具有蓄電裝置和電壓轉換器的燃料電池系統的製作方法

2023-07-07 10:18:46

專利名稱：具有蓄電裝置和電壓轉換器的燃料電池系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池系統及其控制方法。更具體地，本發明涉及 在燃料電池系統中的電壓轉換器中出現任何異常的情況下的控制方法 的改進。
背景技術：
燃料電池系統中，電池與燃料電池通過電壓轉換器彼此並聯，並 且設有燃料電池輔助設備，以進行電壓轉換器與電池之間的連接，從 而即使當電壓轉換器中出現異常時，也可通過驅動輔助設備來驅動燃
料電池(例如，參見日本專利申請特開No.2002-l 18981)。
但是，在電壓轉換器功能出現異常的情況下，儘管其異常是暫時 的，可能恢復到正常狀態，但是如果沒有其它選擇，僅依賴於燃料電 池的驅動的話，那麼驅動力會變得不足。
因此，本發明的目的是提供一種當電壓轉換器中出現暫時異常 時設法恢復電壓轉換器並使驅動力的不足最小化的燃料電池系統；並 提供該燃料電池系統的控制方法。

發明內容
為了解決上述問題，本發明的發明人已經進行了各種研究。在現 有可移動體(例如，燃料電池混合動力車輛)中，當電壓轉換器中出現異 常(故障)時，車輛立即停止。但是，大多數時候，這種故障實際上是暫 時的，因此通常情況是有可能恢復，但是安裝有例如燃料電池的可移 動體(車輛等)通常停止。考慮到這一點，有時有利的是使可移動體繼續 行駛，以便恢復到正常狀態。本發明的發明人已經基於這一點進行了進一步的研究，並且已經發現可解決這種問題的技術。
本發明基於該發現，且本發明為一種燃料電池系統，其中蓄電裝 置與燃料電池通過電壓轉換器彼此並聯，所述燃料電池系統包括用 於當所述電壓轉換器中出現異常時停止所述電壓轉換器的裝置；用於 在停止所述電壓轉換器之後嘗試將所述電壓轉換器恢復到正常狀態的 裝置；以及用於直到所述電壓轉換器恢復到所述正常狀態為止至少在 所述燃料電池中產生驅動力的裝置。
在根據本發明的燃料電池系統的控制方法中，在蓄電裝置與燃料 電池通過電壓轉換器彼此並聯的燃料電池系統中，在所述電壓轉換器 中出現異常的情況下，停止所述電壓轉換器，在停止所述電壓轉換器 之後嘗試將所述電壓轉換器恢復到正常狀態，並且直到所述電壓轉換 器恢復到所述正常狀態為止至少在所述燃料電池中產生驅動力。
在根據本發明的燃料電池系統及其控制裝置中，在所述電壓轉換 器(例如，高電壓轉換器)出現異常的情況下，整個系統並不立即停止， 而是判定是否可能恢復到正常狀態，從而尋求恢復的可能性。具體地， 首先判定所述電壓轉換器是否從所述電壓轉換器暫時停止(關閉)的狀 態恢復，並且如果可能，使所述電壓轉換器恢復到正常狀態。此外， 直到恢復到正常狀態為止目標電壓轉換器處於暫時關閉期間，在所述 燃料電池中繼續產生驅動力，從而防止所述系統的驅動力不足。
優選地，最遲到所述直流/直流轉換器開始恢復到所述正常狀態為 止，對能夠通過所述直流/直流轉換器的電能值設定限制。這樣，即便 推測所述電壓轉換器達到可恢復到正常狀態的狀態，也能夠使通過所 述電壓轉換器的電能(或可轉變的電能)保持受限制。
另外，優選地，當所述直流/直流轉換器恢復到所述正常狀態時在 所述燃料電池系統中能產生的電能的上限設定為比在出現所述異常之前產生的電能的上限低的值。在該情況下，當所述電壓轉換器從暫時 異常狀態恢復到正常狀態時，能夠防止獲得的輸出的波動。
另外，優選地，當使所述直流/直流轉換器恢復到所述正常狀態時， 逐步取消所述限制。例如，在該燃料電池系統安裝在可移動體(例如燃 料電池混合動力車輛)中的情況下，通過逐步取消所述限制可防止出現 振動或衝擊。
優選地，當所述直流/直流轉換器處於所述異常狀態時，通過執行 與當所述直流/直流轉換器處於所述正常狀態時執行的運行不同的運行 來獲得所述燃料電池的輸出。在這種情況下，不同於正常狀態期間的 運行包括例如化學計量的改變。
根據本發明的燃料系統包括用於實施上述控制方法的控制裝置。
根據本發明，即使在電壓轉換器中出現暫時異常時，由於尋求出 現暫時異常之後的恢復，所以能使驅動力的不足最小化。


圖1示出了根據本發明實施例的燃料電池系統的示意性結構； 圖2為示出本發明實施例中控制內容的流程圖； 圖3為示出燃料電池系統中電能變化的例子的曲線圖；以及 圖4為示出本發明其它實施例中控制內容的流程圖。
具體實施例方式
下文中，基於附圖中所示的實施例對本發明的結構進行詳細描述。
圖1至圖3示出了根據本發明的燃料電池系統的實施例。根據本 發明的燃料電池系統1中具有通過電壓轉換器14而彼此並聯的蓄電裝 置15和燃料電池2，並且包括用於在電壓轉換器14出現異常時停止電壓轉換器14的裝置，用於在電壓轉換器14停止之後嘗試將電壓轉換 器14恢復到正常狀態的裝置，以及用於在電壓轉換器14恢復到正常 狀態之前至少在燃料電池2中產生驅動力的裝置。下文中，首先簡要 描述燃料電池系統1，之後描述出現異常時燃料電池系統1的控制方法 的內容(見圖1至圖3)。
圖1示出了根據本實施例的燃料電池系統1的示意性結構。本實 施例中所示燃料電池系統1可用作例如燃料電池混合動力車輛(FCHV) 的車載發電系統。但是，燃料電池系統1並不限於該應用，因此，燃 料電池系統1當然可用作安裝在各種可移動體(例如輪船、飛機等)、機 器人或其它自驅動機構內的發電系統等。燃料電池堆(未示出)具有通過 串聯堆疊多個單個電池形成的堆結構，其由例如聚合物電解質燃料電 池等組成。
燃料電池2的氧化氣體供給系統包括空氣壓縮機4、內部冷卻器3 和內部冷卻器冷卻水泵4(見圖1)。空氣壓縮機5壓縮通過空氣濾清器 (未示出)從外界獲取的空氣。內部冷卻器3冷卻被壓縮和加熱的空氣。 內部冷卻器冷卻水泵4循環用於冷卻內部冷卻器3的冷卻水。由空氣 壓縮機5壓縮的空氣被上述內部冷卻器3冷卻，其後穿過增溼器17， 然後供給到燃料電池2的陰極(空氣電極)。在燃料電池2的電池反應中 用過之後所得的氧廢氣流入陰極廢氣流動通道16，並排到系統的外部。 由於該氧廢氣含有從燃料電池2的電池反應產生的水分，所以處於高 溼狀態。因此，增溼器17用於在供給前處於低溼狀態的氧化氣體與處 於高溼狀態的氧廢氣之間交換水分，以適當地增溼供給到燃料電池2 的氧化氣體，其中氧廢氣流入陰極廢氣流動通道16。
燃料電池2的氫氣供給系統構造為向燃料電池2供給用作燃料的 氫。例如，在本實施例的情形中，並行布置多個(例如，四個)高壓氫罐 (未示出)作為氫存儲源，且氫通過氫氣供給通道23通向燃料電池2的 陽極(燃料電極)。燃料電池2的冷卻水口(LLC)設有用於循環冷卻水的冷卻水管道 11。該冷卻水管道11設有用於輸送冷卻水的水泵10和用於調節供給 的冷卻水量的流動通道轉換閥12。
燃料電池2中產生的一部分直流電能由電壓轉換器(高電壓轉換 器)14降壓，給用作高壓蓄電裝置的二次電池(下文中，稱為"高電壓電 池"，由標記15表示)充電。電機逆變器(牽引逆變器)7將從燃料電池 2提供的直流電能轉換為交流電能，並將該交流電能提供給牽引電機8。 另外，水泵逆變器9將從燃料電池2提供的直流電能轉換為交流電能， 並將該交流電能提供給水泵10。另外，空氣壓縮機驅動逆變器6將從 燃料電池2提供的直流電能轉換為交流電能，並將該交流電能提供給 空氣壓縮機5。
如果在例如燃料電池混合動力車輛中安裝控制裝置13，該控制裝 置用來基於加速度開度、車速等獲得系統需求功率(車輛行駛功率和輔 助設備功率的和)，並控制該系統，使得燃料電池2與目標功率相符。 具體地，控制裝置13通過控制空氣壓縮機驅動的逆變器6來調節驅動 空氣壓縮機5的電機(未示出)的轉速和供給的氧化氣體量。此外，控制 裝置13通過控制內部冷卻器冷卻水泵4來調節壓縮空氣的溫度。控制 裝置13還控制電機逆變器7，以調節牽引電機8的轉速，並控制水泵 逆變器9，以調節水泵IO。另外，控制裝置13控制電壓轉換器14，以 調節燃料電池2的運行點(輸出電壓、輸出電流)，並進行調節，使得燃 料電池2的輸出功率與目標功率相符。
另外，本實施例中的控制裝置13還用作用於在電壓轉換器14中 出現異常時停止電壓轉換器14的裝置，用於在電壓轉換器14停止之 後嘗試將電壓轉換器14恢復到正常狀態的裝置，以及用於在電壓轉換 器14恢復到正常狀態之前至少在燃料電池2中產生驅動力的裝置。這 些功能通過存儲在如控制裝置13內的算術處理單元中的程序來實現。下面，在下文中描述本發明的實施例。在本實施例中，在燃料電 池系統1的電壓轉換器14中出現異常或意外事件的情況下，實施預定 過程並試圖正常恢復，以便如果可能的話使電壓轉換器14恢復。應當 注意，在本說明書中，電壓轉換器14內出現的異常或意外事件還可稱 為"故障"。這裡所述的"故障"意味著電壓轉換器暫時或持續處於 至少無法實施期望運行的狀態。
下文中，描述具體實施例(見圖2和圖3)。這裡，高電壓轉換器(在 下文中簡稱為"電壓轉換器"，由標記14表示)示為電壓轉換器14的 一個實例，描述電壓轉換器14中出現故障的情形。
首先，當出現故障時，開始用於將電壓轉換器恢復到正常狀態的 控制(步驟Sl)。在為可移動體例如燃料電池混合動力車輛等的情形下， 優選如下進行該步驟起動燃料電池系統1的IG(點火)裝置，同時起 動正常恢復控制，使得當任何時間出現故障時都可嘗試正常恢復運行。
這裡，當電壓轉換器14中出現故障時(步驟S2)，電壓轉換器14 停止一次，然後關閉(步驟S3)。例如，在圖3中，如果在時刻tl電壓 轉換器14中出現故障，電壓轉換器14達到臨時停止狀態。但是，在 這種情形下，燃料電池2本身並未停止，並且燃料電池系統1的運行 藉助於燃料電池2產生的電能而持續(在本說明書中，該狀態稱為"由 燃料電池2進行的漂移(drifting)運行"，或者為簡便起見，簡稱為"漂 移運行")。當考慮可在燃料電池系統1中供給的電能時，在時刻tl之 前能夠供給燃料電池2產生的電能與可從高電壓電池(二次電池)15供 給的電能之和的狀態變為由於出現故障(時刻tl)而臨時關閉電壓轉換 器14的狀態。因此，獲得了僅能供給燃料電池2的電能的狀態(見圖 3)。在本實施例的燃料電池混合動力車輛的情況下，牽引電機8持續地 由燃料電池2執行的該漂移運行來驅動。另外，在該漂移運行期間，優選在提高空氣化學計量的狀態下執 行該運行。通過將供給的燃料氣體量提高到多於出現故障時的量(稀氫 氣體—濃氫氣體)，可防止燃料電池2內的電池電壓降低。空氣化學計 量(也稱為"空氣化學計量比")意味著剩餘氧比率，其表示供給的氧量 相對於反應所需的適當的氧量的比率。
另外，在本實施例中，限制通過電壓轉換器14的電能(步驟S4)。 這樣，電壓轉換器14處於臨時停止狀態，且加入控制使得預先限制能 通過電壓轉換器14的電能。因此，即使取消電壓轉換器14的停止狀 態，從其通過的電能也保持受限。例如，可通過使用控制裝置13以限 制計算來實施這種通過電能的限制(步驟S4)。應當注意，在本實施例 中，在電壓轉換器14關閉之後，立即限制通過電能(步驟S3，步驟S4)， 但是提供該限制的時間不限於該方式，因此其只需至少在取消關閉之 前提供限制。
下面提供上述電能限制的進一步說明。具體地，通常由控制裝置 13來主動地控制燃料電池2與牽引電機8(或電機逆變器7)之間的電壓 或電流，但是當如本實施例中出現故障時，存在根據發電側與耗電側 之間的平衡來被動判定電壓或電流的值的情形。從在該情形下防止電 能波動的觀點來看，優選當恢復電壓轉換器14時，指令值設定為被動 判定的值或與其相近的值。作為恢復時(時刻t2)的電壓指令，根據系統， 最優選將漂移運行的電壓指令值直接設為閾值。
優選地，通過將出現故障之前的值乘以一定的比率，而將電壓轉 換器14恢復之後的電能上限設定為低於出現故障之前的值。因此，能 夠防止當電壓轉換器14從暫時故障狀態恢復時出現電能波動。例如， 在本實施例中，與出現故障之前獲得的電能上限相比，恢復之後的電 能上限降低了 AP(例如，約為出現故障之前20%的BAT電能)(見圖3)。
然後，實施上述漂移運行，之後判定電壓轉換器14是否恢復到正常狀態(步驟S5)。在電壓轉換器14恢復到正常狀態的情況下，步驟前
進到步驟S7(見圖2)。另一方面，如果電壓轉換器14未恢復到正常狀 態(步驟S5中為否)，那麼判定電壓轉換器14中已出現的故障是否持續 一定的時間段(步驟S6)。如果故障未持續(換句話說，如果自出現故障 以來還未經過一定的時間段)，那麼步驟返回到步驟S5，並再次判定電 壓轉換器14是否恢復到正常狀態。同時，如果故障持續了一定的時間 段，那麼判定該故障不是暫時的，並停止燃料電池系統l(步驟S13)。 應當注意，在本實施例中，在步驟S13中燃料電池系統1停止，但該 步驟僅僅是個例子，因此，可繼續由燃料電池2執行的漂移運行。
在電壓轉換器14恢復到正常狀態的情況下，在步驟S7中取消關 閉。這裡，可通過取消其停止狀態來驅動電壓轉換器14(步驟S7)。另 外，在空氣化學計量根據漂移運行而變化的情況下，電壓轉換器14恢 復到原始狀態。
另外，在取消關閉(步驟S7)之後，取消電壓轉換器14的電能限制 (步驟S8)。這樣，優選地，如圖2中所示，逐步執行電能限制的取消。 如果立刻恢復受限制的電能，那麼牽引電機8的驅動力因而增加，取 決於環境在燃料電池混合動力車輛中出現振動或衝擊，破壞了乘客的 乘坐舒適性和驅動性能。但是，通過如在本實施例中所述地進行逐步 取消，可避免這種情形，也可避免由於出現故障引起的運行中的突然 變化。應當注意，圖2示出了在時刻t2之後逐步取消電能限制的情形， 但是該過程僅僅是個例子，因此該取消可不逐步地執行，從而顯示為 例如直線或曲線的上升斜率。其要點在於，如果通過不是立即而是逐 漸地恢復電能則可防止急劇變化，那麼就不會破壞乘坐舒適性等。
另外，在本實施例中，在如上述取消關閉的同時，判定是否不再 出現故障(步驟S9)。在故障再次出現的情況下，步驟前進到步驟Sll(見 圖2)。如果故障未出現，判定是否完全取消了電能限制(步驟SIO)，如 果取消未完成，那麼步驟返回到步驟S8，以進一步取消限制。另一方面，如果在步驟S10中判定完全取消了電能限制(步驟S10
中為是)，那麼結束用於出現故障的一系列過程(步驟S12)。具體地，由 於時刻t2之後的電能限制的逐步取消，當電能達到上限(這裡的上限設 定為比出現故障之前所獲得的值低AP的值)時，限制完全取消，並且 可判定電壓轉換器14已經恢復到正常狀態。
根據上述本實施例的控制方法，例如，在諸如電壓轉換器14的電 壓轉換器中出現暫時異常的情況下，尋求正常恢復的可能性，如果可 能，可恢復電壓轉換器。根據該方式，當出現暫時異常時，能夠盡可 能地防止燃料電池系統1的驅動力不足。此外，僅由於電壓轉換器中 出現的異常(故障)不會停止該系統(或者燃料電池混合動力車輛不會停 止)，因此可根據環境繼續電壓轉換器的運行。另外，當異常不是暫時 性的時候(或藉助於燃料電池2實施漂移運行)，停止該系統，由於其可 防止驅動力的不足，同時確保安全性和可靠性，並且可提高驅動效率， 所以該實施例可適當地稱為所謂的故障安全技術。
應當注意，上述實施例只是本發明優選實施方式的一個例子，而 本發明不限於該實施例，在不脫離本發明實質的情況下可以多種方式 進行修改。例如，可向本實施例的控制方法添加再生禁止指令。具體 地，如果在故障出現的時刻和開始恢復控制的時刻(時刻tl)，實施燃料 電池系統1中的禁止或降低電能再生的控制，那麼在電壓轉換器暫時 停止的同時，可防止驅動力不足。這種方式的具體實例如下(見圖4)。
首先，當出現故障時，開始控制，以將電壓轉換器14恢復到正常 狀態(步驟S21)。這裡，當電壓轉換器14中出現故障時(步驟S22)，電 壓轉換器14停止一次，然後關閉(步驟S23)。例如，在圖3中，如果 在時刻tl時，電壓轉換器14中出現故障，那麼電壓轉換器14達到暫 時停止狀態。但是，在這種情形下，燃料電池2本身並不停止，藉助 於燃料電池2產生的電能來繼續燃料電池系統1的運行。這裡，當考慮可在燃料電池系統1中供給的電能時，由燃料電池2產生的電能與 從高電壓電池(二次電池)15供給的電能之和在時刻tl之前能被供給的 狀態變為由於出現故障(時刻tl)而電壓轉換器14暫時關閉的狀態。因
此，得到僅能供給燃料電池2的電能的狀態(見圖3)。
另外，限制通過電壓轉換器14的電能(步驟S24)。這樣，電壓轉 換器14處於暫時停止狀態，且加入控制使得能預先限制通過電壓轉換 器14的電能。這裡應當注意，在電壓轉換器14關閉之後立即限制通 過的電能(步驟S23，步驟S24)，但是提供限制的時間不限於該方式， 因此只需至少在取消關閉之前提供限制。
此外，在本實施例中，禁止牽引電機(TRC電機8)的再生運行(步 驟S25)。應當注意，圖4示出了在步驟S24之後實施步驟S25的流程 圖，但是實際上，可在限制通過的電能(步驟S24)的同時實施牽引電機 8的再生運行的禁止。
然後，判定電壓轉換器14是否恢復到正常狀態(步驟S26)。在電 壓轉換器14恢復到正常狀態的情況下，步驟前進到步驟S28。另一方 面，如果電壓轉換器14未恢復到正常狀態(步驟S26中為否)，那麼判 定電壓轉換器14中已經出現的故障是否持續一定的時間段(步驟S27)。 如果故障未持續(換句話說，如果自出現故障以來還未經過一定的時間 段)，那麼步驟返回到步驟S26，並再次判定電壓轉換器14是否恢復到 正常狀態。同時，如果故障持續了一定的時間段，那麼判定該故障不 是暫時的，且燃料電池系統1停止或在電壓轉換器14停止的同時行駛 繼續(步驟S36)。
在電壓轉換器14恢復到正常狀態的情況下，在步驟S28中取消關 閉。這裡，可通過取消其停止狀態來驅動電壓轉換器14(步驟S28)。
另外，在本實施例中，判定在該時刻的燃料電池2的電壓值(電壓當前值)是否等於電壓轉換器14的電壓指令值(步驟S29)。如果這些值 彼此相等，那麼步驟前進到步驟S30。響應於電壓值(電壓當前值)等於 電壓指令值的結果，在步驟S30中取消牽引電機8的再生禁止(見圖4)。 另外，逐步取消電壓轉換器14的電能限制(步驟S31)。
此外，在如上所述取消關閉的同時，判定是否不再出現故障(步驟 S32)。在再次出現故障的情況下，步驟前進到步驟S34(見圖4)。如果 故障未出現，則判定是否完全取消了電能限制(步驟S33)，且如果取消 未完成，那麼步驟返回到步驟S31，以進一步取消限制。
另一方面，如果在步驟S33中判定完全取消了電能限制，那麼結 束用於出現故障的一系列過程(步驟S35)。具體地，由於時刻t2之後的 電能限制的逐步取消，當電能達到上限(這裡的上限設定為比出現故障 之前所獲得的值低AP的值)時，限制完全取消，並且可確定電壓轉換 器14已經恢復到正常狀態。
根據本發明，即使當電壓轉換器(例如，電壓轉換器14)中出現暫 時異常時，由於在出現暫時異常之後尋求恢復，所以也能使驅動力的 不足最小化。
因此，本發明可廣泛地應用在燃料電池系統和其控制方法中，例 如，用作燃料電池混合動力車輛等的車載發電系統。
權利要求
1. 一種燃料電池系統，其中蓄電裝置與燃料電池通過電壓轉換器彼此並聯，所述燃料電池系統包括用於當所述電壓轉換器中出現異常時停止所述電壓轉換器的裝置；用於在停止所述電壓轉換器之後嘗試將所述電壓轉換器恢復到正常狀態的裝置；以及用於直到所述電壓轉換器恢復到所述正常狀態為止至少在所述燃料電池中產生驅動力的裝置。
2. —種燃料電池系統的控制方法，在所述燃料電池系統中蓄電裝 置與燃料電池通過電壓轉換器彼此並聯，其中在所述電壓轉換器中出現異常的情況下，停止所述電壓轉換 器，在停止所述電壓轉換器之後嘗試將所述電壓轉換器恢復到正常狀 態，並且直到所述電壓轉換器恢復到所述正常狀態為止至少在所述燃 料電池中產生驅動力。
3. 如權利要求2所述的燃料電池系統的控制方法，其中，至少直到所述電壓轉換器開始恢復到所述正常狀態為止， 對能夠通過所述電壓轉換器的電能值設定限制。
4. 如權利要求3所述的燃料電池系統的控制方法， 其中當所述電壓轉換器恢復到所述正常狀態時能產生的電能的上限設定為比在出現所述異常之前產生的電能的上限低的值。
5. 如權利要求3或4所述的燃料電池系統的控制方法， 其中當使所述電壓轉換器恢復到所述正常狀態時，逐步取消所述限制。
6. 如權利要求2至5中任一項所述的燃料電池系統的控制方法，其中當所述電壓轉換器處於所述異常狀態時，響應於所述燃料電 池的輸出請求，通過執行與當所述電壓轉換器處於所述正常狀態時執 行的運行不同的運行來獲得所述燃料電池的輸出。
7. —種燃料系統，包括用於實施如權利要求2至6中任一項所述 的控制方法的控制裝置。
全文摘要
本發明試圖在電壓轉換器中出現暫時異常時恢復電壓轉換器，並使驅動力的不足最小化。在包括設有電壓轉換器(14)的蓄電裝置(15)的燃料電池系統(1)中，在電壓轉換器(14)中出現異常的情況下，停止電壓轉換器(14)一次，在停止電壓轉換器(14)之後嘗試將電壓轉換器(14)恢復到正常狀態，並且直到電壓轉換器(14)恢復到正常狀態為止至少在燃料電池(2)中產生驅動力。優選地，當電壓轉換器(14)恢復到正常狀態時能產生的電能的上限設定為比在出現異常之前獲得的電能的上限低的值。另外，優選地，當將電壓轉換器(14)恢復到正常狀態時，逐步取消該限制。
文檔編號H01M8/04GK101305490SQ20068004188
公開日2008年11月12日 申請日期2006年10月23日 優先權日2005年11月9日
發明者麻生真司 申請人:豐田自動車株式會社