CN101305490A - 具有蓄电装置和电压转换器的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明试图在电压转换器中出现暂时异常时恢复电压转换器，并使驱动力的不足最小化。在包括设有电压转换器(14)的蓄电装置(15)的燃料电池系统(1)中，在电压转换器(14)中出现异常的情况下，停止电压转换器(14)一次，在停止电压转换器(14)之后尝试将电压转换器(14)恢复到正常状态，并且直到电压转换器(14)恢复到正常状态为止至少在燃料电池(2)中产生驱动力。优选地，当电压转换器(14)恢复到正常状态时能产生的电能的上限设定为比在出现异常之前获得的电能的上限低的值。另外，优选地，当将电压转换器(14)恢复到正常状态时，逐步取消该限制。

Description

具有蓄电装置和电压转换器的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及其控制方法。更具体地，本发明涉及在燃料电池系统中的电压转换器中出现任何异常的情况下的控制方法的改进。
背景技术
燃料电池系统中，电池与燃料电池通过电压转换器彼此并联，并且设有燃料电池辅助设备，以进行电压转换器与电池之间的连接，从而即使当电压转换器中出现异常时，也可通过驱动辅助设备来驱动燃料电池(例如，参见日本专利申请特开No.2002-118981)。
但是，在电压转换器功能出现异常的情况下，尽管其异常是暂时的，可能恢复到正常状态，但是如果没有其它选择，仅依赖于燃料电池的驱动的话，那么驱动力会变得不足。
因此，本发明的目的是：提供一种当电压转换器中出现暂时异常时设法恢复电压转换器并使驱动力的不足最小化的燃料电池系统；并提供该燃料电池系统的控制方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的发明人已经进行了各种研究。在现有可移动体(例如，燃料电池混合动力车辆)中，当电压转换器中出现异常(故障)时，车辆立即停止。但是，大多数时候，这种故障实际上是暂时的，因此通常情况是有可能恢复，但是安装有例如燃料电池的可移动体(车辆等)通常停止。考虑到这一点，有时有利的是使可移动体继续行驶，以便恢复到正常状态。本发明的发明人已经基于这一点进行了进一步的研究，并且已经发现可解决这种问题的技术。
本发明基于该发现，且本发明为一种燃料电池系统，其中蓄电装置与燃料电池通过电压转换器彼此并联，所述燃料电池系统包括：用于当所述电压转换器中出现异常时停止所述电压转换器的装置；用于在停止所述电压转换器之后尝试将所述电压转换器恢复到正常状态的装置；以及用于直到所述电压转换器恢复到所述正常状态为止至少在所述燃料电池中产生驱动力的装置。
在根据本发明的燃料电池系统的控制方法中，在蓄电装置与燃料电池通过电压转换器彼此并联的燃料电池系统中，在所述电压转换器中出现异常的情况下，停止所述电压转换器，在停止所述电压转换器之后尝试将所述电压转换器恢复到正常状态，并且直到所述电压转换器恢复到所述正常状态为止至少在所述燃料电池中产生驱动力。
在根据本发明的燃料电池系统及其控制装置中，在所述电压转换器(例如，高电压转换器)出现异常的情况下，整个系统并不立即停止，而是判定是否可能恢复到正常状态，从而寻求恢复的可能性。具体地，首先判定所述电压转换器是否从所述电压转换器暂时停止(关闭)的状态恢复，并且如果可能，使所述电压转换器恢复到正常状态。此外，直到恢复到正常状态为止目标电压转换器处于暂时关闭期间，在所述燃料电池中继续产生驱动力，从而防止所述系统的驱动力不足。
优选地，最迟到所述直流/直流转换器开始恢复到所述正常状态为止，对能够通过所述直流/直流转换器的电能值设定限制。这样，即便推测所述电压转换器达到可恢复到正常状态的状态，也能够使通过所述电压转换器的电能(或可转变的电能)保持受限制。
另外，优选地，当所述直流/直流转换器恢复到所述正常状态时在所述燃料电池系统中能产生的电能的上限设定为比在出现所述异常之前产生的电能的上限低的值。在该情况下，当所述电压转换器从暂时异常状态恢复到正常状态时，能够防止获得的输出的波动。
另外，优选地，当使所述直流/直流转换器恢复到所述正常状态时，逐步取消所述限制。例如，在该燃料电池系统安装在可移动体(例如燃料电池混合动力车辆)中的情况下，通过逐步取消所述限制可防止出现振动或冲击。
优选地，当所述直流/直流转换器处于所述异常状态时，通过执行与当所述直流/直流转换器处于所述正常状态时执行的运行不同的运行来获得所述燃料电池的输出。在这种情况下，不同于正常状态期间的运行包括例如化学计量的改变。
根据本发明的燃料系统包括用于实施上述控制方法的控制装置。
根据本发明，即使在电压转换器中出现暂时异常时，由于寻求出现暂时异常之后的恢复，所以能使驱动力的不足最小化。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的燃料电池系统的示意性结构；
图2为示出本发明实施例中控制内容的流程图；
图3为示出燃料电池系统中电能变化的例子的曲线图；以及
图4为示出本发明其它实施例中控制内容的流程图。
具体实施方式
下文中，基于附图中所示的实施例对本发明的结构进行详细描述。
图1至图3示出了根据本发明的燃料电池系统的实施例。根据本发明的燃料电池系统1中具有通过电压转换器14而彼此并联的蓄电装置15和燃料电池2，并且包括用于在电压转换器14出现异常时停止电压转换器14的装置，用于在电压转换器14停止之后尝试将电压转换器14恢复到正常状态的装置，以及用于在电压转换器14恢复到正常状态之前至少在燃料电池2中产生驱动力的装置。下文中，首先简要描述燃料电池系统1，之后描述出现异常时燃料电池系统1的控制方法的内容(见图1至图3)。
图1示出了根据本实施例的燃料电池系统1的示意性结构。本实施例中所示燃料电池系统1可用作例如燃料电池混合动力车辆(FCHV)的车载发电系统。但是，燃料电池系统1并不限于该应用，因此，燃料电池系统1当然可用作安装在各种可移动体(例如轮船、飞机等)、机器人或其它自驱动机构内的发电系统等。燃料电池堆(未示出)具有通过串联堆叠多个单个电池形成的堆结构，其由例如聚合物电解质燃料电池等组成。
燃料电池2的氧化气体供给系统包括空气压缩机4、内部冷却器3和内部冷却器冷却水泵4(见图1)。空气压缩机5压缩通过空气滤清器(未示出)从外界获取的空气。内部冷却器3冷却被压缩和加热的空气。内部冷却器冷却水泵4循环用于冷却内部冷却器3的冷却水。由空气压缩机5压缩的空气被上述内部冷却器3冷却，其后穿过增湿器17，然后供给到燃料电池2的阴极(空气电极)。在燃料电池2的电池反应中用过之后所得的氧废气流入阴极废气流动通道16，并排到系统的外部。由于该氧废气含有从燃料电池2的电池反应产生的水分，所以处于高湿状态。因此，增湿器17用于在供给前处于低湿状态的氧化气体与处于高湿状态的氧废气之间交换水分，以适当地增湿供给到燃料电池2的氧化气体，其中氧废气流入阴极废气流动通道16。
燃料电池2的氢气供给系统构造为向燃料电池2供给用作燃料的氢。例如，在本实施例的情形中，并行布置多个(例如，四个)高压氢罐(未示出)作为氢存储源，且氢通过氢气供给通道23通向燃料电池2的阳极(燃料电极)。
燃料电池2的冷却水口(LLC)设有用于循环冷却水的冷却水管道11。该冷却水管道11设有用于输送冷却水的水泵10和用于调节供给的冷却水量的流动通道转换阀12。
燃料电池2中产生的一部分直流电能由电压转换器(高电压转换器)14降压，给用作高压蓄电装置的二次电池(下文中，称为“高电压电池”，由标记15表示)充电。电机逆变器(牵引逆变器)7将从燃料电池2提供的直流电能转换为交流电能，并将该交流电能提供给牵引电机8。另外，水泵逆变器9将从燃料电池2提供的直流电能转换为交流电能，并将该交流电能提供给水泵10。另外，空气压缩机驱动逆变器6将从燃料电池2提供的直流电能转换为交流电能，并将该交流电能提供给空气压缩机5。
如果在例如燃料电池混合动力车辆中安装控制装置13，该控制装置用来基于加速度开度、车速等获得系统需求功率(车辆行驶功率和辅助设备功率的和)，并控制该系统，使得燃料电池2与目标功率相符。具体地，控制装置13通过控制空气压缩机驱动的逆变器6来调节驱动空气压缩机5的电机(未示出)的转速和供给的氧化气体量。此外，控制装置13通过控制内部冷却器冷却水泵4来调节压缩空气的温度。控制装置13还控制电机逆变器7，以调节牵引电机8的转速，并控制水泵逆变器9，以调节水泵10。另外，控制装置13控制电压转换器14，以调节燃料电池2的运行点(输出电压、输出电流)，并进行调节，使得燃料电池2的输出功率与目标功率相符。
另外，本实施例中的控制装置13还用作用于在电压转换器14中出现异常时停止电压转换器14的装置，用于在电压转换器14停止之后尝试将电压转换器14恢复到正常状态的装置，以及用于在电压转换器14恢复到正常状态之前至少在燃料电池2中产生驱动力的装置。这些功能通过存储在如控制装置13内的算术处理单元中的程序来实现。
下面，在下文中描述本发明的实施例。在本实施例中，在燃料电池系统1的电压转换器14中出现异常或意外事件的情况下，实施预定过程并试图正常恢复，以便如果可能的话使电压转换器14恢复。应当注意，在本说明书中，电压转换器14内出现的异常或意外事件还可称为“故障”。这里所述的“故障”意味着电压转换器暂时或持续处于至少无法实施期望运行的状态。
下文中，描述具体实施例(见图2和图3)。这里，高电压转换器(在下文中简称为“电压转换器”，由标记14表示)示为电压转换器14的一个实例，描述电压转换器14中出现故障的情形。
首先，当出现故障时，开始用于将电压转换器恢复到正常状态的控制(步骤S1)。在为可移动体例如燃料电池混合动力车辆等的情形下，优选如下进行该步骤：起动燃料电池系统1的IG(点火)装置，同时起动正常恢复控制，使得当任何时间出现故障时都可尝试正常恢复运行。
这里，当电压转换器14中出现故障时(步骤S2)，电压转换器14停止一次，然后关闭(步骤S3)。例如，在图3中，如果在时刻t1电压转换器14中出现故障，电压转换器14达到临时停止状态。但是，在这种情形下，燃料电池2本身并未停止，并且燃料电池系统1的运行借助于燃料电池2产生的电能而持续(在本说明书中，该状态称为“由燃料电池2进行的漂移(drifting)运行”，或者为简便起见，简称为“漂移运行”)。当考虑可在燃料电池系统1中供给的电能时，在时刻t1之前能够供给燃料电池2产生的电能与可从高电压电池(二次电池)15供给的电能之和的状态变为由于出现故障(时刻t1)而临时关闭电压转换器14的状态。因此，获得了仅能供给燃料电池2的电能的状态(见图3)。在本实施例的燃料电池混合动力车辆的情况下，牵引电机8持续地由燃料电池2执行的该漂移运行来驱动。
另外，在该漂移运行期间，优选在提高空气化学计量的状态下执行该运行。通过将供给的燃料气体量提高到多于出现故障时的量(稀氢气体→浓氢气体)，可防止燃料电池2内的电池电压降低。空气化学计量(也称为“空气化学计量比”)意味着剩余氧比率，其表示供给的氧量相对于反应所需的适当的氧量的比率。
另外，在本实施例中，限制通过电压转换器14的电能(步骤S4)。这样，电压转换器14处于临时停止状态，且加入控制使得预先限制能通过电压转换器14的电能。因此，即使取消电压转换器14的停止状态，从其通过的电能也保持受限。例如，可通过使用控制装置13以限制计算来实施这种通过电能的限制(步骤S4)。应当注意，在本实施例中，在电压转换器14关闭之后，立即限制通过电能(步骤S3，步骤S4)，但是提供该限制的时间不限于该方式，因此其只需至少在取消关闭之前提供限制。
下面提供上述电能限制的进一步说明。具体地，通常由控制装置13来主动地控制燃料电池2与牵引电机8(或电机逆变器7)之间的电压或电流，但是当如本实施例中出现故障时，存在根据发电侧与耗电侧之间的平衡来被动判定电压或电流的值的情形。从在该情形下防止电能波动的观点来看，优选当恢复电压转换器14时，指令值设定为被动判定的值或与其相近的值。作为恢复时(时刻t2)的电压指令，根据系统，最优选将漂移运行的电压指令值直接设为阈值。
优选地，通过将出现故障之前的值乘以一定的比率，而将电压转换器14恢复之后的电能上限设定为低于出现故障之前的值。因此，能够防止当电压转换器14从暂时故障状态恢复时出现电能波动。例如，在本实施例中，与出现故障之前获得的电能上限相比，恢复之后的电能上限降低了ΔP(例如，约为出现故障之前20％的BAT电能)(见图3)。
然后，实施上述漂移运行，之后判定电压转换器14是否恢复到正常状态(步骤S5)。在电压转换器14恢复到正常状态的情况下，步骤前进到步骤S7(见图2)。另一方面，如果电压转换器14未恢复到正常状态(步骤S5中为否)，那么判定电压转换器14中已出现的故障是否持续一定的时间段(步骤S6)。如果故障未持续(换句话说，如果自出现故障以来还未经过一定的时间段)，那么步骤返回到步骤S5，并再次判定电压转换器14是否恢复到正常状态。同时，如果故障持续了一定的时间段，那么判定该故障不是暂时的，并停止燃料电池系统1(步骤S13)。应当注意，在本实施例中，在步骤S13中燃料电池系统1停止，但该步骤仅仅是个例子，因此，可继续由燃料电池2执行的漂移运行。
在电压转换器14恢复到正常状态的情况下，在步骤S7中取消关闭。这里，可通过取消其停止状态来驱动电压转换器14(步骤S7)。另外，在空气化学计量根据漂移运行而变化的情况下，电压转换器14恢复到原始状态。
另外，在取消关闭(步骤S7)之后，取消电压转换器14的电能限制(步骤S8)。这样，优选地，如图2中所示，逐步执行电能限制的取消。如果立刻恢复受限制的电能，那么牵引电机8的驱动力因而增加，取决于环境在燃料电池混合动力车辆中出现振动或冲击，破坏了乘客的乘坐舒适性和驱动性能。但是，通过如在本实施例中所述地进行逐步取消，可避免这种情形，也可避免由于出现故障引起的运行中的突然变化。应当注意，图2示出了在时刻t2之后逐步取消电能限制的情形，但是该过程仅仅是个例子，因此该取消可不逐步地执行，从而显示为例如直线或曲线的上升斜率。其要点在于，如果通过不是立即而是逐渐地恢复电能则可防止急剧变化，那么就不会破坏乘坐舒适性等。
另外，在本实施例中，在如上述取消关闭的同时，判定是否不再出现故障(步骤S9)。在故障再次出现的情况下，步骤前进到步骤S11(见图2)。如果故障未出现，判定是否完全取消了电能限制(步骤S10)，如果取消未完成，那么步骤返回到步骤S8，以进一步取消限制。
另一方面，如果在步骤S10中判定完全取消了电能限制(步骤S10中为是)，那么结束用于出现故障的一系列过程(步骤S12)。具体地，由于时刻t2之后的电能限制的逐步取消，当电能达到上限(这里的上限设定为比出现故障之前所获得的值低ΔP的值)时，限制完全取消，并且可判定电压转换器14已经恢复到正常状态。
根据上述本实施例的控制方法，例如，在诸如电压转换器14的电压转换器中出现暂时异常的情况下，寻求正常恢复的可能性，如果可能，可恢复电压转换器。根据该方式，当出现暂时异常时，能够尽可能地防止燃料电池系统1的驱动力不足。此外，仅由于电压转换器中出现的异常(故障)不会停止该系统(或者燃料电池混合动力车辆不会停止)，因此可根据环境继续电压转换器的运行。另外，当异常不是暂时性的时候(或借助于燃料电池2实施漂移运行)，停止该系统，由于其可防止驱动力的不足，同时确保安全性和可靠性，并且可提高驱动效率，所以该实施例可适当地称为所谓的故障安全技术。
应当注意，上述实施例只是本发明优选实施方式的一个例子，而本发明不限于该实施例，在不脱离本发明实质的情况下可以多种方式进行修改。例如，可向本实施例的控制方法添加再生禁止指令。具体地，如果在故障出现的时刻和开始恢复控制的时刻(时刻t1)，实施燃料电池系统1中的禁止或降低电能再生的控制，那么在电压转换器暂时停止的同时，可防止驱动力不足。这种方式的具体实例如下(见图4)。
首先，当出现故障时，开始控制，以将电压转换器14恢复到正常状态(步骤S21)。这里，当电压转换器14中出现故障时(步骤S22)，电压转换器14停止一次，然后关闭(步骤S23)。例如，在图3中，如果在时刻t1时，电压转换器14中出现故障，那么电压转换器14达到暂时停止状态。但是，在这种情形下，燃料电池2本身并不停止，借助于燃料电池2产生的电能来继续燃料电池系统1的运行。这里，当考虑可在燃料电池系统1中供给的电能时，由燃料电池2产生的电能与从高电压电池(二次电池)15供给的电能之和在时刻t1之前能被供给的状态变为由于出现故障(时刻t1)而电压转换器14暂时关闭的状态。因此，得到仅能供给燃料电池2的电能的状态(见图3)。
另外，限制通过电压转换器14的电能(步骤S24)。这样，电压转换器14处于暂时停止状态，且加入控制使得能预先限制通过电压转换器14的电能。这里应当注意，在电压转换器14关闭之后立即限制通过的电能(步骤S23，步骤S24)，但是提供限制的时间不限于该方式，因此只需至少在取消关闭之前提供限制。
此外，在本实施例中，禁止牵引电机(TRC电机8)的再生运行(步骤S25)。应当注意，图4示出了在步骤S24之后实施步骤S25的流程图，但是实际上，可在限制通过的电能(步骤S24)的同时实施牵引电机8的再生运行的禁止。
然后，判定电压转换器14是否恢复到正常状态(步骤S26)。在电压转换器14恢复到正常状态的情况下，步骤前进到步骤S28。另一方面，如果电压转换器14未恢复到正常状态(步骤S26中为否)，那么判定电压转换器14中已经出现的故障是否持续一定的时间段(步骤S27)。如果故障未持续(换句话说，如果自出现故障以来还未经过一定的时间段)，那么步骤返回到步骤S26，并再次判定电压转换器14是否恢复到正常状态。同时，如果故障持续了一定的时间段，那么判定该故障不是暂时的，且燃料电池系统1停止或在电压转换器14停止的同时行驶继续(步骤S36)。
在电压转换器14恢复到正常状态的情况下，在步骤S28中取消关闭。这里，可通过取消其停止状态来驱动电压转换器14(步骤S28)。
另外，在本实施例中，判定在该时刻的燃料电池2的电压值(电压当前值)是否等于电压转换器14的电压指令值(步骤S29)。如果这些值彼此相等，那么步骤前进到步骤S30。响应于电压值(电压当前值)等于电压指令值的结果，在步骤S30中取消牵引电机8的再生禁止(见图4)。另外，逐步取消电压转换器14的电能限制(步骤S31)。
此外，在如上所述取消关闭的同时，判定是否不再出现故障(步骤S32)。在再次出现故障的情况下，步骤前进到步骤S34(见图4)。如果故障未出现，则判定是否完全取消了电能限制(步骤S33)，且如果取消未完成，那么步骤返回到步骤S31，以进一步取消限制。
另一方面，如果在步骤S33中判定完全取消了电能限制，那么结束用于出现故障的一系列过程(步骤S35)。具体地，由于时刻t2之后的电能限制的逐步取消，当电能达到上限(这里的上限设定为比出现故障之前所获得的值低ΔP的值)时，限制完全取消，并且可确定电压转换器14已经恢复到正常状态。
根据本发明，即使当电压转换器(例如，电压转换器14)中出现暂时异常时，由于在出现暂时异常之后寻求恢复，所以也能使驱动力的不足最小化。
因此，本发明可广泛地应用在燃料电池系统和其控制方法中，例如，用作燃料电池混合动力车辆等的车载发电系统。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，其中蓄电装置与燃料电池通过电压转换器彼此并联，所述燃料电池系统包括：
用于当所述电压转换器中出现异常时停止所述电压转换器的装置；
用于在停止所述电压转换器之后尝试将所述电压转换器恢复到正常状态的装置；以及
用于直到所述电压转换器恢复到所述正常状态为止至少在所述燃料电池中产生驱动力的装置。
2.一种燃料电池系统的控制方法，在所述燃料电池系统中蓄电装置与燃料电池通过电压转换器彼此并联，
其中在所述电压转换器中出现异常的情况下，停止所述电压转换器，在停止所述电压转换器之后尝试将所述电压转换器恢复到正常状态，并且直到所述电压转换器恢复到所述正常状态为止至少在所述燃料电池中产生驱动力。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统的控制方法，
其中，至少直到所述电压转换器开始恢复到所述正常状态为止，对能够通过所述电压转换器的电能值设定限制。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统的控制方法，
其中当所述电压转换器恢复到所述正常状态时能产生的电能的上限设定为比在出现所述异常之前产生的电能的上限低的值。
5.如权利要求3或4所述的燃料电池系统的控制方法，
其中当使所述电压转换器恢复到所述正常状态时，逐步取消所述限制。
6.如权利要求2至5中任一项所述的燃料电池系统的控制方法，
其中当所述电压转换器处于所述异常状态时，响应于所述燃料电池的输出请求，通过执行与当所述电压转换器处于所述正常状态时执行的运行不同的运行来获得所述燃料电池的输出。
7.一种燃料系统，包括用于实施如权利要求2至6中任一项所述的控制方法的控制装置。
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