CN100548738C - 混合动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合动力系统。本发明的混合动力系统(10)包括在供给有反应气体时发电的燃料电池单元(20)，存储由燃料电池单元(20)产生的电力的二次电池(40)，以及控制从燃料电池单元(20)和二次电池(40)供给到电力负荷(M1，M2)的电力的分配的电力控制装置(30)。二次电池(40)具有至少在燃料电池单元(20)从暂停工作状态重新起动后的初期阶段能够供给电力负荷(M1，M2)的要求电力量的容量特性。

Description

混合动力系统
技术领域
本发明涉及一种安装有燃料电池单元和蓄电装置的混合动力系统。本发明尤其涉及一种容量特性符合车辆特性的蓄电装置的安装设计技术。
背景技术
一种已知的安装在燃料电池电动车上的电力源为混合动力系统，该混合动力系统中安装有重整器(reformer)、燃料电池单元以及蓄电池。这种混合动力系统在例如日本专利申请未审定公开No.2000-315511(JP-A-2000-315511)中公开了。在该专利申请所公开的结构中，根据驾驶员的加速操作，电力从燃料电池单元或蓄电池通过电力调整器分配至车辆驱动牵引马达、燃料电池单元的辅机以及重整器。设置在车辆中的蓄电池的容量设定为这样一个值，即，当系统起动时，在直到重整器充分暖机并能够稳定地向燃料电池单元供给重整气期间，该值仅允许从蓄电池向牵引马达和燃料电池单元的辅机供给电力。
在具有这种混合动力系统的燃料电池电动车中，在间歇工作模式期间检测到高负荷请求时燃料电池单元的响应延迟(在稳定的发电性能之前的时间延迟)成为问题。间歇工作模式是指在低负荷情况下，例如，在怠速或减速等过程中，燃料电池单元的工作暂时停止，并且仅基于从蓄电池供给的电力驱动车辆的工作模式。如果燃料电池单元的间歇工作持续时间(工作暂停的持续时间)变长，则燃料电池单元的I-V特性(电流-电压特性)可能会比在燃料电池单元暂停之前的I-V特性恶化。燃料电池单元的I-V特性根据电池温度、反应气体的流动、气体压力以及湿度不断波动，并且也会随着由含水率的变化引起的聚合物电解质膜内阻的波动以及电池工作的状态(过度状态，稳定状态等)而显著波动。一旦I-V特性恶化，响应于高负荷请求的燃料电池单元的重新起动不能立即获得充分的电池电压恢复；具体地，需要约1到2秒的时间才能恢复到充足的电压。除了燃料电池单元的响应延迟之外，包括其辅机的整个燃料电池系统的响应延迟辅机都不可忽视。如果燃料电池单元的响应延迟变得等于或大于200ms，则驾驶性显著降低。因此，对于燃料电池单元的响应延迟的改进技术的发展有强烈的需求。
还有另外一个问题需要解决。如果设置在燃料电池电动车中的蓄电池的容量不够，则不能够处理高负荷请求。另一方面，提供过大的蓄电池容量是一种资源浪费。因此，有必要考察安装设计，以便选择符合车辆特性的蓄电池。
发明内容
本发明的目的是提供一种既能够获得改进的燃料经济性又能够获得更好的驾驶性的混合动力系统。
本发明的第一方面涉及一种混合动力系统，该系统包括：在供给有反应气体时发电的燃料电池单元；存储由所述燃料电池单元产生的电力的蓄电装置；电力负荷；以及控制从所述燃料电池单元和所述蓄电装置供给到所述电力负荷的电力的分配的电力控制装置。所述蓄电装置具有至少在所述燃料电池单元从暂停工作状态重新起动后的初期阶段能够供给所述电力负荷的要求电力量的容量特性。通过安装具有至少在燃料电池单元从暂停工作状态重新起动后的初期阶段能够供给电力负荷的要求电力量的容量特性的蓄电装置，使得能够在燃料电池单元重新起动后吸收燃料电池单元的响应延迟。因此，不必对燃料电池单元暂停工作的持续时间提供任何特别的限制，并且能够显著改进燃料经济性。
本发明的第二方面涉及一种混合动力系统，该系统包括：在供给有反应气体时发电的燃料电池单元；存储由所述燃料电池单元产生的电力的蓄电装置；电力负荷；控制从所述燃料电池单元和所述蓄电装置供给到所述电力负荷的电力的分配的电力控制装置：以及控制所述燃料电池单元的工作的控制部。当在所述燃料电池单元暂停工作期间检测到高于预定值的要求电力量时，所述控制部执行使得所述燃料电池单元重新起动的操作控制，并控制所述电力控制装置以使得至少在所述燃料电池单元重新起动开始后的初期阶段仅由所述蓄电装置向所述电力负荷供给所述要求电力量。由于在上述结构中，在燃料电池单元响应于在低负荷情况下燃料电池单元暂停工作期间检测到高负荷请求(即，要求电力量高于预定值的负荷请求)而重新启动开始后的初期阶段仅由蓄电装置向电力负荷供给要求电力量，使得能够吸收燃料电池单元的响应延迟。因此，不必对燃料电池单元暂停工作的持续时间提供任何特别的限制，并且能够显著改进燃料经济性。顺便提及，前面提及的预定值为需要燃料电池单元重新起动的要求电力量。
所述蓄电装置可以具有至少在所述燃料电池单元重新起动后的初期阶段能够向所述电力负荷供给所述电力负荷的最大消耗电力的容量特性。该结构使得能够在燃料电池单元开始重新起动后立即供给电力负荷可能要求的最大要求电力。
所述电力负荷的示例包括车辆驱动牵引马达，以及所述燃料电池单元的辅机等。如果在燃料电池电动车中还安装有具有能够提供考虑到辅机的电力消耗量的系统的要求电力的容量特性(即，符合车辆特性的容量特性)的蓄电装置，则可实现燃料电池电动车更好的驾驶性。
根据第一方面和第二方面的混合动力系统，燃料电池单元的响应延迟可以通过安装具有在燃料电池单元从暂停工作状态重新起动开始后的初期阶段能够供给电力负荷的要求电力量的容量特性的蓄电装置而被吸收。因此，不必对燃料电池单元暂停工作的持续时间提供任何特别的限制，并且能够显著改进燃料经济性。此外，通过在燃料电池电动车中安装具有符合车辆特性的容量特性的蓄电装置，可以获得更好的驾驶性。
本发明的第三方面涉及一种用于混合动力系统的控制方法，所述混合动力系统具有在供给有反应气体时发电的燃料电池单元、存储由所述燃料电池单元产生的电力的蓄电装置、以及电力负荷，并从所述燃料电池单元和所述蓄电装置供给电力。该方法包括以下步骤：在所述燃料电池单元暂停工作期间判断所述电力负荷的要求电力量是否高于预定值；如果判定所述电力负荷的要求电力量高于所述预定值，则执行使得所述燃料电池单元重新起动的操作控制；以及至少在所述燃料电池单元重新起动开始后的初期阶段仅由所述蓄电装置向所述电力负荷供给所述要求电力量。
附图说明
从下面参照附图对优选实施例的说明可更清楚地看出本发明的前述及其他目的、特征和优点，其中，相同的数字表示相同的部件，其中：
图1为根据本发明一实施例的混合动力系统的主结构图；
图2示出整个系统的要求电力值对应于加速操作程度的映射值；
图3为示出工作模式转换的图。
具体实施方式
图1为用作燃料电池电动车(FCEV)的电力供给装置的混合动力系统(FCHV系统)的主结构图。
混合动力系统10主要包括在供给有反应气体(燃料气体和氧化气体)时发电的燃料电池单元20，用于向燃料电池单元20供给反应气体的反应气体供给装置21，存储由燃料电池20产生的电力和在车辆制动期间获得的再生能源的二次电池(蓄电装置)40，控制将从燃料电池单元20和二次电池40供给到电力负荷的电力的分配的电力控制装置(电力控制单元)30，以及操作和控制燃料电池单元20的控制部50。
作为电力负荷的示例，仅为了便于说明，图1示出用于驱动车辆的牵引马达(外部负荷)M1和用于致动辅机(如空气压缩机，氢循环泵等)的辅机马达M2。尽管示出二次电池40作为蓄电装置，但也可采用其它装置，如电双层电容器等作为蓄电装置。
电力控制装置30包括将燃料电池单元20产生的直流电转换为交流电(如三相AC电)并将交流电供给到马达(如三相AC马达)M1、M2的逆变器31、32，以及通过调整燃料电池单元20的输出电压控制二次电池40和燃料电池单元20的电力的供给和分配的DC/DC转换器33。逆变器31、32和DC/DC转换器33分别并联到燃料电池单元20的输出端。
控制部50基于通过加速度传感器51和车速传感器52检测到的加速操作程度和车速判定整个系统的要求电力(车辆驱动电力和辅机电力的总和)。然后，控制部50确定燃料电池单元20和二次电池40的输出电力的分配，通过控制反应气体供给装置21来调整供给到燃料电池单元20的反应气体的量以使得由燃料电池单元20产生的电力的量达到目标电力，并通过控制DC/DC转换器33来调整燃料电池单元20的工作点(输出电压，输出电流)。此外，控制部50控制逆变器31以调整牵引马达M1的转速和转矩，从而获得与加速操作程度对应的目标车速。
在高负荷情况下，混合动力系统10操作燃料电池单元20以向电力负荷供给电力。在低负荷情况下(怠速，减速等)，混合动力系统10进入间歇操作模式，在间歇操作模式期间燃料电池单元20暂时停止工作。为了便于说明，燃料电池单元20进行工作时的工作模式被称为“普通工作模式”，从而可以同燃料电池单元20暂停工作时的“间歇工作模式”区别开来。在间歇工作模式中，燃料电池单元20暂停工作的持续时间没有特别的限制；即，如图3所示，燃料电池单元20持续暂停工作直到检测到高负荷请求(即，要求电力量高于预定值的负荷请求)。在检测到高负荷请求的时刻，混合动力系统10从间歇工作模式转变到普通工作模式。如果燃料电池单元20暂停工作一段时间，则燃料电池单元20的I-V特性恶化。从而，如果检测到高负荷请求，则燃料电池单元20恶化的I-V特性不能立即恢复到稳定状态，而是需要一定的时间(如1到2秒)才能恢复。因此，在重新起动燃料电池单元20后的初期阶段，仅使用由二次电池40供给的电力向诸如牵引马达M1、辅机马达M2等的电力负荷供给电力。即，在燃料电池单元20的I-V特性恢复到稳定状态之前的初期阶段(如1到2秒)整个系统所需要的要求电力仅使用来自二次电池40的电力输出供给。通过这种方式，燃料电池单元20的响应延迟被吸收，从而可以获得更好的驾驶性。当燃料电池单元20的工作状态变化到稳定状态时，燃料电池单元20跟随二次电池40供给电力开始供给电力。
为了在燃料电池单元20重新起动后的初期阶段仅使用二次电池40的输出电力来供给全部要求电力，有必要在车辆中安装具有符合车辆特性的容量特性(电池规格)的二次电池40。图2所示为对应于加速操作程度的要求电力的映射值，并且示出车辆驱动电力和辅机电力对应于加速操作程度的增加而单调增加。在如图2所示整个系统的要求电力的最大值为Pmax的情况下，作为容量特性，要求二次电池40具有至少在重新起动燃料电池单元20后的初期阶段(响应时间t[秒])能够输出系统的最大消耗电力Pmax[kW]的放电特性(如Pmax[kW]×t[秒]，或与其等效的电池规格)。这样，通过在车辆中安装具有能够输出系统的最大消耗电力Pmax[kW]的容量特性的二次电池40，使得能够从间歇工作模式变化到普通工作模式后立即用最大功率驱动车辆。
这里术语“车辆特性”是指燃料电池电动车的车重以及最高车速，转矩输出特性，其汽车模型等。对应于加速操作程度的车辆驱动电力和辅机电力根据车辆特性而变化。考虑到辅机电力的系统的要求电力可想到的参数的示例也包括以下参数。
(1)车辆驱动牵引马达M1、逆变器31、32以及DC/DC转换器33的输出，以及辅机中的电力损失。
(2)用于致动燃料电池单元20的辅机(能够通过蓄电池致动的辅机，如空气压缩机、氢循环泵等)的电力，以及辅机中的电力损失。
(3)用于致动其他辅机(能够通过蓄电池致动的辅机，如空调、动力转向装置等)的电力，以及辅机中的电力损失。
(4)供给到用于工作电压低于100V，如电压为12V、24V、42V等的辅机的蓄电池的DC/DC转换器33的输出，以及辅机中的电力损失。
根据该实施例，在燃料电池单元20响应于在低负荷情况下燃料电池单元20暂停工作期间检测到高负荷请求而重新起动后的初期阶段，仅由二次电池40向电力负荷供给电力。该结构使得能够吸收燃料电池单元20的响应延迟。因此，不管燃料电池单元20暂停工作的持续时间的长短，可使用高负荷要求(电力要求)作为用于终止间歇工作模式的条件。因此，不必对燃料电池单元20暂停工作的持续时间提供任何特别的限制，从而可显著改进燃料经济性。此外，与在间歇工作模式期间使燃料电池单元以固定的时间间隔工作以进行短时间的发电从而抑制燃料电池单元20的I-V特性的恶化的系统相比，燃料经济性有了很好的改进。为起动燃料电池单元20而消耗的辅机电力与车辆在平坦路面高速巡航所消耗的电力大致相当。因此，对燃料电池单元20的暂停工作的持续时间不进行限制对改进燃料经济性是有利的。此外，由于在重新起动燃料电池单元开始后的初期阶段可以向电力负荷供给最大电力(电力负荷可能要求的最大要求电力，即，由电力负荷消耗的最大电力)，可以获得更好的驾驶性。更进一步，通过在车辆中安装符合车辆特性的二次电池40，可以实现对燃料电池单元理想的混合控制。
对于二次电池40，优选使用即使SOC(剩余充电量)存在某些程度上的波动仍能够提供上述放电特性的二次电池。如果蓄电池的SOC趋于低，需要优先将电力供给到起动燃料电池单元20所需要的辅机，其余的电力作为车辆驱动电力和其它辅机电力被分配，因此，电力的分配是受限制的。如果燃料电池单元20的工作状态变到稳定状态，则由燃料电池单元20产生的电力分配给二次电池40充电，上述电力分配限制被取消。

Claims (11)

1.一种混合动力系统，该系统包括：
在供给有反应气体时发电的燃料电池单元(20)；
存储由所述燃料电池单元(20)产生的电力的蓄电装置(40)；
电力负荷(M1，M2)；以及
控制从所述燃料电池单元(20)和所述蓄电装置(40)供给到所述电力负荷(M1，M2)的电力的分配的电力控制装置(50)，
其中，所述蓄电装置(40)具有至少在所述燃料电池单元(20)从暂停工作状态重新起动后的初期阶段能够供给所述电力负荷(M1，M2)的要求电力量的容量特性，以及
所述要求电力量包括车辆驱动电力和辅机电力。
2.一种混合动力系统，该系统包括：
在供给有反应气体时发电的燃料电池单元(20)；
存储由所述燃料电池单元(20)产生的电力的蓄电装置(40)；
电力负荷(M1，M2)；
控制从所述燃料电池单元(20)和所述蓄电装置(40)供给到所述电力负荷(M1，M2)的电力的分配的电力控制装置(50)；以及
控制所述燃料电池单元(20)的工作的控制部，
其中，当在所述燃料电池单元(20)暂停工作期间检测到高于预定值的要求电力量时，所述控制部执行使得所述燃料电池单元(20)重新起动的操作控制，并控制所述电力控制装置(50)以使得至少在所述燃料电池单元(20)重新起动开始后的初期阶段仅由所述蓄电装置(40)向所述电力负荷(M1，M2)供给所述要求电力量，以及
所述要求电力量包括车辆驱动电力和辅机电力。
3.根据权利要求1或2所述的混合动力系统，其特征在于，所述蓄电装置(40)具有至少在所述燃料电池单元(20)重新起动后的初期阶段能够向所述电力负荷(M1，M2)供给所述电力负荷(M1，M2)的最大消耗电力的容量特性。
4.根据权利要求1或2所述的混合动力系统，其特征在于，所述电力负荷(M1，M2)包括用于驱动车辆的牵引马达，以及所述燃料电池单元(20)的辅机。
5.根据权利要求1或2所述的混合动力系统，其特征在于，所述重新起动后的初期阶段是从所述燃料电池单元(20)重新起动持续到所述燃料电池单元(20)恢复到稳定状态的I-V特性的阶段。
6.根据权利要求1或2所述的混合动力系统，其特征在于，所述燃料电池单元(20)暂停工作包括在所述燃料电池单元(20)间歇工作状态期间出现的暂停。
7.一种用于混合动力系统的控制方法，所述混合动力系统具有在供给有反应气体时发电的燃料电池单元(20)、存储由所述燃料电池单元(20)产生的电力的蓄电装置(40)、以及电力负荷(M1，M2)，并从所述燃料电池单元(20)和所述蓄电装置(40)向所述电力负荷(M1，M2)供给电力，所述控制方法包括：
在所述燃料电池单元(20)暂停工作期间判断所述电力负荷(M1，M2)的要求电力量是否高于预定值；
如果判定所述电力负荷(M1，M2)的要求电力量高于所述预定值，则执行使得所述燃料电池单元(20)重新起动的操作控制；以及
至少在所述燃料电池单元(20)重新起动开始后的初期阶段仅由所述蓄电装置(40)向所述电力负荷(M1，M2)供给所述要求电力量，
所述要求电力量包括车辆驱动电力和辅机电力。
8.根据权利要求1或2所述的混合动力系统，其特征在于，所述蓄电装置(40)具有符合车辆特性的容量特性。
9.根据权利要求6所述的混合动力系统，其特征在于，所述燃料电池单元(20)在低负荷状态下进行所述间歇工作。
10.根据权利要求1或2所述的混合动力系统，其特征在于，如果所述蓄电装置(40)的SOC趋于低，则进行电力分配限制，使得优先将电力供给到起动所述燃料电池单元(20)所需要的辅机，其余的电力作为所述车辆驱动电力和其它辅机电力被分配。
11.根据权利要求10所述的混合动力系统，其特征在于，如果所述燃料电池单元(20)的工作状态变到稳定状态，则由所述燃料电池单元(20)产生的电力被分配给所述蓄电装置(40)充电，所述电力分配限制被取消。
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