逆变器和驱动电机直接连结，为了防止对燃料电池施加过电压而设有二极管，另一方面，蓄电池经由DC－DC转换器与驱动逆变器和驱动电机相连接(参照专利文献1、2)。
在这种燃料电池车中，在高负荷时、负荷变动时也从蓄电池进行电力供给，并且在车辆减速时将来自电机的再生电力充入蓄电池的做法是有利的，但是若电池电压较高，则存在催化剂发生氧化而活性降低，燃料电池的输出降低的问题，另外，若电池电压发生变化，则存在催化剂因反复的氧化还原而持续发生溶解，导致燃料电池劣化的问题。因此，正在研究能够避免这些问题并且能够与运转状况的变化相对应地维持高效率这样的高效的控制***。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006－286305号公报
专利文献2：日本特开2010－259276号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明是鉴于以往技术的上述方面而做成的，其目的在于提供一种能够避免燃料电池劣化、输出降低并且能够与运转状况的变化相对应地维持高效率的燃料电池车。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明为一种燃料电池与蓄电池经过DC－DC转换器并列连接于行驶用驱动逆变器和驱动电机的燃料电池车，其特征在于，该燃料电池车包括：燃料电池侧直接连结电路，其可将上述DC－DC转换器旁路，使得上述燃料电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机；蓄电池侧直接连结电路，其可将上述DC－DC转换器旁路，使得上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机；以及控制部件，其用于控制上述DC－DC转换器和上述各侧直接连结电路的开闭；该燃料电池车构成为可根据运转状况，将上述燃料电池与上述蓄电池中的任一者通过上述各侧直接连结电路有选择地与上述驱动逆变器和驱动电机直接连结，并且上述燃料电池与上述蓄电池中的另一者通过恒定电流控制动作的上述DC－DC转换器与驱动逆变器和驱动电机连接或者使上述DC－DC转换器停止工作。
即，其特征在于，分别在燃料电池侧与蓄电池侧设置DC－DC转换器，且分别在燃料电池侧与蓄电池侧设置可将该DC－DC转换器旁路的直接连结电路，并根据驾驶状况有选择地对其进行切换，从而将燃料电池维持为高效率，该结构是考虑了以下这样的燃料电池特性的结构。
图8的(a)是表示燃料电池的电流－电压曲线的图表，是电压随着电流变大而降低的特性。图8的(b)表示燃料电池的电流与效率之间的关系，电池电压在0.7V附近效率最高，只要是在0.64V～0.75V的范围内，就能够获得最大的效率。因而，通过进行将电池电压维持在该范围内这样的控制，能够获得高效率，并且能够防止燃料电池劣化。
具体地说，在燃料电池侧，在电池电压处于较高的区域(图8的(a)中的左上侧)的情况下，使DC－DC转换器以恒定电流控制进行下变频动作，使电池电压降低。反之，在电池电压处于较低的区域(图8的(a)中的右下侧)的情况下，燃料电池侧直接进行连结，从而避免因通过DC－DC转换器所引起的效率降低，并且从蓄电池供给辅助电力而使电池电压上升。另外，在成为极低温状态的情况、燃料电池劣化的情况下，使DC－DC转换器以恒定电流控制进行上变频动作，从而进行电池电压的上升，即恢复。
发明的效果
本发明的燃料电池车利用上述结构具有以下这样的效果。
第1，燃料电池与蓄电池中的任一者总是与驱动逆变器和驱动电机直接连结，能够不经由DC－DC转换器进行电力供给或使再生电力向蓄电池充电，因此能够避免由DC－DC转换器引起的效率降低。
第2，燃料电池与蓄电池中的另一者通过恒定电流控制动作的DC－DC转换器进行连接，从而能够防止启动时、再生时的燃料电池的电压上升，防止高输出时的蓄电池的过充电，并能够供给辅助电力，在避免燃料电池劣化、输出降低并且与运转状况的变化相对应地维持高效率的方面是有利的。另外，也能够在普通行驶时、蓄电池故障时切断蓄电池。
第3，由于燃料电池与蓄电池中的任一者总是与驱动逆变器和驱动电机直接连结，因此能够利用1个DC－DC转换器实施燃料电池侧和蓄电池侧的恒定电流控制，能够将作为比较大型的元件的感应器(扼流线圈)设为1个，有利于向设备搭载空间的限制较大的电动二轮车、电动三轮车实施。
将与以上所述的各个运转状况相应的动作模式预先存储于控制部件(附设于控制部件的存储装置)，通过选择与运转操作相应的模式来切换燃料电池、蓄电池、DC－DC转换器以及各侧直接连结电路这样的结构是有利的。
即，本发明为燃料电池与蓄电池经过DC－DC转换器并列连接于行驶用驱动逆变器和驱动电机的燃料电池车，其特征在于，
该燃料电池车包括：燃料电池侧直接连结电路，其可将上述DC－DC转换器旁路，使得上述燃料电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机；蓄电池侧直接连结电路，其可将上述DC－DC转换器旁路，使得上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机；以及控制部件，其用于控制上述DC－DC转换器和上述各侧直接连结电路的开闭；
该燃料电池车具有以下各种模式，并且可在各种模式下选择性地进行动作：
启动模式，将上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并从上述蓄电池向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力，并且断开上述燃料电池侧直接连结电路，使上述DC－DC转换器以恒定电流控制进行动作；
普通行驶模式，将上述燃料电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并从上述燃料电池向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力，并且断开上述蓄电池侧直接连结电路；以及
再生模式，在制动操作时，将上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并使用再生电力向上述蓄电池充电，并且断开上述燃料电池侧直接连结电路，使上述DC－DC转换器以恒定电流控制进行动作。
采用上述结构，在启动模式下，通过直接连结蓄电池而从蓄电池向驱动逆变器和驱动电机供给电力，从而能够作为EV立即进行行驶，另一方面，通过经由DC－DC转换器连接燃料电池，能够避免电池电压上升，并且使电流值上升直至达到普通行驶所需的输出。
另外，在普通行驶模式下，通过直接连结燃料电池而从燃料电池向驱动逆变器和驱动电机供给电力，从而能够避免由DC－DC转换器引起的效率降低，而且，在制动操作时，能够避免由DC－DC转换器引起的效率降低，且能够高效地向蓄电池充入再生电力，并且通过经由DC－DC转换器连接燃料电池，能够在避免电池电压上升并维持高效率状态的情况下恢复为普通行驶。
在本发明的进一步优选的技术方案中，在上述普通行驶模式下还包括高输出行驶模式，在该高输出行驶模式下，在上述蓄电池侧使上述DC－DC转换器以恒定电流控制进行动作，从上述蓄电池通过上述DC－DC转换器向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力。
采用上述结构，在高输出时，能够防止自蓄电池过充电，并且能够供给辅助电力，能够避免燃料电池的输出不足、电池电压降低，且能够维持高效率。
在本发明的进一步优选的技术方案中，该燃料电池车还包括以下模式：
燃料电池劣化模式，在检测到上述燃料电池异常的情况下，将上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并从上述蓄电池向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力，另一方面，断开上述燃料电池侧直接连结电路，使上述DC－DC转换器以恒定电流控制进行动作；
燃料电池故障模式，在上述燃料电池发生故障的情况下，将上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并从上述蓄电池向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力，另一方面，使上述DC－DC转换器停止工作；以及
蓄电池故障模式，在上述蓄电池发生故障的情况下，将上述燃料电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并从上述燃料电池向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力，另一方面，使上述DC－DC转换器停止工作。
采用上述结构，在检测到燃料电池与蓄电池中的任一者的故障的情况下，切断发生故障的电源，并且通过直接连结另一者，能够继续高效地行驶。另外，在因长时间的不使用等而使燃料电池劣化的情况下，经由以恒定电流控制进行动作的DC－DC转换器连接燃料电池，从而能够利用蓄电池的电力继续行驶，并且能够使燃料电池恢复。
在本发明的进一步优选的技术方案中，上述DC－DC转换器由在上述燃料电池侧与上述蓄电池侧共用的1个感应器和包括在上述燃料电池侧与上述蓄电池侧有选择地进行动作的单独的开关元件在内的1个双向DC－DC转换器构成。
采用上述结构，能够获得以上所述的各种优点，并且通过将作为比较大型的元件的感应器(扼流线圈)设为1个而能够实现成本削减和小型轻量化，有利于向设备搭载空间的限制较大的电动二轮车、电动三轮车实施，而且还具有使电源电路和控制电路也简化的优点。
附图说明
图1是表示本发明第1实施方式的燃料电池车的基本结构图。
图2是表示本发明的燃料电池车的运转模式的框图。
图3是表示本发明的燃料电池车的启动模式中的控制的流程图。
图4是表示本发明的燃料电池车的各运转模式的框图，图4的(a)表示启动模式，图4的(b)表示普通行驶模式，图4的(c)表示再生模式，图4的(d)表示高输出行驶模式。
图5是表示本发明的燃料电池车的各非正常模式的框图，图5的(a)表示FC劣化模式，图5的(b)表示LiB故障模式，图5的(c)表示FC故障模式。
图6是表示本发明第2实施方式的燃料电池车的基本结构图。
图7是表示本发明第2实施方式的燃料电池车的DC－DC转换器的电路图。
图8的(a)是表示燃料电池的电流－电压曲线的图表，图8的(b)是表示电流－效率曲线的图表。
附图标记说明
1燃料电池；2、4、8 DC－DC转换器；3蓄电池；5逆变器；6电机；10、20燃料电池车；11、13、21、23开关部件；12、14、22、24直接连结电路；41启动模式；42普通行驶模式；43再生模式；44高输出行驶模式；51 FC劣化模式(燃料电池劣化模式)；52电池故障模式(蓄电池故障模式)；53 FC故障模式(燃料电池故障模式)。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。
在图1中，在本发明第1实施方式的燃料电池车10中，燃料电池1与蓄电池3经由DC－DC转换器2、4并列地连接于逆变器5和电机6，并且该燃料电池车10包括：直接连结电路12、14，直接连结电路12相对于DC－DC转换器2构成旁路，直接连结电路14相对于DC－DC转换器4构成旁路；以及开关部件11、13，其用于切断上述直接连结电路12、14。
燃料电池1优选使用例如固体高分子形燃料电池(PEFC)。在图中，燃料电池1往往简单地记载为FC。蓄电池3优选使用锂离子二次电池(LiB)。电机6是具有作为发电机的功能的电动发电机(旋转电机)。
DC－DC转换器2、4如下面即将说明的那样，由感应器(扼流线圈)和与该感应器两侧相连接的开关元件等构成，通过开关元件的脉冲宽度调制(PWM)进行恒定电流控制，并作为升降压转换器进行工作。在以下说明中，往往简单地记载为恒定电流模式。蓄电池3侧的DC－DC转换器4需要构成为能够在充放电时使用的双向DC－DC转换器。DC－DC转换器2、4的开关元件以及直接连结电路12、14的开关部件11、13，优选使用功率MOSFET，但是也能够使用其他开关元件。
本发明的燃料电池车10利用未图示的控制部件(CPU)根据运转状况切换各个模式，该各个模式是基于闭合燃料电池1侧(或蓄电池3侧)的开关部件11(13)而直接进行连结，并且断开蓄电池3侧(或燃料电池1侧)的开关部件13(11)，使DC－DC转换器4(2)以恒定电流控制进行动作或停止动作的各个模式。图2中的左侧的4个是本发明的燃料电池车1的基本的运转模式40(41～44)，右侧的3个是非正常模式50(51～53)。以下，说明各个模式。
图4的(a)表示启动模式41下的基本动作，图3是表示以启动模式为中心的控制的流程图。若接通燃料电池车10的开关，则成为该启动模式41。在启动时，燃料电池1、蓄电池3、逆变器5一起自断开状态进行启动，之后，能够立即启动的蓄电池3与逆变器5接通，能够以EV模式进行行驶。此时，蓄电池3侧的DC－DC转换器4处于断开的状态，闭合直接连结电路14的开关部件13，以直通模式进行启动。
接着，使燃料电池1启动(即使与蓄电池3同时启动也没有问题)。此时，在断开燃料电池1侧的直接连结电路12的开关部件11的状态下，使DC－DC转换器2以恒定电流模式进行启动。该恒定电流的设定值一边监视燃料电池1的状态(各个电池的发电电压、电池温度、内部电阻)一边慢慢地上升，使电流值上升直至达到所需的输出。
在该过程中检测到燃料电池1的状态异常的情况下(也包括低温时)，转入后述的FC劣化模式51、FC故障模式53下的运转。在燃料电池1没有问题的情况下，转入普通行驶模式42。另外，在转入普通行驶模式42之后，也在电机6停止工作的情况、电机6的输出降低的情况下，返回启动模式41。
图4的(b)表示普通行驶模式42。在普通行驶模式42下，燃料电池1侧的DC－DC转换器2处于断开的状态，闭合直接连结电路12的开关部件11而设为直接连结模式，基本上仅靠来自燃料电池1的输出进行行驶。由此，在燃料电池1侧避免了DC－DC转换器2中的电力损失，良好地维持耗电情况。
在该状态下，在电机6的输出增大，燃料电池1的输出电压降低的情况、水淹的危险性提高的情况下，转入后述的高输出模式44。另外，在普通行驶模式42下，蓄电池3侧的DC－DC转换器4通常成为断开的状态，但是在蓄电池3的充电量降低到阈值以下的情况下，例如在成为30％以下的情况下，使DC－DC转换器4启动，进行蓄电池3的充电。
图4的(c)表示再生模式43。在前面所说明的启动模式41、普通行驶模式42、或后述的高输出模式44、FC劣化模式51下的行驶中，在需要发动机制动的情况、需要操作制动踏板的情况下，成为再生模式43，根据制动力，逆变器5对蓄电池3进行充电动作。
此时，蓄电池3侧的DC－DC转换器4处于断开的状态，闭合直接连结电路14的开关部件13而成为直通模式，能够提供充电效率，能够将电力损失抑制到最小限度。另一方面，若燃料电池1的输出为零，则会引起劣化，因此使不会劣化的程度的电流作为向蓄电池3的充电电流流入蓄电池3。此时，燃料电池1侧的DC－DC转换器2以对电流进行控制的恒定电流模式进行动作。
图4的(d)表示高输出行驶模式44。在普通行驶模式42下，在电机6为高输出的情况下转入该高输出行驶模式44。在该高输出行驶模式44中，在普通行驶模式42下，使蓄电池3侧的DC－DC转换器4以恒定电流模式启动，进行抑制燃料电池1输出不足、电压异常降低的动作。另外，在燃料电池1中可能产生水淹的情况下，也转入该高输出行驶模式44。但是，也如前面所述那样，在蓄电池3的充电量降低到阈值以下的情况下，不转入高输出行驶模式44。
图5的(a)表示FC劣化模式51(燃料电池劣化模式)。在前面所述的启动模式41下，在检测到内部电阻增大等燃料电池1异常的情况下，使该模式51启动。燃料电池1的异常考虑有低温、电阻R的劣化、燃料电池1的故障等，但是在燃料电池1的输出电压异常降低的情况下，判断为燃料电池1故障，向驾驶者通知异常，并转入EV模式下的行驶。
在燃料电池1劣化时，燃料电池1的内部电阻较大，但是燃料电池1的温度并不是低温，直接连结蓄电池3并将行驶设为EV模式，燃料电池1侧的DC－DC转换器2进行恒定电流模式下的运转，并等待燃料电池1的输出恢复。在燃料电池1的内部电阻较大，且燃料电池1的温度为低温的情况下，判断为由低温引起的输出降低，一边使燃料电池1以恒定电流进行动作一边等待温度上升。在燃料电池1的劣化时以及燃料电池1的低温时，在认为燃料电池1的输出上升的情况下，恢复为启动模式41。
图5的(b)表示电池故障模式52(蓄电池故障模式)。在蓄电池3(锂离子电池)发生故障的情况下，作为紧急模式50转入该模式52。此时，蓄电池3侧的DC－DC转换器4断开，燃料电池1侧的DC－DC转换器2处于断开的状态，闭合直接连结电路11的开关部件12而设为直通模式。另外，在再生模式43下，也断开燃料电池1侧的DC－DC转换器2，不接受再生。最终成为紧急模式。
图5的(c)表示FC故障模式53(燃料电池故障模式)。该模式也是紧急模式50。在该情况下，燃料电池1侧的DC－DC转换器2断开，蓄电池3侧的DC－DC转换器4断开并闭合直接连结电路14的开关部件13而设为直通模式，转入EV模式下的行驶。在该情况下，虽然能够进行再生，但是如果蓄电池3的充电量耗尽，则无法进行行驶，因此需要在此之前到达修理厂。
接着，图6和图7表示本发明第2实施方式的燃料电池车20及其电源电路的主要部分。与第1实施方式的燃料电池车10的不同之处在于构成为在燃料电池车20中在燃料电池1侧与蓄电池3侧共用1个DC－DC转换器8。
在图7中，感应器L1(扼流线圈)与4个开关元件M1、M2、M3、M4(功率MOSFET)相当于第1实施方式的蓄电池侧DC－DC转换器4，感应器L1(扼流线圈)与取代1个开关元件M1而加入了M5后的4个开关元件M5、M2、M3、M4相当于第1实施方式的燃料电池侧DC－DC转换器2。
分别在燃料电池1侧与蓄电池3侧相对于DC－DC转换器8构成旁路的直接连结电路22、24与第1实施方式相同，在蓄电池3侧的直接连结电路24上连接有用于与放电(电力供给)和充电(电力再生)双向对应的两个开关元件M7、M8(功率MOSFET)作为开关部件23。
在该第2实施方式的燃料电池车20中，只要在结构元件中搭载一个比较大型且较重的感应器即可，因此成为有利于轻量化和小型化的结构，最适合设备搭载空间的限制较大的二轮车、三轮车。
以上，说明了本发明的实施方式，但是本发明并不限定于上述实施方式，基于本发明的技术思想能够进一步进行各种变形和变更。例如，也能够一并实施第1实施方式或第3实施方式的加权处理与第2实施方式的加权处理。

Claims (5)

1.一种燃料电池车，其中，燃料电池与蓄电池经过DC－DC转换器并列连接于行驶用驱动逆变器和驱动电机，其特征在于，
该燃料电池车包括：燃料电池侧直接连结电路，其可将上述DC－DC转换器旁路，使得上述燃料电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机；蓄电池侧直接连结电路，其可将上述DC－DC转换器旁路，使得上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机；以及控制部件，其用于控制上述DC－DC转换器和各侧上述直接连结电路的开闭；
该燃料电池车构成为可根据运转状况，将上述燃料电池与上述蓄电池中的任一者通过各侧上述直接连结电路有选择地与上述驱动逆变器和驱动电机直接连结，并且上述燃料电池与上述蓄电池中的另一者通过恒定电流控制动作的上述DC－DC转换器与驱动逆变器和驱动电机连接或者使上述DC－DC转换器停止工作。
2.一种燃料电池车，其中，燃料电池与蓄电池经过DC－DC转换器并列连接于行驶用驱动逆变器和驱动电机，其特征在于，
该燃料电池车包括：燃料电池侧直接连结电路，其可将上述DC－DC转换器旁路，使得上述燃料电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机；蓄电池侧直接连结电路，其可将上述DC－DC转换器旁路，使得上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机；以及控制部件，其用于控制上述DC－DC转换器和各侧上述直接连结电路的开闭；
该燃料电池车具有以下各种模式，并且可在各种模式下选择性地进行动作：
启动模式，将上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并从上述蓄电池向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力，并且断开上述燃料电池侧直接连结电路，使上述DC－DC转换器以恒定电流控制进行动作；
普通行驶模式，将上述燃料电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并从上述燃料电池向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力，并且断开上述蓄电池侧直接连结电路，而且，上述DC－DC转换器通常成为断开的状态，但是在上述蓄电池的充电量降低到阈值以下的情况下，使上述DC－DC转换器启动，对上述蓄电池进行充电；以及
再生模式，在制动操作时，将上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并使用再生电力向上述蓄电池充电，并且断开上述燃料电池侧直接连结电路，使上述DC－DC转换器以恒定电流控制进行动作。
3.根据权利要求2所述的燃料电池车，其特征在于，
在上述普通行驶模式下还包括高输出行驶模式，在该高输出行驶模式下，在上述蓄电池侧使上述DC－DC转换器以恒定电流控制进行动作，从上述蓄电池通过上述DC－DC转换器向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力。
4.根据权利要求2所述的燃料电池车，其特征在于，
该燃料电池车还包括以下模式：
燃料电池劣化模式，在检测到上述燃料电池异常的情况下，将上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并从上述蓄电池向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力，另一方面，断开上述燃料电池侧直接连结电路，使上述DC－DC转换器以恒定电流控制进行动作；
燃料电池故障模式，在上述燃料电池发生故障的情况下，将上述蓄电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并从上述蓄电池向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力，另一方面，使上述DC－DC转换器停止工作；以及
蓄电池故障模式，在上述蓄电池发生故障的情况下，将上述燃料电池直接连结于上述驱动逆变器和驱动电机并从上述燃料电池向上述驱动逆变器和驱动电机供给电力，另一方面，使上述DC－DC转换器停止工作。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池车，其特征在于，
上述DC－DC转换器是1个双向DC－DC转换器，其包括上述燃料电池侧与上述蓄电池侧共用的1个感应器和分别与上述燃料电池侧及上述蓄电池侧连接且有选择地进行动作的2个开关元件。
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