CN101578193A - 电力供给系统 - Google Patents

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滨田研一
北村伸之
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Abstract

一种电力供给系统，该电力供给系统搭载在移动体(10)上，从多个直流电源装置(1、2)对作为该移动体的驱动源而起作用的交流驱动装置(9)供给电力，其中：多个直流电源装置的各自，分别与使其直流输出交流化的对应逆变器(3、4)相连接，并且由各直流电源装置和分别与其对应的对应逆变器形成一个交流输出单元；交流输出单元的向单元外部的输出为交流输出，各交流输出单元与交流驱动装置之间以及各交流输出单元彼此之间通过交流配线(7)连接。由此，在从多个直流电源装置向交流驱动装置供给电力时，能够比较容易地确保电力供给配线与移动体之间的绝缘性，并且能够简便地进行直流电源装置之间的连接。

Description

电力供给系统
技术领域
本发明涉及向驱动装置供给电力的电力供给系统，例如向驱动装置供给来自燃料电池的电力的系统，该燃料电池通过电化学反应产生电力。
背景技术
近年来，作为运行效率以及环保性优异的电源，燃料电池受到瞩目。燃料电池控制燃料气体的供给量而输出与要求相应的电力，但由于气体供给量的响应延迟，有时会引起输出电力的响应性下降。因此，将燃料电池与蓄电池(蓄电装置)并联连接构成电源，通过DC-DC转换器(DC-DCconverter，直流-直流变换器)对燃料电池的输出电压进行变换，由此实现蓄电池与燃料电池的并用。然后，从两者供给的直流电力通过同时设置于驱动装置的逆变器(inverter，变换器)交流化，供给驱动装置(例如，参照日本国特许公开公报2006-141097号公报)
另外，公开了这样的技术(例如，参照日本国特许公开公报2000-125411号公报)：在如上所述那样将作为直流电源装置的蓄电池与燃料电池并联设置而向作为交流驱动装置的电动机供给电力时，在电动机的附近设置与各电源装置相对应的两台逆变器，控制这些逆变器，使得蓄电池与燃料电池的中性点电位相等。由此，能够避免在从两个电源装置供给电力时在电动机产生不适当的电流。
除了上述的文献，在日本国特许公开公报2002-118981号公报、日本国特许公开公报2005-269801号公报、日本国特许公开公报2005-333783号公报、日本国特许公开公报2006-60912号公报中也公开了与电力供给系统相关联的技术。
发明内容
在将来自燃料电池、蓄电池等直流电源装置的直流输出作为驱动源，由驱动装置进行移动体的驱动时，以电能的形式向驱动装置传递驱动能量，所以与传递机械能而进行移动体的驱动时相比，能够柔性地进行移动体的电力供给的结构。
但是，在从作为直流电源装置的燃料电池、蓄电池等向交流驱动装置供给电力时，需要将直流输出变换成交流输出的逆变器。而且，在从直流电源装置到逆变器的区间供给有高压的直流电力，所以从安全方面，要求将该区间的绝缘性即电力供给配线与移动体之间的绝缘性确保得较高。
另外，在将输出特性不同的直流电源装置连接起来使用时，使用控制两者的输出特性的控制装置，例如直流斩波转换器(chopper converter)，但由于增加了构成该控制装置的元器件(在直流斩波转换器的情况下，为构成该直流斩波转换器的电抗器)阻碍了对驱动装置的电力供给系统的小型化。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种交流驱动装置的电力供给系统，在从多个直流电源装置向交流驱动装置供给电力时，能够比较容易地确保电力供给配线与移动体之间的绝缘性，并且能够简便地进行直流电源装置之间的连接。
在本发明中，为了解决上述问题，在构成向交流驱动装置供给电力的电力供给系统时，将各直流电源装置与分别与其对应的逆变器设为一个单元，在各单元之间以及各单元与交流驱动装置之间设置交流配线。即，通过将来自单元的外部输出全都设为交流输出，由此能够比较容易地确保电力供给配线与移动体之间的绝缘性，并且能够简便地进行各直流电源装置之间的连接。
因此，更具体地说，本发明是一种电力供给系统，该电力供给系统搭载在移动体上，从多个直流电源装置对作为该移动体的驱动源而起作用的交流驱动装置供给电力，其中：所述多个直流电源装置的各自分别与使其直流输出交流化的对应逆变器相连接，并且由各直流电源装置与分别与其对应的对应逆变器形成一个交流输出单元；所述交流输出单元的向单元外部的输出为交流输出，将各交流输出单元与所述交流驱动装置之间以及各交流输出单元之间用交流配线连接。
如上所述，本发明的电力供给系统，搭载在移动体上，向进行该移动体的移动的交流驱动装置进行电力供给。另外，本发明的移动体不仅仅是汽车、列车(铁道)、船舶等载人的运输装置，也包含机器人等所有进行移动的装置。
而且，向该移动体的交流驱动装置进行的电力供给由多个直流电源装置进行，但本发明的电力供给系统的特征点是各直流电源装置和分别与其对应的逆变器成为一组而形成交流输出单元。该交流输出单元，在该单元内部收纳有直流电源装置与逆变器，是向单元外部的输出作为交流输出的、用于电力供给的单元。即，电力供给系统中的直流配线被限定在该交流输出单元内部。在本发明的电力供给系统中，设有多个该交流输出单元，各单元之间以及单元与交流驱动装置之间的配线为交流配线，向交流驱动装置供给交流电力。
因此，当在移动体中根据该移动体的大小、形状而适当配置交流驱动装置与交流输出单元时，在本发明的电力供给系统中，在该交流驱动装置与该交流输出单元之间，根据情况在占有移动体非常宽的区域中，不馈送直流电力而馈送交流电力。这样一来，对容易确保电力供给系统与移动体之间的绝缘性有较大贡献。另外，交流输出单元彼此也通过交流配线连接，所以不需要如以往那样通过直流配线连接时设置直流斩波转换器那样的控制装置，因此能够实现电力供给系统的小型化。
在上述电力供给系统中，也可以包括交流输出控制单元，该交流输出控制单元根据来自所述交流驱动装置的要求电力控制来自所述交流输出单元的交流输出的频率和/或振幅。该交流输出控制单元，通过控制各交流输出单元所含的逆变器，由此能够控制来自该单元的交流输出的频率以及振幅。在这里，随着来自交流驱动装置的要求电力升高、基本上增加来自该交流输出单元的交流输出的频率或者振幅即可。但是，该交流输出的频率变得越高，由于该频率引起的集肤效应的产生，交流配线处的表面发热变大。另外，该交流输出的振幅变得越大，由于由其产生的磁场的影响，交流配线处的电感损失增加。因此，交流驱动装置单元，优选基于该集肤效应引起的表面发热和由产生的磁场所引起的电感损失，控制来自交流输出单元的交流输出的频率和振幅。
在此前的电力供给系统中，也可以包括交流相位控制单元，该交流相位控制单元在将所述多个直流电源装置中的一个设为基准直流电源装置时，控制来自一个交流输出单元的交流输出的、与来自基准交流输出单元的交流输出相对的相位差，该一个交流输出单元包含所述基准直流电源装置以外的直流电源装置，该基准交流输出单元是包含所述基准直流电源装置的交流输出单元。
该交流相位控制单元，能够通过控制各交流输出单元所含的逆变器，来控制来自该单元的交流输出的相位。在这里，交流相位控制单元通过使来自所述一个交流输出单元的交流输出的相位向比来自所述基准交流输出单元的交流输出的相位提前一侧移动，能够增大从该一个交流输出单元对于交流驱动装置的实质的供给电力。即，通过该提前角控制，优先对交流驱动装置供给来自该一个交流输出单元的供给电力。这样，由交流控制单元控制两者的相位差，由此能够控制从该一个交流输出单元向交流驱动装置实际供给的电力量。
另外，在上述电力供给系统中，也可以设置成：所述交流相位控制单元，通过将来自所述基准交流输出单元的交流输出与来自所述一个交流输出单元的交流输出设为相同相位，由此将来自该一个交流输出单元的输出电力设为零。即，由交流相位控制单元将两交流输出的相位差设为零，由此将来自一个交流输出单元的输出电力设为零，向交流驱动装置仅供给来自基准交流输出单元的输出电力。因此，此时，能够抑制与该一个交流输出单元有关的电力消耗。
此前的电力供给系统，也可以：具有两个直流电源装置；其中一个直流电源装置为通过发电而输出直流电力的发电装置，并且/或者另一个直流电源装置为具有蓄电单元、将由该蓄电单元积蓄的电力作为直流电力输出的蓄电装置。发电装置，只要能够进行直流输出，也可以是任何发电装置，例如，可以列举通过氢气与氧化气体的电化学反应进行发电、通过该发电输出直流电力的燃料电池。另外，作为蓄电装置，可以列举蓄电池、电容器等。
在这里，在此前的电力供给系统中，也可以包括：被输入有来自所述交流输出单元的各自的交流输出、对所述交流驱动装置输出任意的交流输出的矩阵转换器。通过具有矩阵转换器，能够任意且高效地调整向交流驱动装置输出的交流电力的频率、振幅。
附图说明
图1是表示搭载有本发明的电力供给系统(燃料电池系统)的车辆的概略结构的图；
图2是表示搭载于图1所示的车辆的电力系统、即包含本发明的燃料电池系统而构成的电力系统的概略结构的第一图；
图3是表示电力供给控制的流程的图，该电力供给控制用于在图2所示的电力系统中从由燃料电池构成的电力供给部向驱动电动机供给电力；
图4A是图1所示的车辆的驱动电动机的扭矩(转矩)线图；
图4B是表示来自图1所示的车辆的驱动电动机的要求输出与从燃料电池系统向该驱动电动机供给的交流供给电力的频率的相关关系(相关性)的线图；
图4C是表示来自图1所示的车辆的驱动电动机的要求输出与从燃料电池系统向该驱动电动机供给的交流供给电力的振幅的相关关系的线图。
具体实施方式
基于附图对本发明的电力供给系统的实施方式进行详细说明。本实施方式的电力供给系统，是对作为移动体的汽车的作为交流驱动装置的驱动电动机供给电力的、由燃料电池构成的燃料电池系统。
<实施例1>
图1概略地表示搭载有作为本发明的电力供给系统的燃料电池系统、将由该燃料电池系统供给的电力作为驱动源的移动体的车辆10。车辆10，具有被安装在车体框架13上的前侧驱动轮11和后侧驱动轮12，该前侧驱动轮11由驱动电动机(下面，简单地称作“电动机”。)9驱动由此自己行驶(自动推进)，能够移动。该电动机9是所谓的三相交流电动机，从燃料电池1以及蓄电池2接收电力的供给，这些燃料电池1以及蓄电池2被稳定固定在车体框架13上。
燃料电池1，经由氢气供给通路6从氢气罐5供给作为燃料气体的氢气，并且从未图示的空气供给装置供给作为氧化气体的空气，通过两者的电化学反应进行发电。另一方面，蓄电池2是将该燃料电池1产生的电力、来自电动机9的再生能量作为电能而蓄电的装置。这些燃料电池1以及蓄电池2是其输出为直流电力的直流电源装置。在本发明的燃料电池系统中，对于燃料电池1与蓄电池2，分别设有作为单独对应的逆变器的燃料电池用逆变器3和蓄电池用逆变器4。从而，来自燃料电池1的直流输出由燃料电池用逆变器3直接/立即交流化，并且来自蓄电池2的直流输出由蓄电池用逆变器4直接交流化，经交流配线路7，经由矩阵转换器8(matrixconverter，矩阵变换器)，向电动机9供给交流电力。对于该电力供给的详细见后述。
进而，在车辆10上，还包括电子控制单元(下面，称作“ECU”。)20，通过将上述燃料电池1、蓄电池2以及各逆变器3、4电连接，由ECU20控制各自的运行状态。另外，矩阵转换器8也与ECU20电连接，由此能够任意地控制电动机9的转速、输出。进而，在车辆10上，设有接收来自用户的加速要求的加速器踏板22，其开度被电气性传到ECU20。另外，在ECU20上电连接有检测电动机9的转速的编码器21，从而通过ECU20检测电动机9的转速。
对于这样构成的车辆10的燃料电池系统的电力系统，基于图2进行详细说明。图2是表示燃料电池系统的电力系统的概略的电路图。在该燃料电池系统中，燃料电池1与燃料电池用逆变器3被收纳在一个壳体内形成燃料电池单元50。因此，因为由燃料电池1产生的直流电力直接由燃料电池用逆变器3交流化，所以燃料电池单元50进行X、Y、Z三相交流输出。另外，该燃料电池单元50的状态，在图1中通过燃料电池1与燃料电池用逆变器3相邻的状态表示。
另一方面，对于蓄电池2也同样，蓄电池2与蓄电池用逆变器4被收纳在一个壳体内形成蓄电池单元60。因此，因为由蓄电池2积蓄的直流电力在放电时直接由蓄电池用逆变器4交流化，所以蓄电池单元60进行X、Y、Z三相交流输出。另外，该蓄电池单元60的状态，在图1中通过蓄电池2与蓄电池用逆变器4相邻的状态表示。
在交流配线路7，燃料电池单元50与蓄电池单元60的各自的X、Y、Z三相互相连接，向矩阵转换器8的X、Y、Z输入。交流配线路7为三相交流用，所以矩阵转换器8是将9个双向开关组合而形成的。通过这些双向开关的动作，来自矩阵转换器8的交流输出、即向电动机9供给的交流电力的频率、振幅能够适当调节。而且，矩阵转换器8输出的X、Y、Z三相分别与电动机9的U、V、W相连接。
在如上所述那样构成的本发明的燃料电池系统中，从燃料电池1以及蓄电池2输出的直流电力直接由各自的逆变器3、4转换成交流，从燃料电池单元50、蓄电池单元60向单元外部输出时，已经变为交流电力的状态。因此，在如图1所示那样根据车辆10的形状、大小、座椅等内部装配而在适当的位置配置作为直流电源装置的燃料电池1、蓄电池2时，通过交流配线将从包含各电源而构成的上述单元50、60到作为驱动装置的电动机9的区间连结。其结果，比通过直流配线连结时更容易确保该交流配线与车辆10的主体的绝缘性。另外，两个作为直流电源装置的燃料电池1与蓄电池2经由各自的逆变器而通过交流配线连接，所以不需要电抗器那样大型的连接控制设备，能够实现燃料电池系统的小型化。
在这里，基于图3，对图2所示的车辆10的电力系统中的电力供给控制进行说明。另外，本实施例中的电力供给控制是由ECU20执行的例程。首先，在S101中，计算与由编码器21检测的电动机9的实际转速相对应的、电动机9能够进行最大输出的最大扭矩。具体地说，ECU20具有如图4A所示那样使电动机9的转速和与其对应的最大扭矩相关的最大电动机扭矩映射(图谱，map)，通过将作为来自编码器21的检测值的电动机转速与该映射进行比较，计算出该转速下的电动机9的最大扭矩。例如，如图4A所示，在电动机的转速为rmp1时，计算出最大电动机扭矩为TQ1。在S101的处理结束后，进入S102。
在S102中，基于加速器踏板22的开度，计算出要求电动机9输出的要求扭矩。若将加速器踏板22的全开定义为要求电动机9的现在时刻的转速下的最大扭矩，则将全开时的系数设为100％，将全闭时的系数设为0％，根据下面的式子计算出要求扭矩。在S102的处理结束后，进入S103。
(要求扭矩)＝(上述最大扭矩)×(与加速器踏板的开度相对应的系数)
在S103中，基于S101与S102中的计算结果，根据下面的式子计算作为对电动机9要求的输出的要求输出。在S103的处理结束后，进入S104。
(要求输出)＝(要求扭矩)×(电动机的转速)
在S104中，基于在S103中计算的来自电动机9的要求输出，计算燃料电池系统应该向电动机9供给的、作为来自各单元的交流输出的供给电力的频率以及振幅。首先，对于供给电力的频率，随着其升高，能够应对更高的要求输出。但是，使供给电力的频率升高，会产生由高频引起的集肤效应(skin effect)，在交流配线路7中表面发热变得显著。因此，对于供给电力的频率的计算，根据图4B所示的要求输出-供给电力频率的映射。在该映射中，以随着要求输出升高、供给电力频率的增加率变小的方式，设定要求输出-供给电力频率的相关关系。
另外，对于供给电力的振幅，随着其增大，能够应对更高的要求输出。但是，通过使供给电力的振幅增大，交流配线路7的电感损失上升，能量的传送效率下降。因此，对于供给电力的振幅的计算，根据图4C所示的要求输出-供给电力振幅的映射。在该映射中，以随着要求输出升高、供给电力振幅的增加率缓慢变小的方式，设定要求输出-供给电力振幅的相关关系。另外，图4B与图4C所示的各映射是预先通过实验确认上述集肤效应与电感损失的影响并基于其结果确定的映射。在S104的处理结束后，进入S105。
在S105中，基于S104的计算结果，控制来自蓄电池单元60的交流输出。此时，考虑蓄电池2的充电状态(SOC：State Of Charge)。具体地说，在蓄电池2的SOC为50％以下时不进行来自蓄电池2的输出(放电)，相反进行燃料电池1的发电的一部分的获取(充电)。另一方面，在蓄电池2的SOC超过50％时进行来自蓄电池2的放电。此时的放电量由上述要求输出与蓄电池2的SOC确定。在S105的处理结束后，进入S106。
在S106中，计算燃料电池1的发电要求输出。该发电要求输出是要求燃料电池1在车辆10的行驶中发电的输出，具体地说，用上述要求输出、为了图1中未图示的辅机的驱动而需要的辅机输出、以及与蓄电池2的SOC相对应的蓄电池用输出的和来表示，其中，所述辅机是为了驱动燃料电池1而需要的。蓄电池2如上所述基于SOC而进行放电或者充电，所以在蓄电池2进行放电时燃料电池1的输出减少了相应的量，相反在蓄电池2进行充电时燃料电池1的输出增加了相应的量。因此，将与该蓄电池2的SOC相对应的燃料电池1的输出变化考虑为蓄电池用输出。在S106的处理结束后，进入S107。
在S107中，为了达成在S106中计算出的发电要求输出，用燃料电池1进行发电。具体地说，控制来自氢气罐5的氢气供给量、空气的向燃料电池1的供给量。在S107的处理结束后，进入S108。
在S108中，计算燃料电池1的能够发电的输出。所谓该能够发电的输出，是在现在时刻燃料电池1实际能够发电的输出。即，在S107中为了达成上述发电要求输出而进行发电，但由于空气等向燃料电池1的供给延迟等，会有不立即进行按要求的输出的情况，所以为了确认该要求输出与实际能够进行的输出之间的差异而计算能够发电的输出。具体地说，基于空气向燃料电池1的供给流量等，计算该能够发电的输出。在S108的处理结束后，进入S109。
在S109中，将发电要求输出与能够发电的输出中的最小值作为向燃料电池1输出的发电指令输出而计算。即，实际的来自燃料电池单元50的交流输出被确定为该发电指令输出，燃料电池用逆变器3从ECU20接收该发电指令输出。在S109的处理结束后，进入S110。
在S110中，为了能够达成在S109中计算出的发电指令输出，确定来自燃料电池单元50的交流输出、相对于来自在S105中进行输出控制的蓄电池单元60的交流输出相对的相位差，根据该相位差控制燃料电池用逆变器3。实际从燃料电池1向电动机9供给的电力与从蓄电池2向电动机9供给的电力的分配，由来自燃料电池单元50的交流输出与来自蓄电池单元60的交流输出的相位差确定。即，来自燃料电池单元50的交流输出与来自蓄电池单元60的交流输出相比越处于提前角侧，来自燃料电池1的电力的分配变得越高。因此，ECU20预先以映射的形态储存上述相位差与发电指令输出的关系，通过将该映射与在S109中计算出的发电指令输出相比较，确定使来自燃料电池单元50的交流输出提前多大程度的角度。然后，基于该确定的相位差，从ECU20向燃料电池用逆变器3输出指令。在S110的处理结束后，进入S111。
在S111中，计算电动机能够使用的输出，该电动机能够使用的输出表示电动机9接收电力供给而最大能够使用多大程度的输出。具体地说，电动机能够使用的输出，由在S109中计算出的发电指令输出、从蓄电池2供给的最大输出、以及蓄电池的可能输出的和表示。另外，蓄电池的可能输出，是考虑蓄电池2的SOC、其温度等与蓄电池2的输出相关联的参数而被计算。在S111的处理结束后，进入S112。
在S112中，将在S103中计算出的要求输出与在S111中计算出的电动机能够使用的输出中的最小值作为电动机驱动指令输出而计算。即，作为实际电动机9应该发挥或者能够发挥的输出(功率)，计算电动机驱动指令输出。在S112的处理结束后，进入S113。
在S113中，基于电动机9的转速与在S112中计算出的电动机驱动指令输出，确定实际向电动机9供给的交流电力、即从矩阵转换器8向电动机9供给的交流电力的频率以及振幅，在S114中根据这些值控制矩阵转换器8。其结果，电动机9从作为交流电源装置的燃料电池1以及蓄电池2接收电力供给，能够达成必要的输出。
<实施例2>
对于图3所示的电力供给控制的其他实施例进行说明。在上述的实施例中，为了确定燃料电池1的输出分配，控制来自燃料电池单元50的交流输出相对于来自蓄电池单元60的交流输出的相位差，但在本实施例中将该相位差设为零，由此将来自燃料电池1的输出设为零。通过这样，向电动机9仅供给来自在S105中被进行输出控制的蓄电池单元60的交流输出，所以能够停止燃料电池1的发电。
该相位差的控制，在想要停止燃料电池1的发电而仅通过蓄电池2的充电能量进行车辆10的驱动时，从ECU20对燃料电池用逆变器3进行。
如上所述，根据本发明的电力供给系统，在从多个直流电源装置向交流驱动装置供给电力的电力供给系统中，能够比较容易地确保电力供给配线与移动体之间的绝缘性，并且能够简便地进行直流电源装置之间的连接。

Claims (7)

1.一种电力供给系统，该电力供给系统搭载在移动体上，从多个直流电源装置对作为该移动体的驱动源而起作用的交流驱动装置供给电力，其中：
所述多个直流电源装置的各自分别与使其直流输出交流化的对应逆变器相连接，并且由各直流电源装置和分别与其对应的对应逆变器形成一个交流输出单元；
所述交流输出单元的向单元外部的输出为交流输出，各交流输出单元与所述交流驱动装置之间以及各交流输出单元彼此之间通过交流配线连接。
2.如权利要求1所述的电力供给系统，其中：包括交流输出控制单元，该交流输出控制单元根据来自所述交流驱动装置的要求电力控制来自所述交流输出单元的交流输出的频率和/或振幅。
3.如权利要求1或2所述的电力供给系统，其中：
将所述多个直流电源装置中的一个设为基准直流电源装置；
包括控制来自一个交流输出单元的交流输出相对于来自基准交流输出单元的交流输出的相位差的交流相位控制单元，该一个交流输出单元包含所述基准直流电源装置以外的直流电源装置，该基准交流输出单元作为包含所述基准直流电源装置的交流输出单元。
4.如权利要求3所述的电力供给系统，其中：所述交流相位控制单元，通过将来自所述基准交流输出单元的交流输出与来自所述一个交流输出单元的交流输出设为相同相位，由此将来自该一个交流输出单元的输出电力设为零。
5.如权利要求1至4中的任意一项所述的电力供给系统，其中：
所述电力供给系统具有两个直流电源装置；
该两个直流电源装置中的一个直流电源装置为通过发电而输出直流电力的发电装置，并且/或者另一个直流电源装置为具有蓄电单元、将由该蓄电单元积蓄的电力作为直流电力输出的蓄电装置。
6.如权利要求5所述的电力供给系统，其中：所述发电装置是通过氢气与氧化气体的电化学反应进行发电、通过该发电输出直流电力的燃料电池。
7.如权利要求1至6中的任意一项所述的电力供给系统，其中：包括输入来自各所述交流输出单元的交流输出、对所述交流驱动装置输出任意的交流输出的矩阵转换器。
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