CN107452972B - 燃料电池***及其控制方法 - Google Patents

燃料电池***及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107452972B
CN107452972B CN201710327807.XA CN201710327807A CN107452972B CN 107452972 B CN107452972 B CN 107452972B CN 201710327807 A CN201710327807 A CN 201710327807A CN 107452972 B CN107452972 B CN 107452972B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
secondary battery
output
power generation
charge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710327807.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN107452972A (zh
Inventor
神谷明宏
马屋原健司
渡边隆男
小川朋也
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of CN107452972A publication Critical patent/CN107452972A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107452972B publication Critical patent/CN107452972B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644—Constructional arrangements
    • G01R31/3647—Constructional arrangements for determining the ability of a battery to perform a critical function, e.g. cranking
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3828—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC using current integration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04626—Power, energy, capacity or load of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04949—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04953—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/18—Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及燃料电池***及其控制方法。所述燃料电池***配备有燃料电池和二次电池。这种燃料电池***配备有记录所述二次电池的充放电历程的记录部；基于所述记录部记录的充放电历程预测所述二次电池的输出限制的预测部；和当所述预测部预测所述二次电池的输出限制并且所述燃料电池处于间歇运行状态时，在所述二次电池的输出限制的发生时间之前开始通过所述燃料电池的发电的输出控制部。

Description

燃料电池***及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池***及其控制方法。
背景技术
装备有供有反应性气体(燃料气体和氧化气体)的燃料电池来发电的燃料电池***已被提出并投入实际应用。所述燃料电池是通过利用电化学过程将燃料氧化，将由氧化反应所放出的能量直接转化为电能的发电***。
日本特开2014-117008(JP 2014-117008A)的燃料电池***设有起到剩余电力的储存源、负荷变动时的能量缓冲器等功能的二次电池(电池)。现在，为了满足用户或辅机的输出要求，提供了确定从燃料电池的输出和从二次电池的输出的技术。
发明内容
顺便提及，二次电池的可放电功率一般由电池温度和剩余容量(荷电状态(stateof charge)：SOC)决定。然而，在一些情况下，可放电功率受限制，致使基于过去的充放电历程计算的充放电指数超不过预定阈值。在日本特开2014-117008(JP 2014-117008A)记载的技术中，没有考虑由于二次电池过去的充放电历程引起的输出限制。因此不大可能供给满足输出要求的功率。
本发明提供了即使在预测由于二次电池过去的充放电历程引起输出限制的情况下，仍然能够供给满足输出要求的功率的燃料电池***。
根据本发明一方面的燃料电池***装备有燃料电池和二次电池。这种燃料电池***装备有：记录部，记录所述二次电池的充放电历程；预测部，基于所述记录部记录的充放电历程预测所述二次电池的输出限制；和输出控制部，当所述预测部预测所述二次电池的输出限制并且所述燃料电池处于间歇运行状态时，在所述二次电池的输出限制的发生时间之前开始通过所述燃料电池的发电。
此外，根据本发明另一方面的控制方法是装备有燃料电池和二次电池的燃料电池***的控制方法。这种控制方法包括当预测由于二次电池的充放电历程引起所述二次电池的输出限制时，在所述二次电池的输出限制的发生时间之前用于开始通过所述燃料电池的发电的输出控制过程。
在采用这种构造和这种方法的情况下，当预测由于二次电池的充放电历程引起所述二次电池的输出限制时，在所述二次电池的输出限制的发生时间之前，可开始通过所述燃料电池的发电。因此，可防止所供给的输出变得不满足所要求的输出。
根据本发明的控制方法可以包括，当通过电子控制单元的预测部预测二次电池的输出限制并且所述燃料电池处于间歇运行状态时，执行用于开始通过所述燃料电池的发电的输出控制。
在根据本发明的燃料电池***中，当基于所述记录部记录的所述二次电池的充放电历程计算的指标值和基于需由所述二次电池供给的功率(power)计算的缓冲值的总和超过预定阈值时，所述预测部可预测所述二次电池的输出限制。
此外，在根据本发明的控制方法中，当基于所述二次电池的充放电历程计算的指标值和基于需由所述二次电池供给的功率计算的缓冲值的总和超过预定阈值时，可开始通过所述燃料电池的发电。
在采用这种构造和这种方法的情况下，当基于所述二次电池的充放电历程计算的指标值和基于需由所述二次电池供给的功率计算的缓冲值的总和超过预定阈值时，可开始通过所述燃料电池的发电。因此，在当基于所述二次电池的充放电历程计算的指标值超过预定阈值的发生时间(所述输出限制的发生时间)之前，可开始通过所述燃料电池的发电。因而可防止所供给的输出变得不满足所要求的输出。
在根据本发明的燃料电池***和控制方法中，可采用所述二次电池的输出电流的时间积分值作为指标值，可采用从向所述燃料电池发布发电指令起到开始通过所述燃料电池的发电为止预测被辅机消耗的电流的积分值作为缓冲值。
本发明使得可以提供即使在预测由于二次电池过去的充放电历程引起输出限制的情况下，仍然能够供给满足输出要求的功率的燃料电池***。
附图说明
本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义将在下面参考附图说明，其中同样的数字表示同样的要素，并且其中：
图1是显示根据本发明实施方式的燃料电池***的构造概要的说明图；
图2是显示根据本发明实施方式的燃料电池***的控制器的功能构造的框图；
图3A是在开始通过燃料电池的发电的发生时间和由于所述电池的充放电历程而对电池输出带来限制的发生时间彼此一致的情况下的时间图，并显示了所述电池的输出功率的时间历程；
图3B显示了基于所述电池的充放电历程计算的指标值的时间历程；
图3C显示了所述燃料电池的输出功率的时间历程；
图4A是用于说明根据本发明实施方式的燃料电池***的控制方法的时间图，并显示了所述电池的输出功率的时间历程；
图4B显示了基于所述电池的充放电历程计算的指标值加上缓冲值得到的值的时间历程；
图4C显示了所述燃料电池的输出功率的时间历程；和
图5是用于说明根据本发明实施方式的燃料电池***的控制方法的流程图。
具体实施方式
以下将参考各图来描述本发明的实施方式。顺便提及，除非另作说明，图中的位置关系例如上、下、左和右的位置等是基于图中显示的位置关系。另外，图中的尺寸比率不局限于图示的比率。此外，本发明的以下实施方式是用于说明本发明的例示。本发明并不意在被限定于它的这种实施方式。还有，本发明可以以各种方式修改，除非背离其主旨。
首先，将利用图1描述根据本发明的本实施方式的燃料电池***10的构造。燃料电池***10起到安装在例如作为移动体的燃料电池供电车辆中的车载电源***的功能。所述燃料电池***10装备有供有反应性气体(燃料气体和氧化气体)来发电的燃料电池20、用于向燃料电池20供给空气作为氧化气体的氧化气体供给***30、用于向燃料电池20供给氢气作为燃料气体的燃料气体供给***40、用于控制电力的充放电的电力***(power system)50、和全面控制整个***的控制器60。本发明的本实施方式的控制器60是电子控制单元的一个例子。
燃料电池20是通过许多单电池串联堆叠构成的固体聚合物电解质型单电池堆叠体。在燃料电池20的阳极(anode electrode)处发生式(1)的氧化反应，而在燃料电池20的阴极(cathode electrode)处发生式(2)的还原反应。在整个燃料电池20中发生式(3)的生电反应。
H2→2H++2e-...(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O...(2)
H2+(1/2)O2→H2O...(3)
构成燃料电池20的每个单电池是由聚合物电解质膜、阳极、阴极和隔膜构成的。所述阳极和阴极从两侧将所述聚合物电解质膜夹在中间而形成夹心结构。所述隔膜由不透气的导电构件构成，并在夹在两侧的所述阳极和阴极中间的同时，与所述阳极之间和与所述阴极之间分别形成燃料气体流路和氧化气体流路。
所述阳极和阴极各自具有催化层和气体扩散层。所述催化层具有催化剂承载碳片和聚合物电解质，所述催化剂承载碳片承载发挥催化剂功能并由例如铂型材料制成的贵金属粒子。例如，金属催化剂(Pt、Pt-Fe、Pt-Cr、Pt-Ni、Pt-Ru等)可用作所述贵金属粒子的铂型材料。例如，炭黑可用作所述催化剂承载碳片。质子传导性离子交换树脂等可用作所述聚合物电解质。所述气体扩散层在所述催化层的表面上形成，表现出透气性和电子导电性，并由以碳纤维制成的线织成的碳毡、碳纸或碳布形成。
所述聚合物电解质膜是质子传导性离子交换膜，其由固体聚合物材料例如氟树脂形成，并在润湿状态下表现出良好的导电性。所述聚合物电解质膜、阳极、和阴极形成膜-电极组件。
如图1所示，用于检测燃料电池20的输出电压(FC电压)的电压传感器71、和用于检测输出电流(FC电流)的电流传感器72与燃料电池20附接。
所述氧化气体供给***30具有氧化气体通路33，供给至燃料电池20的阴极的氧化气体流过所述通路；和氧化废气通路34，从燃料电池20排出的氧化废气流过所述通路。氧化气体通路33设有空气压缩器32，其经由过滤器31从大气中引入氧化气体；和阻断阀A1，用于阻断向燃料电池20供给氧化气体。氧化废气通路34设有阻断阀A2，用于阻断来自燃料电池20的氧化废气的排出；和背压调节阀A3，用于调节氧化气体供给压力。
燃料气体供给***40具有燃料气体供给源41；燃料气体通路43，从燃料气体供给源41供给至燃料电池20的阳极的燃料气体流过所述通路；循环通路44，用于将从燃料电池20排出的燃料废气再循环到燃料气体通路43；循环泵45，其将循环通路44中的燃料废气压送到燃料气体通路43；和排气排水通路46，其以分支方式与循环通路44连接。
燃料气体供给源41由例如高压氢罐、储氢合金等构成，并储存高压(例如，35到70MPa)氢气。当阻断阀H1打开时，燃料气体从燃料气体供给源41流出，去往燃料气体通路43。燃料气体由调节器H2或喷射器42减压到例如约200kPa，并供给至燃料电池20。
从循环通路44分支的排气排水通路46与所述循环通路44连接。在所述排气排水通路46中设置有排气排水阀H3。排气排水阀H3依照来自控制器60的指令运行，从而将循环通路44中含有杂质的水分和燃料废气排出到外部。
经由排气排水阀H3排出的燃料废气与流过氧化废气通路34的氧化废气混合，并由稀释器(未图示)稀释。通过电动机驱动，循环泵45以循环的方式将循环***中的燃料废气供给至燃料电池20。
电力***50具有DC/DC变换器51、电池52、牵引逆变器53、牵引电动机54和辅机55。DC/DC变换器51具有将由电池52供给的直流电压升压并将升压的直流电压输出到牵引逆变器53的功能，和将燃料电池20产生的直流电力或将牵引电动机54通过再生制动回收的再生电力降压，并以此对电池52进行充电的功能。
电池52相当于本发明中的二次电池，并发挥剩余电力的储存源、在再生制动时再生能量储存源、在因所述燃料电池供电的车辆加速或减速产生负荷变动时的能量缓冲器等的功能。例如，镍-镉蓄电池、镍-氢蓄电池、锂二次电池等适合作为电池52。用于检测作为电池52的剩余容量的荷电状态(SOC)的SOC传感器73与电池52附接。
牵引逆变器53是根据例如脉冲宽度调制方法驱动的PWM逆变器。牵引逆变器53依照来自控制器60的控制指令将由燃料电池20或电池52输出的直流电压变换为三相交流电压，并控制牵引电动机54的旋转扭矩。牵引电动机54是例如三相交流电动机，并构成燃料电池供电车辆的动力源。
辅机55是布置在燃料电池***10中各个部分处的各个电动机、用于驱动这些电动机的逆变器、以及各种车载辅机(例如空气压缩器32、喷射器42、循环泵45、散热器、冷却水循环泵等)的总称。
控制器60是装备有CPU、ROM、RAM和输入/输出接口的计算机***，并控制燃料电池***10的各个部分。例如，在接收从点火开关输出的启动信号IG后，控制器60开始运行燃料电池***10，并基于从油门传感器输出的油门开度信号ACC、从车速传感器输出的车速信号VC等得到整个***的要求功率。所述整个***的要求功率是车辆行驶功率和辅机功率的总和。
所述辅机功率包括由车载辅机(空气压缩器32、循环泵45、冷却水循环泵等)消耗的功率、由车辆行驶必要的装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、悬吊装置等)消耗的功率、由装备在乘员空间中的装置(空调装置、照明器具、音响设备等)消耗的功率等等。
控制器60决定燃料电池20和电池52的输出功率的分配，并控制氧化气体供给***30和燃料气体供给***40，使得燃料电池20的发电量与目标功率一致。还有，控制器60控制DC/DC变换器51，并调整燃料电池20的输出电压以控制燃料电池20的运行操作点(输出电压和输出电流)。
燃料电池***10运行期间，在燃料电池20中，如上述式(1)所示，阳极处产生的氢离子透过电解质膜并向阴极移动，并且如上述式(2)所示，移动到阴极的氢离子与供给至所述阴极的氧化气体中的氧气起电化学反应，引起氧的还原反应，并产生水。
另外，如图2所示，控制器60装备有：记录部61，记录电池52的充放电历程；预测部62，基于记录部61记录的充放电历程预测电池52的输出限制；和输出控制部63，当预测部62预测电池52的输出限制且燃料电池20处于间歇运行状态时，在所述电池52的输出限制的发生时间之前开始通过燃料电池20的发电。
当基于记录部61记录的电池52的充放电历程计算的指标值(以下称为“充放电指标值”)∑Q和基于需由电池52供给的功率计算的缓冲值ε的总和(∑Q+ε)超过预定阈值∑Q_limit时，本发明的本实施方式中的预测部62预测电池52的输出限制。当做出这种预测并且燃料电池20处于间歇运行状态时，输出控制部63开始通过燃料电池20的发电。在本发明的本实施方式中，采用电池52的输出电流的时间积分值作为所述充放电指标值∑Q，并采用从向燃料电池20发布发电指令起到开始通过燃料电池20的发电为止预测被辅机例如空气压缩器32等消耗的电流的积分值作为所述缓冲值ε。
现在将利用图3A、3B和3C以及图4A、4B和4C的时间图来描述根据本发明的本实施方式的燃料电池***10的输出控制的运行。
图3A、3B和3C是当开始通过燃料电池20的发电时的发生时间和由于电池52的充放电历程而对电池52的输出带来限制时的发生时间彼此一致的情况下的时间图。具体而言，图3A是显示电池52的输出功率BAT_Pow的时间历程的时间图。图3B是显示所述充放电指标值∑Q的时间历程的时间图。图3C是显示燃料电池20的输出功率FC_Pow的时间历程的时间图。
在当存在超过电池52的放电容量的输出要求时开始通过燃料电池20的发电之际，如图3C所示，有必要在发电之前对空气压缩器32供给功率并驱动(ACP_Pow)。在这种情况下，如图3A所示，电池52的功率BAT_Pow供给至空气压缩器32。然而，如果正在此刻如图3B所示充放电指标值ΣQ超过预定阈值ΣQ_limit，则如图3A所示，电池52的可放电功率WOUT减少并对电池52带来输出限制L，因此从电池52供给至空气压缩器32的功率BAT_Pow不足。然后，燃料电池20的发电可能被延迟或变得不足。结果，在一些情况下不能供给满足输出要求的功率。
本发明解决了这个问题。图4A、4B和4C是用于说明根据本发明实施方式的燃料电池***10的控制方法的时间图。具体而言，图4A是显示本发明的本实施方式中电池52的输出功率BAT_Pow的时间历程的时间图。图4B是显示向所述充放电指标值∑Q加上缓冲值ε得到的值的时间历程的时间图。图4C是显示本发明的本实施方式中燃料电池20的输出功率FC_Pow的时间历程的时间图。
如图4B和4C所示，当充放电指标值∑Q和缓冲值ε的总和超过预定阈值∑Q_limit时，本发明的本实施方式中的控制器60的预测部62预测电池52的输出限制。然后，当预测部62做出这种预测并且燃料电池20处于间歇运行状态时，控制器60的输出控制部63从电池52供给功率BAT_Pow来驱动空气压缩器32，并且开始通过燃料电池20的发电。因此，在本发明的本实施方式中，可以在当充放电指标值∑Q超过预定阈值∑Q_limit时(当由于电池52可放电功率WOUT减少而对电池52带来输出限制时)的发生时间之前开始通过燃料电池20的发电，因此可供给满足输出要求的功率。
另外，当用燃料电池20的输出功率FC_Pow对电池52充电进展至超过电池52的充电容量WIN时(图4A)，本发明的本实施方式中的控制器60的输出控制部63停止通过燃料电池20的发电(图4C)。具体而言，当由于电池52充电进展而降低的充放电指标值ΣQ和缓冲值ε的总和等于或小于通过从预定阈值∑Q_limit减去定值His而得到的值(ΣQ_limit-His：图4B)时，输出控制部63停止通过燃料电池20的发电。定值His设定为适当的值，使得不会频繁发生反复开始和停止通过燃料电池20的发电。顺便提及，当电池52的充电进展至超过其充电容量WIN时，抑制通过燃料电池20的发电或由所述辅机消耗剩余电力也是适当的。
接下来，将利用图5的流程图描述根据本发明的本实施方式的燃料电池***10的控制方法。
燃料电池***10的控制器60执行“间歇运行”(间歇运行实施过程：S1)。间歇运行定义为，当判定应由燃料电池20发出的功率(输出要求)小并且可仅由电池52的功率输出供给满足所述输出要求的功率时，暂时停止通过燃料电池20的发电的一种运行。
控制器60在实施这种间歇运行的同时，判定充放电指标值∑Q和缓冲值ε的总和是否超过预定值∑Q_limit(FC发电判定过程：S2)。如果该总和超过阈值∑Q_limit，则控制器60从电池52供给功率BAT_Pow来驱动空气压缩器32，并开始通过燃料电池20的发电(FC发电过程：S3)。另一方面，如果在所述FC发电判定过程S2中判定充放电指标值∑Q和缓冲值ε的总和等于或小于预定阈值ΣQ_limit，则控制器保持间歇运行。
在经过所述FC发电过程S3后，控制器60判定充放电指标值∑Q和缓冲值ε的总和是否等于或小于通过从预定阈值∑Q_limit减去定值His得到的值(∑Q_limit-His)(间歇判定过程：S4)。如果该总和等于或小于∑Q_limit-His，则控制器60暂时停止通过燃料电池20的发电(间歇运行实施过程：S5)。另一方面，如果在所述间歇判定过程S4中判定充放电指标值ΣQ和缓冲值ε的总和大于∑Q_limit-His，则控制器60保持通过燃料电池20的发电。
在如上所述的根据本发明实施方式的燃料电池***10中，当预测由于电池52的充放电历程所致的电池52的输出限制时，可在电池52的输出限制的发生时间之前开始通过燃料电池20的发电。特别是在本燃料电池***10中，当基于电池52的充放电历程计算的指标值(充放电指标值)∑Q和基于应由电池52供给的功率计算的缓冲值ε的总和超过预定阈值∑Q_limit时，可开始通过燃料电池20的发电。因此，在当充放电指标值∑Q超过预定阈值ΣQ_limit时的发生时间(输出限制的发生时间)之前，可开始通过燃料电池20的发电。因而，可防止所供给的输出变得不满足所要求的输出。
顺便提及，在本发明的本实施方式中，采用电池52的输出电流的时间积分值作为充放电指标值∑Q，并采用从向燃料电池20发布发电指令起到开始通过燃料电池20的发电为止预测被辅机例如空气压缩器32等消耗的电流的积分值作为缓冲值ε。然而，也可以采用其他物理量作为充放电指标值∑Q和缓冲值ε。例如，可采用依赖电池52的温度的值(其随着电池52的温度下降而上升)作为缓冲值ε。
另外，在本发明的本实施方式中，已经描述了当充放电指标值ΣQ和缓冲值ε的总和超过预定阈值∑Q_limit时开始通过燃料电池20的发电的例子。然而，可以设定通过从预定阈值∑Q_limit减去定值(例如ε)得到的新阈值ΣQ_limit’，且当充放电指标值ΣQ超过这个新阈值∑Q_limit’时可以开始通过燃料电池20的发电。
另外，在本发明的本实施方式中，已将“燃料电池供电车辆”作为移动体作了例示。然而，燃料电池供电车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、飞机等)也可以安装根据本发明的燃料电池***。
本发明不局限于其前述实施方式。即使在设计方面被本领域技术人员适当改变，但只要它具备本发明的特性，这种发明实施方式就包含在本发明的范围内。也就是说，在本发明的实施方式中提供的各个要素及其布置、材料、条件、形状、尺寸等不局限于在本文中例示的那些，而是可适当改变。另外，本发明的实施方式中提供的各个要素可在技术上可能的范围内互相组合。这些要素的组合只要它们包含本发明的特征，也包含在本发明的范围内。

Claims (2)

1.燃料电池***，其特征在于包含：
燃料电池；
二次电池；和
电子控制单元，所述电子控制单元包含
记录部，其被构造成记录所述二次电池的充放电历程，
预测部，其被构造成基于所述记录部记录的充放电历程预测所述二次电池的输出限制，和
输出控制部，其被构造成当所述预测部预测所述二次电池的输出限制并且所述燃料电池处于间歇运行状态时，在所述二次电池的输出限制的发生时间之前开始通过所述燃料电池的发电，其中
当基于所述记录部记录的所述二次电池的充放电历程计算的指标值和基于需由所述二次电池供给的功率计算的缓冲值的总和超过预定阈值时，所述预测部预测所述二次电池的输出限制，
所述指标值是所述二次电池的输出电流的时间积分值，且
所述缓冲值是从向所述燃料电池发布发电指令起到开始通过所述燃料电池的发电为止预测被辅机消耗的电流的积分值。
2.装备有燃料电池、二次电池和电子控制单元的燃料电池***的控制方法，所述控制方法特征在于包括：
当预测由于所述二次电池的充放电历程引起所述二次电池的输出限制时，通过所述电子控制单元在所述二次电池的输出限制的发生时间之前执行用于开始通过所述燃料电池的发电的输出控制，其中
在所述输出控制中，当基于所述二次电池的充放电历程计算的指标值和基于需由所述二次电池供给的功率计算的缓冲值的总和超过预定阈值时，通过所述电子控制单元开始通过所述燃料电池的发电，
所述指标值是所述二次电池的输出电流的时间积分值，且
所述缓冲值是从向所述燃料电池发布发电指令起到开始通过所述燃料电池的发电为止预测被辅机消耗的电流的积分值。
CN201710327807.XA 2016-05-12 2017-05-10 燃料电池***及其控制方法 Active CN107452972B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016-096346 2016-05-12
JP2016096346A JP2017204407A (ja) 2016-05-12 2016-05-12 燃料電池システム及びその制御方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107452972A CN107452972A (zh) 2017-12-08
CN107452972B true CN107452972B (zh) 2020-12-15

Family

ID=60163629

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710327807.XA Active CN107452972B (zh) 2016-05-12 2017-05-10 燃料电池***及其控制方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10128523B2 (zh)
JP (1) JP2017204407A (zh)
CN (1) CN107452972B (zh)
DE (1) DE102017109410B4 (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9696782B2 (en) 2015-02-09 2017-07-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Battery parameter-based power management for suppressing power spikes
US10158148B2 (en) 2015-02-18 2018-12-18 Microsoft Technology Licensing, Llc Dynamically changing internal state of a battery
US9748765B2 (en) * 2015-02-26 2017-08-29 Microsoft Technology Licensing, Llc Load allocation for multi-battery devices
US11875371B1 (en) 2017-04-24 2024-01-16 Skyline Products, Inc. Price optimization system
JP7010053B2 (ja) 2018-02-22 2022-02-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2019170014A (ja) * 2018-03-22 2019-10-03 株式会社Ｓｏｋｅｎ 電源装置およびこれを用いた飛行装置
DE102020125212A1 (de) 2020-09-28 2022-03-31 Audi Aktiengesellschaft System und Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellenwandlers in einem Fahrzeug
DE102022102574A1 (de) 2022-02-03 2023-08-03 Zf Cv Systems Global Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Nutzfahrzeug-Gespanns, und Nutzfahrzeug-Gespann

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001359204A (ja) * 2000-06-12 2001-12-26 Honda Motor Co Ltd 燃料電池車両のアイドル制御装置
CN1439178A (zh) * 2000-05-15 2003-08-27 丰田自动车株式会社 采用燃料电池和可充放电的蓄电部的电力供给
JP2004335343A (ja) * 2003-05-09 2004-11-25 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
CN101529634A (zh) * 2006-10-19 2009-09-09 丰田自动车株式会社 燃料电池***
CN102143873A (zh) * 2008-09-03 2011-08-03 丰田自动车株式会社 车辆、车辆的控制方法以及控制装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4631761B2 (ja) 2005-08-08 2011-02-16 トヨタ自動車株式会社 パワートレイン用の電池寿命予知装置及び電池寿命警告装置
US8374740B2 (en) 2010-04-23 2013-02-12 GM Global Technology Operations LLC Self-learning satellite navigation assisted hybrid vehicle controls system
JP5651531B2 (ja) 2011-05-18 2015-01-14 本田技研工業株式会社 燃料電池車両
JP2014117008A (ja) 2012-12-06 2014-06-26 Toyota Motor Corp 燃料電池車
WO2014167602A1 (ja) 2013-04-11 2014-10-16 トヨタ自動車株式会社 電池システム
DE102013223925B4 (de) 2013-11-22 2022-03-03 Fronius International Gmbh System und Verfahren zum effizienten Betreiben von Transportfahrzeugen

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1439178A (zh) * 2000-05-15 2003-08-27 丰田自动车株式会社 采用燃料电池和可充放电的蓄电部的电力供给
JP2001359204A (ja) * 2000-06-12 2001-12-26 Honda Motor Co Ltd 燃料電池車両のアイドル制御装置
JP2004335343A (ja) * 2003-05-09 2004-11-25 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
CN101529634A (zh) * 2006-10-19 2009-09-09 丰田自动车株式会社 燃料电池***
CN102143873A (zh) * 2008-09-03 2011-08-03 丰田自动车株式会社 车辆、车辆的控制方法以及控制装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20170331138A1 (en) 2017-11-16
US10128523B2 (en) 2018-11-13
CN107452972A (zh) 2017-12-08
JP2017204407A (ja) 2017-11-16
DE102017109410A1 (de) 2017-11-16
DE102017109410B4 (de) 2023-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107452972B (zh) 燃料电池***及其控制方法
JP5007665B2 (ja) 燃料電池システム
JP4888519B2 (ja) 燃料電池システムおよびその制御方法
EP2192647B1 (en) Fuel cell system
JP4591721B2 (ja) 燃料電池システム
US9786938B2 (en) Fuel cell system
WO2013128610A1 (ja) 燃料電池システム
US9748590B2 (en) Fuel cell system
US9520605B2 (en) Fuel cell system
CN107452974B (zh) 缺氢判断方法及缺氢判断装置
KR101851830B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
KR20160034809A (ko) 연료 전지 시스템
JP2012129069A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
KR101800078B1 (ko) 연료 전지 및 이동체
JPWO2013128610A1 (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant