CN100454637C - 氢驱动动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氢驱动动力系统。该氢驱动动力系统的一种形式是设置有从燃料供给箱(24)给燃料电池(22)供应气体燃料的供给系统的燃料电池系统(20)，其特征在于，泵(32)设在该供给系统内，该泵由无传感器电动机(34)驱动，该无传感器电动机不具有用以检测该电动机(34)的至少转动位置的传感器。

Description

氢驱动动力系统
技术领域
本发明涉及一种氢驱动动力系统，更具体地说，涉及这样一种氢驱动动力系统，它利用供给系统从燃料供给箱(供给罐)给该氢驱动动力系统供应气体燃料。
背景技术
作为一种氢驱动动力系统，已经提出的技术是在燃料电池系统中，既经由氢气循环通路使从燃料供给系统供应给燃料电池的氢循环，又经由氧化剂循环通路使从氧化剂供给系统供应给燃料电池的氧循环(JP-A-7-240220)。此系统旨在通过利用该循环通路使在该燃料电池内没有消耗的氢和氧循环来提高从该燃料供给系统和氧化剂供给系统供应的氢和氧的利用率。
这种氢驱动动力系统采用由电动机驱动的循环泵来循环氢和氧。转动位置传感器如解算器通常用在电动机的驱动控制中以准确检测电动机的转动位置。但是，当转动位置传感器用于与氢循环泵一起使用的电动机的驱动控制时，该传感器会由于氢脆等而恶化，使得其不能控制该电动机的驱动，这会影响该系统的操作。
发明内容
本发明的氢驱动动力系统的一个目的是防止由于传感器恶化而影响该系统的操作。本发明的氢驱动动力系统的另一目的是判定供给和循环系统中是否存在异常。本发明的氢驱动动力系统的再一目的是在系统启动时迅速检查异常。
为实现至少一些以上目的，本发明的氢驱动动力系统采用以下装置。
根据本发明的氢驱动动力系统采用从燃料供给箱给燃料电池供应气体燃料的供给系统。该系统的特征在于该供给系统采用由无传感器电动机驱的泵，该无传感器电动机不具有用以检测该电动机的至少转动位置的传感器。
因为该泵由根据本发明的氢驱动动力系统内的无传感器电动机驱动，可防止该传感器由于氢脆恶化而干扰该系统的操作。
在本发明的氢驱动动力系统内，供给系统通过经由循环通路使气体燃料循环来从燃料供给箱给燃料电池供应该气体燃料。该泵还可以是使气体燃料在循环通路内循环的泵。
此外，本发明的氢驱动动力系统还可设置有用于检测与该电动机的驱动相关的多种不同类型异常的异常检测装置；以及用于当在给出启动该电动机的指令之后到已经过预定时间段为止已经由异常检测装置检测到无论何种类型的异常预定次数时判定该供给系统中发生异常的异常判定装置。因此，可基于在系统启动过程中与电动机驱动相关的异常迅速检测供给系统中的异常。氢驱动动力系统在检测异常预定次数之后再作出发生异常的判定的理由是为了判定该异常是在电动机内还是在供给系统内，以及尽可能减少错误判定。因此，该预定次数可以是任何次数，只要其至少为二。
在本发明的可基于与电动机驱动相关的异常判定供给系统内的异常的氢驱动动力系统内，供给系统还可设置有安装在泵的输出侧上的止回阀，异常判定装置判定该止回阀的粘结(卡住，阻滞)为该供给系统中的异常。本发明的这种氢驱动动力系统还可设置有用于检测外部气温的外部气温检测装置，所述异常判定装置基于由该外部气温检测装置检测的外部气温判定止回阀是否粘结。此外，该氢驱动动力系统可设置有用于检测该泵的输出侧上的压力的压力检测装置，所述异常判定装置基于由该压力检测装置检测的压力判定止回阀是否粘结。按照这些方式通过基于外部气温和压力判定异常，可以相当高的准确度检测止回阀是否粘结。
此外，本发明的可基于与电动机驱动相关的异常判定供给系统内的异常的氢驱动动力系统还可设置有用于在已经由异常判定装置判定该止回阀中存在异常时停止所述系统的系统停止装置。因此，可基于迅速检测到的供给系统内的异常及早停止该系统。
此外，本发明的可基于与电动机驱动相关的异常判定供给系统内的异常的氢驱动动力系统还可设置有用于在已经由异常检测装置检测到异常时指示系统重启，直到由异常判定装置判定该供给系统中存在异常的重启指示装置。因此，可尽可能减少系统由于错误判定而被停止的情况。
本发明的氢驱动动力系统还可设置有用于检测与电动机的驱动相关的多种不同类型异常的异常检测装置；以及用于在已经由该异常检测装置在预定时间段内检测到无论何种类型的异常预定次数时停止该系统的系统停止装置。因此，可在异常发生时迅速停止该系统。氢驱动动力系统在检测异常预定次数之后再作出发生异常的判定的理由是为了尽可能减少该系统由于错误判定而被停止的情况。因此，该预定次数可以是任何次数，只要其至少为二。本发明的氢驱动动力系统还可设置有用于在已经由异常检测装置检测到异常时指示该系统重启，直到系统停止装置停止该系统的重启指示装置。因此，能够尽可能减少该系统由于错误判定而被停止的情况。
在本发明的可基于与电动机驱动相关的异常判定供给系统内的异常或者可基于与该电动机驱动相关的异常停止该系统的氢驱动动力系统中，异常检测装置检测电动机内的过电流异常、电动机中的元件内的短路电流异常以及电动机内的锁止异常(lock abnormality)中的至少一种异常，作为所述多种异常中的一种异常。
附图说明
图1是示意性示出根据本发明一个示例性实施例的燃料电池系统20的构造的结构图；
图2是示出启动时由ECU50在启动期间执行的程序的一个例子的流程图；
图3是示意性示出作为燃料电池系统20的修正例的燃料电池系统20B的构造的结构图；以及
图4是示出在启动期间执行的程序的修正例的一个例子的流程图。
具体实施方式
接着，将描述本发明的示例性实施例。图1是示意性示出根据本发明一个示例性实施例的燃料电池系统20的构造的结构图。如图所示，此示例性实施例中的燃料电池系统20设置有利用在循环通路30内循环的氢气与所供给空气中的氧气之间的电化学反应来发电的燃料电池22。燃料电池系统20还设置有给循环通路30供应氢气的氢气箱(氢气罐)和控制整个系统的电子控制单元(以下简称为“ECU”)50。燃料电池系统20还设置有其它装置，例如，给燃料电池22供应空气的鼓风机、给该空气和氢气增湿的增湿器、使燃料电池22冷却的冷却系统、以及将燃料电池22产生的电力转换为预期电压的直流/直流转换器。但由于这些装置不是本发明的核心，所以省略对它们的详细说明和图示。
在循环通路30内，设置有给从燃料电池22排出的未反应氢气加压的泵32以及位于该泵32的输出侧上且阻止加压氢气回流的止回阀36。泵32由不具有用于检测该电动机的转动位置的传感器如解算器的无传感器电动机34驱动。来自直流电源40的直流电经由逆变器(变换器)42转换为三相交流电并供应给电动机34。电动机34不具有传感器的原因是为了防止由于氢脆导致传感器恶化而不能控制该电动机34的驱动。此示例性实施例中采用的直流电源40利用电压由直流/直流转换器调节的燃料电池22生成的电力、或者由一系统如采用所调节电流充电的二次电池中的燃料电池22生成的电力。
ECU50被构造为微处理器，其主要部件是CPU52。除了CPU52外，ECU50还设置有储存程序的ROM54、暂时储存数据的RAM56、以及未示出的输入/输出口。各种信号经由该输入口输入给ECU50，例如，来自IPM传感器(智能电源单元传感器)60的信号和来自电流传感器62和64的表示相电流Iu和Iv的信号，其中IPM传感器60设在从直流电源40向逆变器42供应电力的电力线上并检测元件内的短路电流，该电流传感器62和64设在连接逆变器42与电动机34的三相电力线的u相和v相上。此外，各种信号经由输出口从ECU50输出，例如，提供给设在从氢气箱24向循环通路30供应氢气的供给管道内的调节阀26的驱动信号，以及提供给逆变器42的切换控制信号。供应给电动机34的相电流总量(Iu+Iv+Iw)为0，因此通过检测作为相电流的u相电流Iu和v相电流Iv，能够经由计算获得w相电流Iw。
接着，将描述具有上述构造的燃料电池系统20的操作，更具体地说，燃料电池系统20在启动期间检测氢气循环系统内的异常的操作，以及燃料电池系统20在已检测到异常时的操作。图2是示出在已给出启动指令时由ECU50执行的循环系统启动程序的一个例子的流程图。在执行此程序时，ECU50的CPU52首先读取由电流传感器62和64检测的表示相电流Iu和Iv的信号以及来自IPM传感器60的信号(步骤S100)。然后执行检查，以基于所读取的相电流Iu和Iv检测过电流异常和锁止异常以及基于所读取的IPM信号检测元件中的短路电流异常(即，IPM异常)(步骤S110)。过电流异常可利用如基于相电流Iu和Iv和由这些相电流Iu和Iv算出的相电流Iw判定供应给电动机34的有效电流是否比额定值大一预定值的方法来检测。锁止异常可由随着时间从启动起经过而假定的电动机34的速度与基于相电流Iu和Iv的变化所估算的电动机34的速度之间的差异来检测。IPM异常可直接由来自IPM传感器60的信号检测。
当由过电流异常、锁止异常及IPM异常的检测结果(步骤S120)判定这些异常中一个也没有发生时，就判定从给出系统启动指令起是否已经过预定时间段(步骤S130)。若还未经过该预定时间段，流程返回到步骤S100，并重复对过电流异常、锁止异常和IPM异常的检查。若已经过该预定时间段，则判定该循环系统的启动完成且该程序结束。在此例中该预定时间段被设定为重启系统预定次数并检查是否发生过电流异常、锁止异常或IPM异常(例如，2或3次)所花费的时间加上初始系统启动和检查的时间(即，预定次数+1)。随后将更详细地说明此预定次数。
另一方面，当由过电流异常、锁止异常或IPM异常的检测结果(步骤S120)判定这些异常中的任何一种异常发生时，就将异常检测次数N增加值1并判断该异常检测次数N是否等于或大于阀值Nref(步骤S150)。若异常检测次数N小于阀值Nref，就重启该系统(步骤S160)且流程返回到步骤S100。若异常检测次数N等于或大于阀值Nref，就停止该系统(步骤S170)且该程序结束。这里，异常检测次数在系统启动时被初始设定为值0，且阀值Nref被设定为比在设定上述预定时间段时采用的系统重启预定次数大或小的值。例如，当将该预定时间段设定为检查是否发生过电流异常、锁止异常或IPM异常三次(即，一次在初始启动过程中，两次在重启该系统时)所花费的时间时，阀值Nref被设定为值2或3。考虑到阀值Nref与预定时间段之间的关系，以及当检测到过电流异常、锁止异常和IPM异常中任何一种异常时在步骤S160重启该系统这个事实，从给出启动该系统的指令到已经过预定时间段，若每次重启该系统都检测到前述任一异常，则异常检测次数N将成为等于或大于阀值Nref的值。
现在考虑止回阀36出于某种原因粘结例如冻结使得氢气不能像应该的那样经由泵32在循环通路30内循环而导致循环系统出现异常的情况。在这种情况中，当在重启该系统时驱动电动机34且泵32试图使从燃料电池22排出的未反应氢气循环时，泵32的输出侧的压力由于止回阀36粘结这个事实而增大，从而出现在驱动电动机34时泵32只能以低于通常假定速度的速度转动或者其根本不转动的情况。在这种情况中，任意判定电动机34中已经发生过电流异常、锁止异常或IPM异常中的一种异常。因此，当在系统启动时判定已经发生与电动机34的驱动相关的过电流异常、锁止异常或IPM异常中的一种异常时，就可以推定氢气循环系统中发生异常。在此示例性实施例中，通过在系统重启时多次检查与电动机34的驱动相关的异常，能尽可能减少由于干扰导致的错误判定，从而提高异常判定的准确性。若在预定时间段内异常检测次数等于阀值Nref，就判定氢气循环系统中存在异常并停止该系统。通常，基于预定次数(例如，3次)的异常检测作出已经发生异常的判定，以防止由于干扰等导致错误判定。当就多种异常作出判定时，基于对任一种异常的预定次数的异常检测作出已经发生异常的判定。当止回阀36粘结时，任意判定已发生与电动机34的驱动相关的过电流异常、锁止异常或IPM异常中的一种异常。因此，当采用基于对任一种异常进行三次异常检测的判定方法时，若异常以相等的频率出现则有必要启动该系统七次，还需要系统启动过程中进行异常检查的时间。另一方面，在此示例性实施例中，由于当基于三次异常检测判定氢气循环系统已经发生异常时就停止该系统，而不管全部三次异常检测中是否检测到同一异常，所以该系统仅需要重启两次。即，根据该示例性实施例，可缩短启动过程中对异常进行检查所需要的时间。
根据上述示例性实施例，由于用以驱动燃料电池系统20内的氢气循环系统用泵32的电动机34是元传感器的，可防止传感器由于氢脆恶化而导致电动机34的驱动控制出现故障。结果，该系统的稳定性和耐用性提高。
此外，对于根据此示例性实施例的燃料电池系统20，当在系统启动时对与电动机34驱动相关的异常例如过电流异常、锁止异常或IPM异常执行检查的过程中检测到任一异常时，在重启预定次数之后，当基于所进行的异常检测的次数判定氢气循环系统已经发生异常时就停止该系统。因此，由于可以在启动时迅速地完成异常检查，燃料电池系统20非常适于用在车辆内。
对于根据此示例性实施例的燃料电池系统20，对与电动机34驱动相关的异常例如过电流异常、锁止异常或IPM异常执行检查。若检测到异常，就重启该系统。若该系统重启预定次数，就判定氢气循环系统中已经发生异常。但是，或者，当进行了预定次数的异常检测且所有这些检测是针对同一异常时，可判定已经发生与电动机34的驱动相关的异常，当进行了预定次数的异常检测且所有这些检测不是针对同一异常时，可判定氢气循环系统中已经发生异常。此外，如示出在图3中的作为燃料电池系统20的修正例的燃料电池系统20B所示，压力计66可设在泵32的输出侧上的循环通路30内，以及当已检测到异常预定次数时，可基于由压力计66检测到的压力P判定是与电动机34的驱动相关的异常还是氢气循环系统中的异常。在这种情况中，若在已检测到异常预定次数时压力P小于阀值Pref，该阀值Pref被设定为比在氢气循环系统内无异常时假定的压力大的值，可判定是与电动机34的驱动相关的异常，并且若该压力P等于或大于阀值Pref，可判定是由于止回阀36粘结而导致的氢气循环系统中的异常。同时，如示出在图3中的修正燃料电池系统20B所示，外部气温传感器68可设在该系统内，以及当已检测到异常预定次数时，可基于由外部气温传感器68检测到的外部气温T判定是与电动机34的驱动相关的异常还是氢气循环系统中的异常。在这种情况中，若在已检测到异常预定次数时外部气温T等于或低于预定温度Tref，该预定温度Tref被设定为比止回阀36冻结时假定的温度低的温度，可判定是由于止回阀36冻结发生粘结而导致的氢气循环系统中的异常，以及若该外部气温T高于该预定温度Tref，可判定是由于除冻结以外的其它原因导致的氢气循环系统中的异常或者是与电动机34的驱动相关的异常。当考虑循环通路30内、泵32的输出侧上的压力P或者外部气温T进行异常判定时，可执行图4所示启动程序以替换图2所示启动程序。在图4所示启动程序中，当异常检测次数N等于或大于阀值Nref且外部气温T等于或低于预定温度Tref时(步骤S270)，或者该外部气温T高于预定温度Tref但循环通路30内、泵32的输出侧上的压力P等于或大于阀值Pref时(步骤S280)，判定是由于止回阀36粘结而导致的氢气循环系统中的异常(步骤S290)并停止该系统(步骤S310)。当外部气温T高于预定温度Tref且循环通路30内、泵32的输出侧上的压力P小于阀值Pref时，判定是与电动机的驱动相关的异常(步骤S300)并停止该系统(步骤S310)。因此，可判定一种异常是氢气循环系统中的异常还是与电动机34的驱动相关的异常，便于对该异常作出适当回应。
根据本示例性实施例的燃料电池系统20判定作为与电动机34的驱动相关的异常的过电流异常、锁止异常和IPM异常。燃料电池系统20也可判断其它异常，只要它们与电动机34的驱动相关并且是由于氢气循环系统中的异常而发生的。还可使燃料电池系统20仅检查过电流异常、锁止异常和IPM异常中的一种或两种异常。
根据本示例性实施例的燃料电池系统20用于氢气循环系统中的异常。或者，设置有将作为氧化剂的纯氧循环给燃料电池22的氧气循环系统的系统还能用于氧气循环异常。此外，尽管根据本示例性实施例的燃料电池系统20用于氢气循环系统中的异常，但其还可用于氢气供给系统中的异常。
在上述示例性实施例中，根据本发明的氢驱动动力系统用于燃料电池系统，但只要本发明的氢驱动动力源利用氢气产生动力，其不限于燃料电池系统，例如可以是氢发动机。
尽管这里已参照特定实施例对本发明进行了描述，但对本领域技术人员而言许多修正和变型都是显而易见的。相应地，所有这些修正和变型都包括在本发明的范围内。

Claims (13)

1、一种氢驱动动力系统，它设置有从燃料供给箱(24)向氢驱动动力源供应气体燃料的供给系统，其特征在于，所述氢驱动动力系统包括：
设置在所述供给系统内的由无传感器电动机(34)驱动的泵(32)，所述无传感器电动机不具有用于检测所述电动机(34)的至少转动位置的传感器，
用于检测与驱动所述电动机(34)相关的多种不同类型异常的异常检测装置(60，62，64)；以及
用于当在给出启动所述电动机(34)的指令之后到已经过预定时间段为止已经由所述异常检测装置(60，62，64)检测到无论何种类型的异常预定次数时判定所述供给系统中发生异常的异常判定装置(52)。
2、根据权利要求1所述的氢驱动动力系统，其特征在于，所述供给系统经由循环通路(30)使从所述燃料供给箱(24)供应到所述氢驱动动力源的气体燃料循环，以便将气体燃料供应到所述氢驱动动力源，并且所述泵(32)使气体燃料在所述循环通路(30)内循环。
3、根据权利要求1所述的氢驱动动力系统，其特征在于，所述供给系统设置有安装在所述泵(32)的输出侧上的止回阀(36)，所述异常判定装置(52)判定所述止回阀(36)的粘结为所述供给系统中的异常。
4、根据权利要求3所述的氢驱动动力系统，其特征在于，它还设置有用于检测外部气温的外部气温检测装置(68)，所述异常判定装置(52)基于由所述外部气温检测装置(68)检测的外部气温判定所述止回阀(36)是否粘结。
5、根据权利要求3所述的氢驱动动力系统，其特征在于，它还设置有用于检测所述泵(32)的输出侧上的压力的压力检测装置(66)，所述异常判定装置(52)基于由所述压力检测装置(66)检测的压力判定所述止回阀(36)是否粘结。
6、根据权利要求1所述的氢驱动动力系统，其特征在于，它还包括：
用于在已经由所述异常判定装置(52)判定所述止回阀(36)中存在异常时停止所述氢驱动动力系统的系统停止装置。
7、根据权利要求1所述的氢驱动动力系统，其特征在于，它还包括：
重启指示装置，该重启指示装置用于在已经由所述异常检测装置(60，62，64)检测到异常时指示所述氢驱动动力系统重启，直到由所述异常判定装置(52)判定所述供给系统中存在异常。
8、根据权利要求1或2所述的氢驱动动力系统，其特征在于，它还包括：
用于在已经由所述异常检测装置(60，62，64)在预定时间段内检测到无论何种类型的异常预定次数时停止所述氢驱动动力系统的系统停止装置。
9、根据权利要求8所述的氢驱动动力系统，其特征在于，它还包括：
重启指示装置，该重启指示装置用于在已经由所述异常检测装置(60，62，64)检测到异常时指示所述氢驱动动力系统重启，直到由所述系统停止装置停止所述氢驱动动力系统。
10、根据权利要求1所述的氢驱动动力系统，其特征在于，所述异常检测装置(60，62，64)检测所述电动机(34)内的过电流异常、所述电动机(34)中的元件内的短路电流异常以及所述电动机(34)内的锁止异常中的至少一种异常，作为所述多种不同类型异常中的一种异常。
11、根据权利要求1或2所述的氢驱动动力系统，其特征在于，所述氢驱动动力源是燃料电池(22)。
12、根据权利要求1或2所述的氢驱动动力系统，其特征在于，所述氢驱动动力系统是氢发动机。
13、根据权利要求8所述的氢驱动动力系统，其特征在于，所述异常检测装置(60，62，64)检测所述电动机(34)内的过电流异常、所述电动机(34)中的元件内的短路电流异常以及所述电动机(34)内的锁止异常中的至少一种异常，作为所述多种不同类型异常中的一种异常。
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