專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
公知利用含氫氣的燃料氣體和含氧氣的氧化氣體的電化學(xué)反應(yīng)而 進(jìn)行發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)是高效率、清潔的發(fā)電單 元，因此作為二輪車(chē)、汽車(chē)等的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源獲得了很大的期待。該燃料電池存在輸出電力的響應(yīng)性變低的情況，因此作為防止該 弊端的手段，提出有將燃料電池和蓄電池并聯(lián)連接而構(gòu)成電源的技術(shù)。 例如在下述專(zhuān)利文獻(xiàn)1中公開(kāi)了經(jīng)由變換器將牽引電動(dòng)機(jī)等負(fù)載與燃料電池連接，并且經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器將蓄電池與該燃料電池并聯(lián)連接 的構(gòu)成。專(zhuān)利文獻(xiàn)l:日本特開(kāi)2002-118981號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容然而，在上述構(gòu)成中，即使在EV行駛等僅利用蓄電池來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù) 載的情況下，也總是為了變換器的效率變?yōu)樽畲蠖刂艱C/DC轉(zhuǎn)換器 的輸出電壓(即系統(tǒng)的動(dòng)作電壓)，完全沒(méi)有考慮DC/DC轉(zhuǎn)換器的效 率。因此，難說(shuō)使從蓄電池輸出的電力以最高效率向負(fù)載傳遞。本發(fā)明鑒于以上說(shuō)明的情況而提出，其目的在于提供一種燃料電 池系統(tǒng)，能夠使從蓄電池等蓄電裝置輸出的電力高效率地向負(fù)載傳遞。為了解決上述的問(wèn)題，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備燃料電池；電壓變換裝置；蓄電裝置，經(jīng)由上述電壓變換裝置而 與上述燃料電池并聯(lián)連接；電力變換裝置，將至少?gòu)纳鲜鋈剂想姵鼗?上述蓄電裝置輸出的直流電力變換為交流電力而供給負(fù)載；以及決定 單元，根據(jù)上述電壓變換裝置的電壓變換效率和上述電力變換裝置的 電力變換效率來(lái)決定該系統(tǒng)的動(dòng)作電壓。根據(jù)該構(gòu)成，不僅考慮由電力變換裝置(變換器等)導(dǎo)致的電力 變換效率，還考慮由電壓變換裝置(DC/DC轉(zhuǎn)換器等)導(dǎo)致的電壓變 換效率，決定該系統(tǒng)的動(dòng)作電壓，因此可使從蓄電裝置(蓄電池等) 輸出的電力高效率地向負(fù)載傳遞。在此，上述構(gòu)成中，優(yōu)選的是，上述決定單元在接受到應(yīng)僅以上 述蓄電裝置為電力源的指令的情況下決定該系統(tǒng)的動(dòng)作電壓，還具備 根據(jù)所決定的動(dòng)作電壓來(lái)控制由上述電壓變換裝置進(jìn)行的電壓變換動(dòng) 作的電壓變換控制單元。另外，上述構(gòu)成中，更優(yōu)選的是，還具備檢測(cè)上述蓄電裝置的蓄 電狀態(tài)的傳感器，上述決定單元根據(jù)所檢測(cè)出的上述蓄電裝置的蓄電 狀態(tài)、上述電壓變換裝置的電壓變換效率和上述電力變換裝置的電力 變換效率，決定該系統(tǒng)的動(dòng)作電壓。進(jìn)而，上述構(gòu)成中，優(yōu)選還具備開(kāi)關(guān)元件，介插于上述燃料電 池和上述電力變換裝置的連接路徑上；以及開(kāi)關(guān)控制單元，在接受到 應(yīng)僅以上述蓄電裝置為電力源的指令的情況下，由上述開(kāi)關(guān)元件切斷 上述燃料電池和上述電力變換裝置之間的電連接。如上述說(shuō)明，根據(jù)本發(fā)明，能夠使從蓄電池等蓄電裝置輸出的電 力高效率地向負(fù)載傳遞。


圖1是表示本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成的圖。圖2是例示動(dòng)作電壓和變換器效率之間的關(guān)系的圖。圖3是例示輸入輸出電壓差和轉(zhuǎn)換器效率之間的關(guān)系的圖。圖4是用于說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)中EV行駛時(shí)的動(dòng)作電壓的決定方法的圖。圖5是用于說(shuō)明本發(fā)明中EV行駛時(shí)的動(dòng)作電壓的決定方法的圖。 圖6是表示行駛控制處理的流程圖。
具體實(shí)施方式
以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。A.本實(shí)施方式 (1)實(shí)施方式的構(gòu)成圖1是搭載有本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)100的車(chē)輛的概略構(gòu)成。在以下的說(shuō)明中，假定燃料電池汽車(chē)(FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle)作為車(chē)輛的一個(gè)例子，但是也可以適用于電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng) 力汽車(chē)。另外，不僅是車(chē)輛，也可以適用于各種移動(dòng)體(例如，船舶、 飛機(jī)、機(jī)器人等)。該車(chē)輛以與車(chē)輪95L、95R連接的牽引電動(dòng)機(jī)90為驅(qū)動(dòng)力源行駛。 牽引電動(dòng)機(jī)90的電源是電源系統(tǒng)1。從電源系統(tǒng)1輸出的直流由變換 器50變換為三相交流，供給到牽引電動(dòng)機(jī)90。牽引電動(dòng)機(jī)90能夠在 制動(dòng)時(shí)也作為發(fā)電機(jī)起作用。電源系統(tǒng)1由燃料電池40、蓄電池60、 DC/DC轉(zhuǎn)換器30、變換 器50等構(gòu)成。燃料電池40是從所供給的反應(yīng)氣體(燃料氣體及氧化氣體)產(chǎn)生 電力的單元，能夠利用固體高分子型、磷酸型、熔融碳酸鹽型等各種類(lèi)型的燃料電池。燃料電池40具有串聯(lián)地層積多個(gè)具備MEA等的單
體電池的堆疊構(gòu)造。通過(guò)各電壓傳感器及電流傳感器(均省略圖示)
檢測(cè)出該燃料電池40的輸出電壓(以下稱(chēng)為FC電壓)及輸出電流(以下稱(chēng)為FC電流)。從燃料氣體供給源10向燃料電池40的燃料極(陽(yáng)極)供給氫氣等燃料氣體，另一方面，從氧化氣體供給源70向氧氣極(陰極)供給空氣等氧化氣體。
燃料氣體供給源IO例如由氫氣罐、各種閥等構(gòu)成，通過(guò)調(diào)整閥開(kāi)度、開(kāi)/關(guān)時(shí)間等，控制向燃料電池40供給的燃料氣體量。
氧化氣體供給源70例如由空氣壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)、變換器等構(gòu)成，通過(guò)調(diào)整該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等來(lái)調(diào)整向燃料電池40供給的氧化氣體量。
蓄電池(蓄電裝置)60是可充放電的二次電池，例如由鎳氫蓄電池等構(gòu)成。當(dāng)然，也可以代替蓄電池60而設(shè)置二次電池以外的可充放電的蓄電池(例如電容器)。該蓄電池60經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器30與燃料電池40并聯(lián)連接。在蓄電池60上設(shè)置有檢測(cè)該蓄電池的充電狀態(tài)的SOC傳感器(傳感器)65。 SOC傳感器65根據(jù)從控制單元80得到的指示檢測(cè)蓄電池60的充電狀態(tài)，將檢測(cè)結(jié)果作為SOC信息輸出到控制單元80。
DC/DC轉(zhuǎn)換器(電壓變換裝置)30例如是由四個(gè)功率晶體管和專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電路(均省略圖示)構(gòu)成的全橋轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器30具有使從蓄電池60輸入的DC電壓升壓或降壓而輸出到變換器50 —側(cè)的功能，和使從燃料電池40或牽引電動(dòng)機(jī)90輸入的DC電壓升壓或降壓而輸出到蓄電池60 —側(cè)的功能。通過(guò)該DC/DC轉(zhuǎn)換器30的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄電池60的充放電。此外，在蓄電池60和DC/DC轉(zhuǎn)換器30之間連接有車(chē)輛輔機(jī)(例如照明設(shè)備)、FC輔機(jī)(例如燃料氣體用的泵)等輔機(jī)類(lèi)。變換器(電力變換裝置)50例如是脈沖寬度調(diào)制方式的PWM變 換器，根據(jù)從控制單元80得到的控制指令將從燃料電池40或蓄電池 60輸出的直流電力變換為三相交流電力，向牽引電動(dòng)機(jī)卯供給。在變 換器50和燃料電池40之間介插繼電器(開(kāi)關(guān)元件)20?？刂茊卧?開(kāi) 關(guān)控制單元)80通過(guò)切換繼電器20的接通、斷開(kāi)來(lái)控制變換器50和 燃料電池40之間的連接、切斷。
牽引電動(dòng)機(jī)(負(fù)載)90是用于驅(qū)動(dòng)車(chē)輪95L、 95R的電動(dòng)機(jī)(即 移動(dòng)體的動(dòng)力源)，通過(guò)變換器50來(lái)控制該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在本實(shí)施 方式中，作為與變換器50連接的負(fù)載，例示了牽引電動(dòng)機(jī)90，但是不 限于此，可適用各種電子設(shè)備(負(fù)載)。
控制單元80由CPU、 ROM、 RAM等構(gòu)成，根據(jù)從SOC傳感器 65、檢測(cè)燃料電池40的輸出電壓、輸出電流的電壓傳感器、電流傳感 器、油門(mén)踏板等輸入的各傳感器信號(hào)，中樞地控制該系統(tǒng)各部分。
另外，控制裝置(決定單元)80在進(jìn)行EV行駛時(shí)，基于變換器 50的電力變換效率(以下稱(chēng)為變換器效率)和DC/DC轉(zhuǎn)換器30的電 壓變換效率(以下稱(chēng)為轉(zhuǎn)換器效率)來(lái)決定該系統(tǒng)的動(dòng)作點(diǎn)(=動(dòng)作電 壓)，以使燃料電池系統(tǒng)100的效率為最合適。并且，控制單元(電 壓變換控制單元)80以與DC/DC轉(zhuǎn)換器30的輸出電壓決定的動(dòng)作電 壓一致的方式控制DC/DC轉(zhuǎn)換器30的動(dòng)作。這樣，不僅考慮變換器 效率，還考慮轉(zhuǎn)換器效率而決定動(dòng)作電壓，從而能夠使從蓄電池60輸 出的電力高效率地向負(fù)載傳遞。以下說(shuō)明其理由。
圖2是例示動(dòng)作電壓和變換器效率之間的關(guān)系的圖，圖3是例示 輸入輸出電壓差和轉(zhuǎn)換器效率之間的關(guān)系的圖。圖3所示的輸入輸出 電壓差，是指DC/DC轉(zhuǎn)換器30的輸入電壓和輸出電壓之間的電壓差。如圖2所示，變換器效率隨著所設(shè)定的動(dòng)作電壓變大而變高(參
照?qǐng)D2所示的動(dòng)作電壓V1、 V2)。與此相對(duì)，轉(zhuǎn)換器效率如圖3所示， 隨著輸入輸出電壓差變大而變低(參照?qǐng)D3所示的輸入輸出電壓差 Vdifl、 Vdif2)。
在此，圖4及圖5是用于說(shuō)明EV行駛時(shí)的動(dòng)作電壓的決定方法 的圖，圖4表示現(xiàn)有技術(shù)的構(gòu)成，圖5表示本實(shí)施方式的構(gòu)成。對(duì)于 圖4及圖5所示的燃料電池系統(tǒng)，對(duì)與圖1對(duì)應(yīng)的構(gòu)成要素標(biāo)注相同 的標(biāo)號(hào)，省略詳細(xì)的說(shuō)明。
如圖4及圖5所示，在EV行駛時(shí)，蓄電池60的輸出電力經(jīng)由 DC/DC轉(zhuǎn)換器30供給到變換器50。
在現(xiàn)有技術(shù)中，僅考慮變換器效率而決定動(dòng)作電壓，因此蓄電池 60的輸出電力并不一定以最高效率傳遞到牽引電動(dòng)機(jī)90。具體而言， 如圖2所示，所設(shè)定的動(dòng)作電壓越大則變換器效率越高，因此現(xiàn)有技 術(shù)中將動(dòng)作電壓設(shè)定在燃料電池40的OCV (Open Circuit Voltage:開(kāi) 路電壓)附近(例如400V)。然而，轉(zhuǎn)換器效率如圖3所示，隨著DC/DC 轉(zhuǎn)換器30的輸入輸出電壓差變大而變低。從轉(zhuǎn)換器效率的觀點(diǎn)來(lái)看， 希望DC/DC轉(zhuǎn)換器30的輸入輸出電壓差盡可能小，但如果僅考慮變 換器效率而決定動(dòng)作電壓，則如圖4所示，雖然在變換器50中的電力 損失變小(圖4所示的電力損失；"1")，但是在DC/DC轉(zhuǎn)換器30 的電力損失變大(圖4所示的電力損失；"4")，最終可能系統(tǒng)效率 (=到達(dá)電力/輸出電力)降低(圖4所示的到達(dá)電力；"5")。
與此相對(duì)，在本實(shí)施方式中，不僅考慮變換器效率，還考慮轉(zhuǎn)換 器效率而決定動(dòng)作電壓。其結(jié)果，如圖5所示，雖然在變換器50中的 電力損失比現(xiàn)有技術(shù)大(圖5所示的電力損失；"2")，但是在DC/DC 轉(zhuǎn)換器30中的電力損失比現(xiàn)有技術(shù)小(圖5所示的電力損失；"2")， 最終能夠提高系統(tǒng)效率(圖5所示的到達(dá)電力；"6")。此外，在決定的動(dòng)作電壓比燃料電池40的OCV附近(例如400V)低的情況下(例 如350V)，在直接連接燃料電池40和變換器50的狀態(tài)下(參照?qǐng)D4), 擔(dān)心由于殘留氣體的影響等燃料電池40發(fā)電，動(dòng)作電壓上升。因此， 在本實(shí)施方式中，在燃料電池40和變換器50之間設(shè)置繼電器20，通 過(guò)斷開(kāi)繼電器20來(lái)防止燃料電池40進(jìn)行不需要的發(fā)電。
以下，對(duì)本實(shí)施方式的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。 (2)實(shí)施方式的動(dòng)作
圖6是表示由控制單元80間歇性地執(zhí)行的行駛控制處理的流程圖。
控制單元80根據(jù)從各種傳感器等輸入的傳感器信號(hào)，判斷是否已 經(jīng)輸入了表明應(yīng)進(jìn)行EV行駛的指令(表明應(yīng)僅以蓄電池60為電力源 的指令)(步驟SIO)?？刂茊卧?0在判斷為已經(jīng)輸入了該指令時(shí)(步 驟S10;是)，控制單元80斷開(kāi)繼電器20，切斷燃料電池40和變換 器50之間的連接(步驟S20)。然后，控制單元80根據(jù)從SOC傳感 器65提供的SOC信息，檢測(cè)該時(shí)刻的蓄電池60的充電狀態(tài)(輸出電 壓)(步驟S30)。眾所周知，蓄電池60的輸出電壓與使用狀況(使 用時(shí)間等)相對(duì)應(yīng)而時(shí)刻變化。最合適的動(dòng)作電壓與蓄電池60的輸出 電壓相對(duì)應(yīng)而變化，因此在此檢測(cè)該時(shí)刻的蓄電池60的充電狀態(tài)(輸 出電壓)。
并且，控制單元80以檢測(cè)出的蓄電池60的輸出電壓為基礎(chǔ)，考 慮轉(zhuǎn)換器效率和變換器效率而決定該時(shí)刻的最合適(即系統(tǒng)效率最高) 的動(dòng)作電壓(步驟S40)?？刂茊卧?0根據(jù)這樣決定的動(dòng)作電壓來(lái)控 制DC/DC轉(zhuǎn)換器30的升降電壓動(dòng)作(步驟S50)。通過(guò)進(jìn)行以上說(shuō)明 的一系列的處理，能夠使從蓄電池60輸出的電力高效率地向負(fù)載傳遞。
B.變形例〈變形例1〉
在上述的本實(shí)施方式中，在燃料電池40和變換器50之間設(shè)置繼
電器20，在EV行駛時(shí)通過(guò)斷開(kāi)繼電器20來(lái)防止燃料電池40進(jìn)行不 需要的發(fā)電，但是如果能夠防止該發(fā)電，則采用任意方法都可以。
〈變形例2〉
另外，在本實(shí)施方式中，對(duì)僅利用蓄電池60作為電力源的情況(EV 行駛時(shí))進(jìn)行了說(shuō)明，但是也能夠適用于利用蓄電池60及其他的電源 (包括燃料電池40)作為電力源的情況。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備燃料電池；電壓變換裝置；蓄電裝置，經(jīng)由上述電壓變換裝置與上述燃料電池并聯(lián)連接；電力變換裝置，至少將從上述燃料電池或上述蓄電裝置輸出的直流電力變換為交流電力而供給負(fù)載；以及決定單元，根據(jù)上述電壓變換裝置的電壓變換效率和上述電力變換裝置的電力變換效率來(lái)決定該系統(tǒng)的動(dòng)作電壓。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 上述決定單元在接受到應(yīng)僅以上述蓄電裝置為電力源的指令的情況下決定該系統(tǒng)的動(dòng)作電壓，所述燃料電池系統(tǒng)還具備電壓變換控制單元，所述電壓變換控制 單元根據(jù)所決定的動(dòng)作電壓來(lái)控制上述電壓變換裝置的電壓變換動(dòng) 作。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 還具備檢測(cè)上述蓄電裝置的蓄電狀態(tài)的傳感器，上述決定單元根據(jù)檢測(cè)出的上述蓄電裝置的蓄電狀態(tài)、上述電壓 變換裝置的電壓變換效率和上述電力變換裝置的電力變換效率，決定 該系統(tǒng)的動(dòng)作電壓。
4. 如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具備 開(kāi)關(guān)元件，介插于上述燃料電池和上述電力變換裝置的連接路徑上；以及開(kāi)關(guān)控制單元，在接受到應(yīng)僅以上述蓄電裝置為電力源的指令的 情況下，由上述開(kāi)關(guān)元件切斷上述燃料電池和上述電力變換裝置之間 的電連接。
全文摘要
提供一種燃料電池系統(tǒng)，能夠使從蓄電池輸出的電力高效率地向負(fù)載傳遞?？刂茊卧?80)在判斷為已經(jīng)輸入了表明應(yīng)進(jìn)行EV行駛的指令時(shí)，斷開(kāi)繼電器(20)，切斷燃料電池(40)和變換器(50)之間的連接。并且，控制單元(80)根據(jù)從SOC傳感器(65)提供的SOC信息，檢測(cè)蓄電池(60)的輸出電壓。并且，控制單元(80)以檢測(cè)出的蓄電池(60)的輸出電壓為基礎(chǔ)，考慮轉(zhuǎn)換器效率和變換器效率而決定該時(shí)刻的最合適的動(dòng)作電壓。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101632194SQ200880007949
公開(kāi)日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2008年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月12日
發(fā)明者吉田道雄, 松本只一 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社