專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池系統(tǒng)、用于燃料電池系統(tǒng)的控制方法以及配備有燃料電池系統(tǒng)的車(chē)輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)、一種用于燃料電池系統(tǒng)的控制方法以及一種配備有燃料電池系統(tǒng)的車(chē)輛。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在正在考慮燃料電池的實(shí)際應(yīng)用，燃料電池向燃料電極供應(yīng)作為燃料氣體的氫氣，并且向氧化劑電極供應(yīng)作為氧化劑氣體的空氣，并且在氧化劑電極上產(chǎn)生水時(shí)通過(guò)在氫氣和空氣中的氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力。在這種燃料電池中，如果在操作開(kāi)始時(shí)，被供應(yīng)到燃料電極的氫氣的壓力和被供應(yīng)到氧化劑電極的空氣的壓力大約等于在通常操作期間所產(chǎn)生的各個(gè)壓力， 則有時(shí)發(fā)生氫氣和空氣分別地在燃料電極和氧化劑電極中非均勻地分布的情況， 并且電極由這些氣體的非均勻分布引起的電化學(xué)反應(yīng)而劣化。日本專(zhuān)利申請(qǐng)公布 No. 2007-26891 (JP-A-2007-26891)公開(kāi)了一種通過(guò)使得在燃料電池的操作開(kāi)始時(shí)分別地被供應(yīng)到燃料電極和氧化劑電極的氫氣和空氣的壓力高于這些氣體的通常供應(yīng)壓力而防止燃料電池的電極劣化的方法。然而，如果當(dāng)燃料電池開(kāi)始操作時(shí)在高壓下將氫氣和空氣供應(yīng)到燃料電池，則有時(shí)發(fā)生燃料電池的電壓的升高速率變大，使得燃料電池的電壓超出它的上限電壓。與這個(gè)問(wèn)題相關(guān)地，日本專(zhuān)利申請(qǐng)公布No. 2007-26891 (JP-A-2007-26891)公開(kāi)了一種方法，其中在啟動(dòng)燃料電池時(shí)，當(dāng)在高于它們的、在通常發(fā)電期間給出的壓力的壓力下供應(yīng)氫氣和空氣時(shí)，如果燃料電池的電壓達(dá)到低于上限電壓的預(yù)定電壓，則輸出電力被從燃料電池提取， 并且被送入到車(chē)輛驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、電阻器等。在配備有燃料電池的電動(dòng)車(chē)輛中，用于燃料電池的輸出電力命令值是基于負(fù)載請(qǐng)求的電力和燃料電池的輸出電流-電壓特性來(lái)計(jì)算的。然而，在啟動(dòng)燃料電池時(shí)，在燃料電池的電壓從啟動(dòng)電壓上升時(shí)，由于被阻塞二極管阻斷，電流并不從燃料電池流出。在另一方面，例如在其中燃料電池的電壓在啟動(dòng)燃料電池時(shí)暫時(shí)地升高到開(kāi)路電壓(在下文中，被稱(chēng)作“0CV”)之后燃料電池的控制電壓降低并且電力被從燃料電池提取的方法中，執(zhí)行一種控制，其中燃料電池的電壓被設(shè)定在OCV處，從而電流不從燃料電池流出，直至允許燃料電池產(chǎn)生電力。然而，在此情形中，存在燃料電池的耐久性可以受到影響的可能性。因此，令人期望的是，即使在允許燃料電池產(chǎn)生電力之前，燃料電池的輸出電壓也被降至低于0CV。然而，因?yàn)榫o接著在其啟動(dòng)之后，燃料電池的催化劑的狀態(tài)改變，所以緊接在其啟動(dòng)之后，燃料電池的發(fā)電量顯著地波動(dòng)。然后，如果燃料電池在其啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生比負(fù)載所要求的更多的電力，則將盈余的電力充電至被設(shè)置在電動(dòng)車(chē)輛中的二次電池。然而，如果以例如高速充電、從高SOC(充電狀態(tài))充電、在低溫(例如0°C )下充電(在高電阻狀態(tài)中充電)等的方式對(duì)二次電池充電，則存在二次電池可能變成被過(guò)度充電并且二次電池的耐久性可能受到不利影響的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在啟動(dòng)燃料電池時(shí)執(zhí)行燃料電池的電力管理以便抑制二次電池的過(guò)度充電的燃料電池系統(tǒng)，并且還提供一種用于燃料電池系統(tǒng)的控制方法以及一種配備有該燃料電池系統(tǒng)的車(chē)輛。本發(fā)明的第一方面涉及一種燃料電池系統(tǒng)。這個(gè)燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，其通過(guò)在燃料氣體和氧化劑氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力；二次電池，其是可充電和可放電的并且利用從燃料電池輸出的電力來(lái)被充電；以及控制部，其控制在啟動(dòng)燃料電池時(shí)由燃料電池產(chǎn)生的電量。該控制部具有電壓調(diào)節(jié)部，該電壓調(diào)節(jié)部在啟動(dòng)燃料電池時(shí)利用盈余電力對(duì)二次電池充電，并且在當(dāng)燃料電池的輸出電壓從開(kāi)路電壓降低到高電勢(shì)避免電壓時(shí)預(yù)期二次電池將變成過(guò)度充電的情形中，在開(kāi)路電壓和高電勢(shì)避免電壓之間調(diào)節(jié)燃料電池的電壓。在啟動(dòng)燃料電池時(shí)，在對(duì)于能夠被充入到二次電池中的電量加以考慮時(shí)，在啟動(dòng)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)燃料電池的輸出電壓而管理來(lái)自燃料電池的電量。因此，二次電池的過(guò)度充電狀態(tài)得以避免，從而二次電池的耐久性將得以確保。前面的燃料電池系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括電壓變換器，其被設(shè)置在二次電池和負(fù)載之間；以及原動(dòng)機(jī)，并且在上面與電壓調(diào)節(jié)部相關(guān)聯(lián)地述及的、預(yù)期二次電池將變成過(guò)度充電的情形可以是以下情形中的至少一種通過(guò)電壓變換器的流通電力超過(guò)至少基于電壓變換器的效率以及基于用于二次電池的輸入電力限制值得出的二次電池充電用允許流通電力的情形；二次電池的輸入電力限制值被超過(guò)的情形；以及原動(dòng)機(jī)的再生量不受限制的情形。來(lái)自原動(dòng)機(jī)的再生能量也被充入二次電池中。因此，在啟動(dòng)燃料電池時(shí)，如果流通于電壓變換器的流通電力超過(guò)至少基于電壓變換器的效率和輸入電力限制值而得出的二次電池充電用允許流通電力，或者如果用于二次電池的輸入電力限制值被超過(guò)，或者如果被充電的原動(dòng)機(jī)再生的電量不受限制，則通過(guò)在啟動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)燃料電池的輸出電壓而管理來(lái)自燃料電池的電量，從而再生能量被存儲(chǔ)到二次電池中，并且二次電池的過(guò)度充電狀態(tài)得以避免。結(jié)果，燃料經(jīng)濟(jì)性提高，并且二次電池的耐久性也得以確保。該控制部可以進(jìn)一步包括發(fā)電量計(jì)算部，其通過(guò)測(cè)量燃料電池的電壓而計(jì)算燃料電池的發(fā)電量；SOC估計(jì)部，其估計(jì)二次電池的充電狀態(tài)；再生量計(jì)算部，其計(jì)算由原動(dòng)機(jī)提供的再生量；輸入電力限制值計(jì)算部，其基于所估計(jì)的二次電池的充電狀態(tài)和原動(dòng)機(jī)的再生量來(lái)計(jì)算用于二次電池的輸入電力限制值；充電用允許電力計(jì)算部，其至少基于電壓變換器的效率以及基于輸入電力限制值來(lái)得出二次電池充電用允許流通電力；以及可輸入電力量計(jì)算部，其得出在計(jì)算出的二次電池側(cè)的充電用允許電力與計(jì)算出的燃料電池的發(fā)電量之間的第一差額，并且得出在所估計(jì)的二次電池的充電狀態(tài)和計(jì)算出的輸入電力限制值之間的第二差額，并且基于第一差額和第二差額中的較小差額來(lái)計(jì)算能夠輸入二次電池的電力量，并且電壓調(diào)節(jié)部可以基于可輸入電力量來(lái)計(jì)算燃料電池能夠產(chǎn)生的電量，并且可以在開(kāi)路電壓和目標(biāo)電壓之間調(diào)節(jié)燃料電池的輸出電壓。該控制部得出在二次電池側(cè)充電用允許電力和燃料電池的發(fā)電量(即，從燃料電池輸入二次電池中的電力量)之間的第一差額、以及在二次電池的估計(jì)充電狀態(tài)(S0C量)和計(jì)算出的輸入電力限制值Win(即，能夠被充入二次電池中的電量)之間的第二差額，并且基于第一差額和第二差額中的較小的一個(gè)來(lái)計(jì)算能夠輸入二次電池的電力量。因此，控制部通過(guò)調(diào)節(jié)燃料電池的輸出電壓管理來(lái)自燃料電池的電量，從而避免二次電池的過(guò)度充電狀態(tài)。結(jié)果，確保了二次電池的耐久性得以維持。本發(fā)明的第二方面涉及一種車(chē)輛。該車(chē)輛具有前面的燃料電池系統(tǒng)。在電動(dòng)車(chē)輛中，與燃料電池有關(guān)的發(fā)明在其啟動(dòng)時(shí)抑制二次電池變成過(guò)度充電， 并且防止二次電池的性能下降。本發(fā)明的第三方面涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)的控制方法。該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，其通過(guò)在燃料氣體和氧化劑氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力；二次電池，其是可充電和可放電的并且利用從燃料電池輸出的電力來(lái)被充電；以及控制部，其在啟動(dòng)燃料電池時(shí)控制由燃料電池產(chǎn)生的電量。該燃料電池系統(tǒng)的控制方法包括在啟動(dòng)燃料電池時(shí)利用盈余電力對(duì)二次電池充電；當(dāng)燃料電池的輸出電壓從開(kāi)路電壓降低到高電勢(shì)避免電壓時(shí)，確定二次電池是否變成過(guò)度充電；以及，如果確定二次電池將變成過(guò)度充電，則在開(kāi)路電壓和高電勢(shì)避免電壓之間調(diào)節(jié)燃料電池的電壓。按照根據(jù)本發(fā)明的前面的多個(gè)方面的該燃料電池系統(tǒng)、用于該燃料電池系統(tǒng)的控制方法以及配備有該燃料電池系統(tǒng)的車(chē)輛，在對(duì)于能夠被充入二次電池中的電量加以考慮時(shí)，通過(guò)在啟動(dòng)燃料電池時(shí)調(diào)節(jié)燃料電池的輸出電壓而管理來(lái)自燃料電池的電量。因此，二次電池的過(guò)度充電狀態(tài)得以避免。


參考附圖，根據(jù)以下優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明，本發(fā)明前面的和進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，其中類(lèi)似的數(shù)字被用于代表類(lèi)似的元件并且其中圖1是在本發(fā)明實(shí)施例中的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖；圖2是示意在啟動(dòng)燃料電池時(shí)執(zhí)行燃料電池的電壓控制以便避免二次電池的過(guò)度充電的示意圖；圖3是示出在啟動(dòng)燃料電池時(shí)在燃料電池堆中在初始電池電壓和燃料電池輸出電力之間的關(guān)系的示意圖；以及圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)燃料電池的電力控制的流程圖。
具體實(shí)施例方式如在圖1中所示，被安裝在電動(dòng)車(chē)輛200中的燃料電池系統(tǒng)100包括可充電和可放電的二次電池12、升高或者降低二次電池12的電壓的升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13、將升壓 /降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力并且向牽引馬達(dá)15和燃料電池11供應(yīng)電力的逆變器14。二次電池12由可充電和可放電的鋰離子蓄電池等構(gòu)造。在該實(shí)施例中二次電池 12的電壓低于牽引馬達(dá)15的驅(qū)動(dòng)電壓。然而，二次電池的電壓不受如此限制，而是還可以是等價(jià)于或者高于牽引馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)電壓的電壓。升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13具有多個(gè)切換元件，并且通過(guò)切換元件的開(kāi)/關(guān)操作而將從二次電池12供應(yīng)的低電壓升高到用于驅(qū)動(dòng)牽引馬達(dá)的高電壓。升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13是非絕緣雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，它的基準(zhǔn)電氣路徑32被連接到二次電池12的負(fù)側(cè)電氣路徑34和逆變器14的負(fù)側(cè)電氣路徑39這兩者，并且它的一次側(cè)電氣路徑31被連接到二次電池12的正側(cè)電氣路徑33，并且它的二次側(cè)電氣路徑35被連接到逆變器14的正側(cè)電氣路徑38。另外，二次電池12的正側(cè)電氣路徑33和負(fù)側(cè)電氣路徑34中的每一個(gè)設(shè)置有斷開(kāi)和閉合二次電池12和負(fù)載系統(tǒng)之間的連接的系統(tǒng)繼電器25。燃料電池11具有供應(yīng)有作為燃料氣體的氫氣和作為氧化劑氣體的空氣并且通過(guò)在氫氣和空氣中的氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的多個(gè)燃料單元電池。在燃料電池11 中，氫氣經(jīng)由氫氣供應(yīng)閥18而被從高壓氫氣罐17供應(yīng)到燃料電極(陽(yáng)極)，并且空氣被空氣壓縮機(jī)19供應(yīng)到氧化劑電極(陰極)。燃料電池11的正側(cè)電氣路徑36經(jīng)由FC繼電器 24和阻塞二極管23而被連接到升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的二次側(cè)電氣路徑35。燃料電池11的負(fù)側(cè)電氣路徑37經(jīng)由另一 FC繼電器M而被連接到升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的基準(zhǔn)電氣路徑32。升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的二次側(cè)電氣路徑35被連接到逆變器14的正側(cè)電氣路徑38，并且升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的基準(zhǔn)電氣路徑32被連接到逆變器14的負(fù)側(cè)電氣路徑39。燃料電池11的正側(cè)電氣路徑36和負(fù)側(cè)電氣路徑37分別地經(jīng)由FC繼電器M而被連接到逆變器14的正側(cè)電氣路徑38和負(fù)側(cè)電氣路徑39。FC繼電器M斷開(kāi)和閉合在負(fù)載系統(tǒng)和燃料電池11之間的連接。當(dāng)FC繼電器M被閉合時(shí)，燃料電池11被連接到升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的二次側(cè)，從而由燃料電池11產(chǎn)生的電力被與通過(guò)升高二次電池12的一次側(cè)電力的電壓而獲得的、二次電池12的二次側(cè)電力一起地供應(yīng)到逆變器， 逆變器由此驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)輪子60的牽引馬達(dá)15。此時(shí)，燃料電池11的電壓變成等于升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的輸出電壓和等于逆變器14的輸入電壓。另外，用于空氣壓縮機(jī)19和燃料電池11的附件16例如冷卻水泵、氫氣泵等的驅(qū)動(dòng)電力基本上由燃料電池11產(chǎn)生的電壓提供。如果燃料電池11不能產(chǎn)生所需要的電力，則二次電池12被用作輔助源。在二次電池12的正側(cè)電氣路徑33和負(fù)側(cè)電氣路徑34之間連接用于平滑下側(cè)電壓的一次側(cè)電容器20。一次側(cè)電容器20設(shè)置有探測(cè)在一次側(cè)電容器20的兩端之間的電壓的電壓傳感器41。另外，用于平滑二次側(cè)電壓的二次側(cè)電容器21被設(shè)置在逆變器14的正側(cè)電氣路徑38和負(fù)側(cè)電氣路徑39之間。二次側(cè)電容器21設(shè)置有探測(cè)在二次側(cè)電容器21 的兩端之間的電壓的電壓傳感器42。一次側(cè)電容器20上的電壓是一次側(cè)電壓\，一次側(cè)電壓八是升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的輸入電壓，并且二次側(cè)電容器21上的電壓是二次側(cè)電壓Vh，二次側(cè)電壓Vh是升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的輸出電壓。另外，探測(cè)燃料電池11的電壓的電壓傳感器43被設(shè)置在燃料電池11的正側(cè)電氣路徑36和負(fù)側(cè)電氣路徑37之間。 電壓傳感器43還探測(cè)構(gòu)成燃料電池11的燃料單元電池中的每一個(gè)的電池電壓。另外，燃料電池11的正側(cè)電氣路徑36設(shè)置有探測(cè)燃料電池11的輸出電流的電流傳感器44?？刂撇?0是一種計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)包含執(zhí)行信號(hào)處理的CPU以及存儲(chǔ)程序和控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)部。燃料電池11、空氣壓縮機(jī)19、氫氣供應(yīng)閥18、升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13、逆變器14、牽引馬達(dá)15、附件16、FC繼電器M和系統(tǒng)繼電器25被連接到控制部50，并且被構(gòu)造成根據(jù)來(lái)自控制部50的命令來(lái)操作。另外，二次電池12、電壓傳感器41到43以及電流傳感器44被獨(dú)立地連接到控制部50，并且被如此構(gòu)造，使得二次電池12的狀態(tài)和電壓傳感器41到43以及電流傳感器44的探測(cè)信號(hào)被輸入控制部50。電動(dòng)車(chē)輛200設(shè)置有點(diǎn)火
7鍵30，點(diǎn)火鍵30是用于啟動(dòng)和停止燃料電池系統(tǒng)100的開(kāi)關(guān)。點(diǎn)火鍵30被連接到控制部 50，并且被如此構(gòu)造，使得點(diǎn)火鍵30的開(kāi)/關(guān)信號(hào)被輸入到控制部50。將參考圖2到圖4描述如上所述地構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)100的操作。圖2示出在啟動(dòng)燃料電池時(shí)執(zhí)行燃料電池電壓控制以便避免二次電池的過(guò)度充電的一個(gè)實(shí)例。圖2的上部示出燃料電池(在下文中，還被稱(chēng)作“FC”)的電壓的改變，并且示意圖的下部示出二次電池的電力的改變。此外，在圖2中的電壓改變的曲線圖中，實(shí)線示出命令燃料電池的命令電壓，并且虛線示出燃料電池堆的總電池電壓。附帶說(shuō)一句，雖然為了示意方便起見(jiàn)，圖2示意總電池電壓跟隨命令電壓并且與命令電壓有相當(dāng)大的延遲， 但是實(shí)際的總電池電壓從實(shí)際命令電壓的延遲不是像圖2所示那么大的，而是總電池電壓基本上緊跟著命令電壓而改變。另外，在二次電池的電力的曲線圖中的實(shí)線示出通過(guò)升壓 /降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的電力量的改變。在參考圖2描述在啟動(dòng)燃料電池時(shí)燃料電池的電壓控制之前，將參考圖3描述緊跟在其啟動(dòng)之后的燃料電池的初始電壓和輸出。如在圖3中所示，在其啟動(dòng)時(shí)燃料電池堆的總電池電壓根據(jù)燃料電池停止操作的持續(xù)時(shí)間而改變。即，操作停止持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，總電池電壓越接近0V，并且操作停止持續(xù)時(shí)間越短，總電池電壓越高。另外，燃料電池的操作停止持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，在燃料電池中的催化劑越被激活，并且因此在啟動(dòng)燃料電池時(shí)的發(fā)電量變得越大。在另一方面，在操作停止持續(xù)時(shí)間短的情形中，與在長(zhǎng)的操作停止持續(xù)時(shí)間的情形中相比，催化劑被較少地更新，并且因此在啟動(dòng)燃料電池時(shí)的發(fā)電量不大。即，緊跟著啟動(dòng)燃料電池之后的發(fā)電量根據(jù)緊跟著啟動(dòng)之后發(fā)生的燃料電池的催化劑的狀態(tài)顯著地波動(dòng)。如在圖1中所示，在其中在啟動(dòng)時(shí)燃料電池11產(chǎn)生比負(fù)載所要求的更多的電力的情形中，盈余電力被充入到被設(shè)置在電動(dòng)車(chē)輛200中的二次電池12中。通常，二次電池12 具有的容量為燃料電池在啟動(dòng)時(shí)的輸出所能夠被充入到二次電池12中的容量。然而，例如，在低溫充電(在高電阻狀態(tài)中充電)期間，二次電池12很可能變成過(guò)度充電，并且因此利用低于二次電池12的最大充電容量的限制容量來(lái)控制充電。結(jié)果，如果燃料電池11的總電池電壓接近0V，則由燃料電池11在其啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電量會(huì)變大，從而可能會(huì)有超過(guò)二次電池12的限制容量的由燃料電池11產(chǎn)生的電力對(duì)二次電池12充電，并且因此二次電池 12可能變成過(guò)度充電。另外，例如在啟動(dòng)時(shí)空氣壓縮機(jī)19比在通常操作期間更高的壓力下操作以使得向燃料電池11供應(yīng)作為氧化劑氣體的空氣的情形中，緊跟著啟動(dòng)之后從燃料電池11產(chǎn)生的電量會(huì)變大。在此情形中，同樣，因?yàn)槎坞姵?2被以高速充電，所以存在二次電池12 變成過(guò)度充電的可能性。此外，在其中從高SOC (充電狀態(tài))對(duì)二次電池12充電的情形中，也存在二次電池 12變成過(guò)度充電的可能性。因此，有必要在允許燃料電池產(chǎn)生電力之前避免由于燃料電池的啟動(dòng)時(shí)輸出所引起的二次電池的過(guò)度充電。因此，在該實(shí)施例中，圖1所示的控制部50在其中具有電壓調(diào)節(jié)部(未示出)，如果當(dāng)在啟動(dòng)燃料電池時(shí)，盈余電力被充入到二次電池12中并且燃料電池11的輸出電壓從開(kāi)路電壓降低到高電勢(shì)避免電壓時(shí)預(yù)期二次電池12變成過(guò)度充電，則電壓調(diào)節(jié)部用于在開(kāi)路電壓(OCV)和高電勢(shì)避免電壓之間調(diào)節(jié)燃料電池的電壓。在這里應(yīng)該指出“高電勢(shì)避免電壓”意味著小于OCV并且能夠由燃料電池產(chǎn)生、使得燃料電池的耐久性將得以確保的、預(yù)先確定的目標(biāo)操作電壓。此外，在以下情形中的至少一種情形中，前面的電壓調(diào)節(jié)部在開(kāi)路電壓和高電勢(shì)避免電壓之間調(diào)節(jié)燃料電池11的操作電壓其中通過(guò)是作為電壓變換器的升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的電力超過(guò)至少基于升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的效率和輸入電力限制值Win得出的、二次電池充電用允許流通電力的情形；其中用于二次電池12的輸入電力限制值Win被超過(guò)的情形；以及其中被充入到二次電池中的、由原動(dòng)機(jī)(牽引馬達(dá)15)再生的電量不受限制的情形。估計(jì)二次電池的充電狀態(tài)的SOC估計(jì)部(未示出)被設(shè)置在控制部50中。SOC估計(jì)部接收用于管理二次電池12所需要的信號(hào)的輸入，例如，來(lái)自被置放在二次電池12的端子之間的電壓傳感器41的端子間電壓、來(lái)自被附接有與二次電池12的輸出端子相連接的電力的電流傳感器(未示出)的充電/放電電流(在下文中，還被稱(chēng)作“蓄電池電流”)、來(lái)自被附接到二次電池12的溫度傳感器(未示出)的電池溫度等，并且存儲(chǔ)所述輸入信號(hào)。 另外，SOC估計(jì)部通過(guò)對(duì)由電力傳感器實(shí)際上測(cè)量的二次電池電流值IB(t)進(jìn)行積分或者通過(guò)對(duì)利用實(shí)際上測(cè)量的二次電池溫度值TB(t)校正的估計(jì)電流值進(jìn)行積分來(lái)估計(jì)二次電池12的充電狀態(tài)(S0C，剩余充電量)。以以下計(jì)算方式，被設(shè)置在圖1所示的控制部50中的輸入電力限制值計(jì)算部(未示出)來(lái)計(jì)算“輸入電力限制值Win”。即，使用由SOC估計(jì)部得出的、在預(yù)設(shè)時(shí)間t處的充電狀態(tài)值soc(t)得出在充電期間每單位時(shí)間的容許輸入電流值，并且計(jì)算允許每單位時(shí)間被輸入到二次電池的容許輸入電流值Ilim(t)。此外，通過(guò)PID控制，通過(guò)使用以下表達(dá)式 ⑴來(lái)計(jì)算“輸入電力限制值Win”。Win (t) = Sffin(t)-Kp X {IB (t)-Itagl Wl-Ki X / {IB (t)-Itag2 (t)} dt. . . (I)(其中Win(t)代表在時(shí)間t處的二次電池輸入電力限制值(W)；Sffin(t)給出預(yù)先設(shè)定的二次電池輸入電力限制默認(rèn)值；κρ代表P項(xiàng)反饋增益；Ki代表i項(xiàng)反饋增益；Itagl(t) 代表與P項(xiàng)反饋控制相關(guān)聯(lián)的電流限制目標(biāo)值；Itag2(t)代表與i項(xiàng)反饋控制相關(guān)聯(lián)的電流限制目標(biāo)值；以及IB(t)代表在時(shí)間t處的蓄電池電流值。)另外，使用以下表達(dá)式(II)獲得前面的值Itagl (t)和Itag2(t)。Itagl (t) =Fp (Iliffl' (t))，以及 Itag2 (t) =^(1^' (t)) (II)(其中Ilim(t)基于在前計(jì)算的、在前計(jì)算容許輸入電流值Ilim(t-1)、或者基于專(zhuān)用于初始計(jì)算的設(shè)定容許輸入電流值Ilim(O)來(lái)計(jì)算。)另外，圖1所示的控制部50還設(shè)置有發(fā)電量計(jì)算部(未示出)，發(fā)電量計(jì)算部經(jīng)由電壓傳感器43測(cè)量燃料電池11的電壓，并且計(jì)算燃料電池的發(fā)電量。此外，圖1所示的控制部50設(shè)置有計(jì)算由作為原動(dòng)機(jī)的牽引馬達(dá)15提供的再生的量的再生量計(jì)算部。能夠使用表達(dá)式(II)得出再生量。因此，當(dāng)在啟動(dòng)時(shí)的再生量被加以考慮時(shí)，輸入電力限制值計(jì)算部不僅基于前面的、二次電池的SOC而且還基于由原動(dòng)機(jī)提供的再生的量來(lái)計(jì)算用于二次電池12的輸入電力限制值Win。另外，圖1所示的控制部50設(shè)置有充電用允許電力計(jì)算部(未示出)，其至少基于升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的效率和輸入電力限制值Win得出二次電池充電用允許流通電力。例如，充電用允許電力計(jì)算部通過(guò)將輸入電力限制值Win和附件16的所需電力之和乘以升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的效率而得出二次電池充電用允許流通電力。另外，圖1所示的控制部50設(shè)置有可輸入電力量計(jì)算部(未示出)，其得出在計(jì)算出的二次電池側(cè)充電用允許電力和燃料電池的電力產(chǎn)生計(jì)算量(即，被從燃料電池輸入到二次電池的電力量)之間的差額dl、以及在二次電池的估計(jì)充電狀態(tài)(S0C量)和計(jì)算出的輸入電力限制值Win(即，能夠被充入到二次電池中的電量)之間的差額d2，并且基于差額 dl和d2中的較小的一個(gè)來(lái)計(jì)算能夠輸入到二次電池的電力量。下面，將參考圖1、圖2和圖4來(lái)描述這個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的操作的實(shí)例。首先，如果點(diǎn)火鍵30被打開(kāi)，則SOC估計(jì)部從輸入到SOC估計(jì)部的、二次電池在時(shí)間t處的電壓(t)來(lái)計(jì)算估計(jì)電流值I (t)，并且估計(jì)在時(shí)間t處發(fā)生的充電狀態(tài)SOC (t) (S112)。接著， 如果制動(dòng)器打開(kāi)(S114)，則再生量計(jì)算部計(jì)算在時(shí)間t處的再生能量(S116)。此外，輸入電力限制值計(jì)算部基于在時(shí)間t處的估計(jì)充電狀態(tài)SOC(t)或者基于估計(jì)充電狀態(tài)SOC(t) 和再生能量而使用表達(dá)式(I)和表達(dá)式(II)來(lái)計(jì)算出輸入電力限制值Win(t) (S118)。接著，充電用允許電力計(jì)算部通過(guò)將輸入電力限制值Win和附件16所需電力之和乘以升壓/ 降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的效率而得出二次電池充電用允許流通電力(S120)。接著，可輸入電力量計(jì)算部得出在計(jì)算出的二次電池側(cè)充電用允許電力和燃料電池的電力產(chǎn)生計(jì)算量(即，被從燃料電池輸入到二次電池的電力量)之間的差額dl(S122)， 并且得出在二次電池的估計(jì)充電狀態(tài)(S0C量)和計(jì)算出的輸入電力限制值Win(即，能夠被充入到二次電池中的電量)之間的差額d2(S124)，然后選擇如上所述地得出的差額dl和 d2中的較小的一個(gè)(S126)。此外，可輸入電力量計(jì)算部基于選定的較小差額來(lái)計(jì)算能夠被輸入到二次電池的來(lái)自燃料電池11的電量(S128)。如在圖4中所示，在以下情形中的至少一種情形中，電壓調(diào)節(jié)部通過(guò)在開(kāi)路電壓和高電勢(shì)避免電壓之間調(diào)節(jié)燃料電池11的操作電壓而控制燃料電池11的發(fā)電量(S130) 其中至少在隨著燃料電池11的FC繼電器M的連接之后但是在許可燃料電池11產(chǎn)生電力之前的時(shí)段期間，通過(guò)升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的電力超過(guò)二次電池充電用允許流通電力的情形；其中至少在前面的時(shí)段期間，用于二次電池12的輸入電力限制值Win被超過(guò)的情形；以及其中至少在前面的時(shí)段期間，由牽引馬達(dá)15提供的再生量不受限制的情形。S卩，如在圖2中所示，在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)，燃料電池11的操作電壓被暫時(shí)地升高到0CV。然后，為了保證燃料電池11的耐久性得以維持，在許可燃料電池11產(chǎn)生電力之前，燃料電池 11的操作電壓(即，總電池電壓)從OCV降低到高電勢(shì)避免電壓。首先在這個(gè)操作中，燃料電池11的操作電壓以通常降低速度降低。如果輸入電力限制值Win被超過(guò)，則燃料電池11 的操作電壓的降低速度得到調(diào)節(jié)(在圖2中被短劃雙點(diǎn)線包圍的區(qū)域I)。燃料電池11的操作電壓受到監(jiān)視。如果通過(guò)升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的電力超過(guò)二次電池側(cè)充電用允許電力，即，如果在圖2的下部中，二次電池側(cè)允許被充電電力量被超過(guò)，則燃料電池11的操作電壓得到調(diào)節(jié)，即，升高，從而通過(guò)升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的電力變成小于二次電池側(cè)充電用允許電力。然后，當(dāng)通過(guò)升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的電力變成小于二次電池側(cè)充電用允許電力時(shí)，在燃料電池11的操作電壓的降低速度得到調(diào)節(jié)、從而輸入電力限制值Win 不被超過(guò)時(shí)，燃料電池11的操作電壓降低到高電勢(shì)避免電壓。應(yīng)該指出在這里“二次電池側(cè)允許被充電電力量”以裕度電量小于二次電池側(cè)最大可充電電力，并且被預(yù)先存儲(chǔ)在電力調(diào)節(jié)部中。另外，在該實(shí)施例中，裕度電量被設(shè)為例如2kW。然而，裕度電量是根據(jù)燃料電
10池的操作電壓的控制速度而被適當(dāng)?shù)卦O(shè)定的。另外，至少在其中在隨著燃料電池的FC繼電器M的連接之后但是在許可燃料電池產(chǎn)生電力之前的時(shí)段期間打開(kāi)制動(dòng)器的情形中，前面的再生量計(jì)算部計(jì)算牽引馬達(dá)15 的再生量以便確保再生扭矩。在其中將被充入的再生電量不受限制的情形中，并且如在圖2 的下部中所示的在通過(guò)升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的電力超過(guò)二次電池側(cè)充電用允許電力時(shí)，燃料電池11的操作電壓得到調(diào)節(jié)，即，升高(在圖2中由短劃雙點(diǎn)線包圍的區(qū)域II)， 使得通過(guò)升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的電力變成小于二次電池側(cè)充電用允許電力。然后，如果通過(guò)升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器13的電力變成小于二次電池側(cè)充電用允許電力，則燃料電池 11的操作電壓的降低速度得到調(diào)節(jié)，使得輸入電力限制值Win不被超過(guò)。以此方式，燃料電池11的操作電壓降低到高電勢(shì)避免電壓。在當(dāng)燃料電池11的操作電壓被電壓調(diào)節(jié)部降低到并且穩(wěn)定在高電勢(shì)避免電壓時(shí)的時(shí)間點(diǎn)處，燃料電池的啟動(dòng)完成(S132)。因此，在啟動(dòng)時(shí)，在二次電池12的充電狀態(tài)受到監(jiān)視，并且根據(jù)需要，牽引馬達(dá)15的再生量也受到監(jiān)視時(shí)，燃料電池11的發(fā)電量得到調(diào)節(jié)。 因此，二次電池11的過(guò)度充電狀態(tài)得以避免，并且牽引馬達(dá)15的再生扭矩也得以確保。本發(fā)明能夠被應(yīng)用于使用燃料電池系統(tǒng)的領(lǐng)域，例如車(chē)輛制造工業(yè)等。雖然已經(jīng)參考其示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施例或者構(gòu)造。相反，本發(fā)明旨在涵蓋各種修改和等價(jià)布置。另外，雖然所公開(kāi)的發(fā)明的各種元件被以各種實(shí)例組合和配置示出，但是包括更多、更少或者僅僅單一元件的其他組合和配置也是在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，所述燃料電池通過(guò)在燃料氣體和氧化劑氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電力；二次電池，所述二次電池是可充電和可放電的，并且所述二次電池利用從所述燃料電池輸出的電力來(lái)被充電；以及控制部，所述控制部控制在啟動(dòng)所述燃料電池時(shí)由所述燃料電池所產(chǎn)生的電量，其中， 所述控制部具有電壓調(diào)節(jié)部，所述電壓調(diào)節(jié)部在啟動(dòng)所述燃料電池時(shí)利用盈余電力對(duì)所述二次電池充電，并且在當(dāng)所述燃料電池的輸出電壓從開(kāi)路電壓降低到高電勢(shì)避免電壓時(shí)預(yù)期所述二次電池將變成過(guò)度充電的情形中，在所述開(kāi)路電壓和所述高電勢(shì)避免電壓之間對(duì)所述燃料電池的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電壓變換器，所述電壓變換器被設(shè)置在所述二次電池和負(fù)載之間；以及原動(dòng)機(jī)，其中，與所述電壓調(diào)節(jié)部相關(guān)聯(lián)地、預(yù)期所述二次電池將變成過(guò)度充電的情形是以下情形中的至少一種流通于所述電壓變換器的流通電力超過(guò)至少基于所述電壓變換器的效率以及用于所述二次電池的輸入電力限制值而得出的二次電池充電用允許流通電力的情形， 超過(guò)所述二次電池的所述輸入電力限制值的情形，以及被充入到所述二次電池中的、所述原動(dòng)機(jī)的再生量不受限制的情形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)， 其中，所述控制部進(jìn)一步包括發(fā)電量計(jì)算部，所述發(fā)電量計(jì)算部通過(guò)測(cè)量所述燃料電池的電壓來(lái)計(jì)算由所述燃料電池產(chǎn)生的電量；SOC估計(jì)部，所述SOC估計(jì)部估計(jì)所述二次電池的充電狀態(tài)； 再生量計(jì)算部，所述再生量計(jì)算部計(jì)算由所述原動(dòng)機(jī)提供的再生量； 輸入電力限制值計(jì)算部，所述輸入電力限制值計(jì)算部基于所估計(jì)出的所述二次電池的所述充電狀態(tài)和所述原動(dòng)機(jī)所提供的所述再生量來(lái)計(jì)算所述二次電池的輸入電力限制值；充電用允許電力計(jì)算部，所述充電用允許電力計(jì)算部至少基于電壓變換器的效率以及所述輸入電力限制值來(lái)得出二次電池充電用允許流通電力；以及可輸入電力量計(jì)算部，所述可輸入電力量計(jì)算部得出在計(jì)算出的二次電池側(cè)的充電用允許電力與計(jì)算出的由所述燃料電池產(chǎn)生的電量之間的第一差額，并且得出在所估計(jì)出所述二次電池的充電狀態(tài)與計(jì)算出的輸入電力限制值之間的第二差額，并且基于所述第一差額和所述第二差額中的較小差額來(lái)計(jì)算可輸入到所述二次電池的電力量，并且其中，所述電壓調(diào)節(jié)部基于可輸入的電力量來(lái)計(jì)算所述燃料電池能夠產(chǎn)生的電量，并且在所述開(kāi)路電壓和目標(biāo)電壓之間調(diào)節(jié)所述燃料電池的所述輸出電壓。
4.一種車(chē)輛，所述車(chē)輛具有根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)。
5.一種用于燃料電池系統(tǒng)的控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，所述燃料電池通過(guò)在燃料氣體和氧化劑氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電力；二次電池，所述二次電池是可充電和可放電的并且利用從所述燃料電池輸出的電力來(lái)被充電；以及控制部，所述控制部控制在啟動(dòng)所述燃料電池時(shí)由所述燃料電池產(chǎn)生的電量，所述控制方法包括 在啟動(dòng)所述燃料電池時(shí)利用盈余電力對(duì)所述二次電池充電；當(dāng)所述燃料電池的輸出電壓從開(kāi)路電壓降低到高電勢(shì)避免電壓時(shí)，確定所述二次電池是否變成過(guò)度充電；以及如果確定所述二次電池將變成過(guò)度充電，則在所述開(kāi)路電壓和所述高電勢(shì)避免電壓之間調(diào)節(jié)所述燃料電池的電壓。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池(11)、二次電池(12)、電壓變換器(13)和控制部(50)。控制部在啟動(dòng)燃料電池時(shí)利用盈余的電力對(duì)二次電池充電，并且在其中在燃料電池的輸出電壓從開(kāi)路電壓降低到高電勢(shì)避免電壓(S110到S128)時(shí)預(yù)期二次電池將變成過(guò)度充電的情形中，在開(kāi)路電壓和高電勢(shì)避免電壓之間調(diào)節(jié)燃料電池的電壓(S130)。前述情形是以下情形中的至少一種情形流通于所述電壓變換器的流通電力超過(guò)二次電池充電用允許流通電力的情形；二次電池的輸入電力限制值被超過(guò)的情形；以及被充電的原動(dòng)機(jī)的再生量不受限制的情形。
文檔編號(hào)H01M16/00GK102369622SQ201080014477
公開(kāi)日2012年3月7日 申請(qǐng)日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者今井敦志, 吉田道雄, 小川朋也 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社