CN1922748A - 燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池***，具有行驶用驱动装置(负载)(2)、用于向驱动装置供应电力的燃料电池(10)、消耗相当于驱动装置消耗功率的电力的电力储存装置(31)和用于将燃料电池连接到驱动装置的电子控制单元(连接控制单元)(4)。在将燃料电池通过控制电子控制单元连接到驱动装置之前，使燃料电池产生相当于驱动装置的消耗功率的电力，并且向电力储存装置供应所产生的电力。当在向电力储存装置供应电力时的燃料电池电压不小于规定值时，燃料电池和驱动装置之间的连接是允许的。

Description

燃料电池***
技术领域
本发明涉及燃料电池***，尤其是涉及燃料电池的启动控制。
背景技术
燃料电池作为一种环境友好和清洁的能源已经引起了世界的注意。燃料电池应用诸如氢的燃料和空气之间的电化学反应产生电力。燃料电池的启动需要时间来供应燃料与空气和控制温度。例如，JP-A-9-231991描述了在将燃料电池连接到负载(或电动机)之前，通过向辅助机械设备供应电力完成预热，对于该辅助机械设备，所规定的低电流是足够的，然后在预热之后将电力供应到负载上。
发明内容
然而，在这种有关技术的情况下，即使当向辅助机械设备供应电力时燃料电池正常地工作，一旦紧接在预热之后电力供应目的地从辅助机械设备变换到消耗功率量更大的负载(诸如用于驱动车辆的电动机)，负载快速地消耗高电流，因而有燃料电池的电压减少的可能性。例如，如果驾驶员在启动燃料电池将其连接到负载(或电动机)之后紧接着试图突然加速燃料电池车辆，就有这样的可能性：燃料电池没有产生足够量的电力，以达到用于负载的所需电力量，因此驾驶员的驾驶期望不能得到满足。
本发明旨在解决上述有关技术的问题，本发明目的是提供一种在将燃料电池连接到负载之后可以提高燃料电池输出稳定性的燃料电池***。
为了实现上述目的，根据本发明的燃料***包括：负载；用于向负载供应电力的燃料电池；可以用至少相当于负载消耗功率的电力进行充电的电力储存装置和用于控制燃料电池与负载连接的连接控制单元。在连接控制单元将燃料电池连接到负载之前，使燃料电池产生相当于负载消耗功率的电力，并且向电力储存装置供应所产生的电力。通过在将燃料电池连接到负载之前向电力储存装置供应相当于负载消耗功率的电力，可以防止当将燃料电池连接到负载时燃料电池电压的减少，因此可以提高在将燃料电池连接到负载之后输出的稳定性。而且，由于在将燃料电池连接到负载之前用由燃料电池产生的电力对电力储存装置充电，可以补偿电力储存装置用于驱动辅助机械设备或出于其它目的的电力。
在上述的燃料电池***中，较佳地，当燃料电池被启动时并且在连接控制单元将燃料电池连接到负载之前，使燃料电池产生相当于负载消耗功率的电力，并且向电力储存装置供应所产生的电力。
还较佳地，相当于负载消耗功率的电力是相当于负载最大消耗功率的电力。
而且，较佳地，为了产生可以用于对电力储存装置进行充电的电力，燃料电池***进一步包括用于控制燃料电池的控制单元。
在上述燃料电池***中，较佳地，控制单元至少基于电力储存装置的电压计算电力储存装置的最大容许充电电力，并且根据最大充电电力控制燃料电池。通过基于电力储存装置的最大容许充电电力确定待产生的电力电压，可以防止电力储存装置超过其极限。
在上述的燃料电池***中，较佳地，燃料电池进一步包括用于检测燃料电池电压的电压检测装置，连接控制单元判断在向电力储存装置供应电力时由电压检测装置所检测的燃料电池电压是否等于或大于规定值；如果燃料电池电压等于或大于规定值，连接控制单元允许将燃料电池连接到负载。即使在燃料电池中产生相当于负载的电力，由于在确认燃料电池电压中没有异常之后将燃料电池连接到负载，也可以进一步提高在将燃料电池连接到负载之后的输出稳定性。
在燃料电池***中，较佳地，电压检测装置检测燃料电池的每一个电池单体的电压。通过检测每一个电池单体的电压，可以正确地掌握启动状态。
而且，在配备有上述燃料电池的车辆中，较佳地，负载包括车辆行驶用驱动装置，并且相当于负载最大消耗功率的电力是相当于行驶用驱动装置在其启动之后的最大消耗功率的电力。
通过将上述燃料电池***应用到车辆中，即使当在将燃料电池连接到负载之后对车辆突然加速时，也可以稳定燃料电池的输出。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池***的示意框图；
图2是解释处理顺序的流程图，该处理顺序由根据第一实施例的燃料电池***执行以确认启动，并且判断与负载的连接是允许还是不允许的；
图3是根据本发明第二实施例的燃料电池***的示意框图。
具体实施方式
以将本发明应用到车辆为例，下面将参照附图描述本发明的实施例。
1.***构造
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池的示意框图。该***包括燃料电池10、电压检测装置11、氢供应装置12、空气供应装置13、行驶用驱动装置2、电力转换装置30、电力储存装置31、电力储存控制装置32和电子控制单元4。
燃料电池10分别从氢供应装置12和空气供应装置13接收氢和空气的供应，从而通过电化学反应产生电力。电压检测装置11检测燃料电池的每一个电池单体(cell)电压，并且向电子控制单元4输出所检测的每一个电池单体的电压值。
行驶用驱动装置2由例如牵引逆变器和三相同步电动机组成，并且利用燃料电池10和电力转换装置30供应的电力产生驱动力，从而驱动车轮。
电力转换装置30由例如直流电压转换器组成，并且具有向行驶用驱动装置2供应储存在电力储存装置31中的电力的功能，另一方面，还具有将由行驶用驱动装置2再生的电力和在燃料电池10中产生的剩余电力储存在电力储存装置31中的功能。而且，由于在燃料电池一侧的电力转换装置30的输出端子分别连接到燃料电池10的输出端子，整个燃料电池10的输出电压可以根据电力转换装置30的输出电压设定。因而，电力转换装置30构成燃料电池的控制单元。
电力储存装置31可以由例如二次电池或电容器组成。电力储存装置31应当具有足够的电池容量，以能够接受等于或大于行驶用驱动装置2消耗功率的作为充电电力的电力。
电力储存控制装置32基于电力储存装置31的电压、电池容量(SOC)和温度计算可以用于对电力储存装置充电的最大充电电力，并且向电子控制单元4输出最大充电电力。而且，基于电子控制单元4的输出而执行电力储存装置31的充电和放电控制。
电子控制单元4基于加速器踏板角度检测器或类似装置(在附图中未示出)的输出向燃料电池的氢供应装置12和空气供应装置13输出指定氢和空气供应量的信号。而且，基于可以用于对电力储存装置充电且由电力储存控制装置32计算的最大充电电力，电子控制单元4确定待由燃料电池产生的相当于或少于最大充电电力的电力，并且基于待由燃料电池产生的电力计算燃料电池电压，并将燃料电池电压向电力储存控制装置32发送。而且，电子控制单元4构成本发明的连接控制单元，基于燃料电池的电压检测装置11的信号判断与行驶用驱动装置2(其为负载)的连接是允许还是不允许。具体而言，电子控制单元4判断由电压检测装置11检测的燃料电池电压是否等于或大于规定值；如果燃料电池电压等于或大于规定值，则电子控制单元4向转换开关(在附图中未示出)发送控制信号，将燃料电池10连接到行驶用驱动装置2。
2.控制流程
图2是解释由根据上述实施例的燃料电池***执行的以确认启动并且判断与负载的连接是允许还是不允许的处理顺序的流程图。在流程图中所解释的处理可以在燃料电池***启动的时候由电子控制单元4和电力储存装置32执行。
当在步骤S1中开启点火开关时，在步骤S2开始氢的供应并且进行增压，在步骤S3中开始空气的供应并且进行增压。
在步骤S4中，通过结合电压检测装置11的输出而检测燃料电池的每一个电池单体的电压。接着在步骤S5中，作出关于所有的电池单体电压是否等于或大于容许电压V1的判断。对于每一个电池单体，该值V1例如是0.9V。如果任何电池电压小于V1(步骤S5：否)，则在步骤S6中作出关于燃料电池中是否有诸如故障的任何异常的判断。如果有任何异常(步骤S6：是)，则在步骤S16中可以确定与负载的连接是不允许的，然后结束处理顺序。如果没有异常(步骤S6：否)，则在步骤S7中电子控制单元4等待固定的时间段，这是因为燃料电池还没有被启动；然后处理返回到步骤S4，检测每一个电池单体电压。在另一方面，如果所有的电池单体电压已经达到V1(步骤S5：是)，则处理进入下一个步骤，作出关于连接是否允许的判断。
在步骤S8中，检测可以用于对电力储存装置进行充电并且由电力储存控制装置32计算的最大充电电力Pc。接着，在步骤S9中，基于最大充电电力Pc确定待由燃料电池产生的电力Pr。较佳地，待由燃料电池产生的电力Pr小于充电电力Pc，并且接近行驶用驱动装置2启动后的最大输出。待由燃料电池产生的电力Pr应当小于最大充电电力Pc，以防止电力储存装置超过其极限。待由燃料电池产生的电力Pr应当接近行驶用驱动装置2启动后的最大输出，这是因为如果已经确认燃料电池产生的相当于行驶用驱动装置消耗功率的电力不会对电力产生的能力有任何不良影响，则认为在将燃料电池连接到驱动装置之后就不会有问题。而且在步骤S9中，还基于待产生的电力Pr确定待产生的电流Ir。该待产生的电流根据燃料电池10的电流一电力特性图确定。
在步骤S10中，基于待产生的电流Ir确定燃料电池的控制电压Vr，并且将控制电压Vr向电力储存控制装置32发送。控制电压Vr根据燃料电池10的电流-电压特性图而确定。
在向电力储存控制装置32发送燃料电池的控制电压Vr之后，在步骤S11中电子控制单元4等待经过固定的时间段(例如，200毫秒)，在步骤12，在固定的时间段已经过去之后，从电压检测装置11读出每一个电池单体电压值。
在步骤S13中，将每一个电池单体电压与容许电压V2进行比较。对于每一个电池，该值V2例如是0.4V。如果任何电池电压小于V2(步骤S13：否)，则在步骤S14中作出关于燃料电池是否有诸如故障的任何异常的判断。如果有异常(步骤S14：是)，则在步骤S16中可以确定与负载的连接是不允许的，然后结束处理顺序。如果没有异常(步骤S14：否)，则在步骤S15中电子控制单元4等待固定的时间段，这是因为燃料电池还没有充分地被启动；接着处理返回到步骤S8，并且检测最大充电电力Pc。在另一方面，如果所有的电池单体电压已经达到V2(步骤S13：是)，则在步骤S17中，可以确定连接是允许的，然后结束处理顺序。一旦连接允许，燃料电池可以连接到驱动装置。因而，在汽车的情况下，驾驶员可以通过将变速杆置于驱动位置然后压加速器踏板而安全地起动汽车。
图3是根据本发明第二实施例的燃料电池***的示意框图。与图1所示的第一实施例相同的元件给出与第一实施例相同的标号。并且省略其任何详细的描述。
第二实施例被设计向行驶用驱动装置2供应电力储存装置31a的放电电压，使得即使当正在通过用由燃料电池10产生的电力对电力储存装置31充电来执行预热时，车辆也可以行进。在图3所示的示例中，提供两组电力储存装置，即电力储存装置31和31a。相应地，提供两组电力转换装置，即电力转换装置30和30a。在燃料电池的预热期间，用由燃料电池10产生的电力对电力储存装置31充电，并且向电力储存装置31a供应驱动行驶用驱动装置2所需要的电力。在燃料电池10的预热结束之后，电力储存装置31和31a都用于驱动用途，或者用于用再生的电力充电或用于用燃料电池10的电力充电。
附带地，可以将电力储存装置31和31a的功能分开，使得电力储存装置31a用作用于行驶用驱动装置2的电力储存装置(或电源)，电力储存装置31用作用于燃料电池辅助机械设备(诸如空气压缩机和泵)和车辆辅助机械设备(诸如空气调节器、电动制动器和电动转向泵)的电力储存装置(或电源)。而且，两个电力储存装置的电力供应目的地可以转换，或者充电和放电分配目的地可以变化。
而且，不限于图3所示的构造，可以采用可以在预热的电力产生和驱动的电力产生之间转换的构造，或可以将一组电力储存装置分成具有管理各个功能的分开的部件。此外，一个电力储存装置或两个电力储存装置不仅可以是二次电池，而且可以是电容器。
工业应用性
本发明能够有效地提高燃料电池连接到负载之后燃料电池的输出稳定性，并且可以广泛地用于有这种需求的任何燃料电池***。

Claims (8)

1.一种燃料电池***，包括：
负载；
用于向所述负载供应电力的燃料电池；
电力储存装置，所述电力储存装置能够用至少相当于所述负载的消耗功率的电力充电；
用于控制所述燃料电池与所述负载连接的连接控制单元，
其中，在所述连接控制单元将所述燃料电池连接到所述负载之前，使所述燃料电池产生相当于所述负载的消耗功率的电力，并且向所述电力储存装置供应所产生的电力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中，当所述燃料电池被启动时，并且在所述连接控制单元将所述燃料电池连接到所述负载之前，使燃料电池产生相当于所述负载的消耗功率的电力，并且向所述电力储存装置供应所产生的电力。
3.根据权利要求2所述的燃料电池***，其中，所述相当于所述负载的消耗功率的电力是相当于所述负载的最大消耗功率的电力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池***，进一步包括用于控制所述燃料电池以产生能够用来对所述电力储存装置充电的电力的控制单元。
5.根据权利要求4所述的燃料电池***，其中，所述控制单元至少基于所述电力储存装置的电压计算所述电力储存装置的最大容许充电电力，并且根据所述最大充电电力控制所述燃料电池。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池***，进一步包括用于检测所述燃料电池电压的电压检测装置，其中，所述连接控制单元判断在向所述电力储存装置供应电力时由所述电压检测装置检测到的所述燃料电池电压是否等于或大于规定值；如果所述燃料电池电压等于或大于所述规定值，则所述连接控制单元允许所述燃料电池连接到所述负载。
7.根据权利要求6所述的燃料电池***，其中，所述电压检测装置检测所述燃料电池的每一个电池单体的电压。
8.一种配备有根据权利要求3所述的燃料电池***的车辆，其中，所述负载包括车辆行驶用驱动装置，所述相当于所述负载的最大消耗功率的电力是相当于所述行驶用驱动装置启动后的最大消耗功率的电力。
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