CN101632194A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池系统，能够使从蓄电池输出的电力高效率地向负载传递。控制单元(80)在判断为已经输入了表明应进行EV行驶的指令时，断开继电器(20)，切断燃料电池(40)和变换器(50)之间的连接。并且，控制单元(80)根据从SOC传感器(65)提供的SOC信息，检测蓄电池(60)的输出电压。并且，控制单元(80)以检测出的蓄电池(60)的输出电压为基础，考虑转换器效率和变换器效率而决定该时刻的最合适的动作电压。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
公知利用含氢气的燃料气体和含氧气的氧化气体的电化学反应而进行发电的燃料电池系统。该燃料电池系统是高效率、清洁的发电单元，因此作为二轮车、汽车等的驱动动力源获得了很大的期待。
该燃料电池存在输出电力的响应性变低的情况，因此作为防止该弊端的手段，提出有将燃料电池和蓄电池并联连接而构成电源的技术。例如在下述专利文献1中公开了经由变换器将牵引电动机等负载与燃料电池连接，并且经由DC/DC转换器将蓄电池与该燃料电池并联连接的构成。
专利文献1：日本特开2002-118981号公报
发明内容
然而，在上述构成中，即使在EV行驶等仅利用蓄电池来驱动负载的情况下，也总是为了变换器的效率变为最大而控制DC/DC转换器的输出电压(即系统的动作电压)，完全没有考虑DC/DC转换器的效率。因此，难说使从蓄电池输出的电力以最高效率向负载传递。
本发明鉴于以上说明的情况而提出，其目的在于提供一种燃料电池系统，能够使从蓄电池等蓄电装置输出的电力高效率地向负载传递。
为了解决上述的问题，本发明的燃料电池系统，其特征在于，具备：燃料电池；电压变换装置；蓄电装置，经由上述电压变换装置而与上述燃料电池并联连接；电力变换装置，将至少从上述燃料电池或上述蓄电装置输出的直流电力变换为交流电力而供给负载；以及决定单元，根据上述电压变换装置的电压变换效率和上述电力变换装置的电力变换效率来决定该系统的动作电压。
根据该构成，不仅考虑由电力变换装置(变换器等)导致的电力变换效率，还考虑由电压变换装置(DC/DC转换器等)导致的电压变换效率，决定该系统的动作电压，因此可使从蓄电装置(蓄电池等)输出的电力高效率地向负载传递。
在此，上述构成中，优选的是，上述决定单元在接受到应仅以上述蓄电装置为电力源的指令的情况下决定该系统的动作电压，还具备根据所决定的动作电压来控制由上述电压变换装置进行的电压变换动作的电压变换控制单元。
另外，上述构成中，更优选的是，还具备检测上述蓄电装置的蓄电状态的传感器，上述决定单元根据所检测出的上述蓄电装置的蓄电状态、上述电压变换装置的电压变换效率和上述电力变换装置的电力变换效率，决定该系统的动作电压。
进而，上述构成中，优选还具备：开关元件，介插于上述燃料电池和上述电力变换装置的连接路径上；以及开关控制单元，在接受到应仅以上述蓄电装置为电力源的指令的情况下，由上述开关元件切断上述燃料电池和上述电力变换装置之间的电连接。
如上述说明，根据本发明，能够使从蓄电池等蓄电装置输出的电力高效率地向负载传递。
附图说明
图1是表示本实施方式的燃料电池系统的构成的图。
图2是例示动作电压和变换器效率之间的关系的图。
图3是例示输入输出电压差和转换器效率之间的关系的图。
图4是用于说明现有技术中EV行驶时的动作电压的决定方法的图。
图5是用于说明本发明中EV行驶时的动作电压的决定方法的图。
图6是表示行驶控制处理的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
A.本实施方式
(1)实施方式的构成
图1是搭载有本实施方式的燃料电池系统100的车辆的概略构成。
在以下的说明中，假定燃料电池汽车(FCHV；Fuel Cell HybridVehicle)作为车辆的一个例子，但是也可以适用于电动汽车、混合动力汽车。另外，不仅是车辆，也可以适用于各种移动体(例如，船舶、飞机、机器人等)。
该车辆以与车轮95L、95R连接的牵引电动机90为驱动力源行驶。牵引电动机90的电源是电源系统1。从电源系统1输出的直流由变换器50变换为三相交流，供给到牵引电动机90。牵引电动机90能够在制动时也作为发电机起作用。
电源系统1由燃料电池40、蓄电池60、DC/DC转换器30、变换器50等构成。
燃料电池40是从所供给的反应气体(燃料气体及氧化气体)产生电力的单元，能够利用固体高分子型、磷酸型、熔融碳酸盐型等各种类型的燃料电池。燃料电池40具有串联地层积多个具备MEA等的单体电池的堆叠构造。通过各电压传感器及电流传感器(均省略图示)检测出该燃料电池40的输出电压(以下称为FC电压)及输出电流(以下称为FC电流)。从燃料气体供给源10向燃料电池40的燃料极(阳极)供给氢气等燃料气体，另一方面，从氧化气体供给源70向氧气极(阴极)供给空气等氧化气体。
燃料气体供给源10例如由氢气罐、各种阀等构成，通过调整阀开度、开/关时间等，控制向燃料电池40供给的燃料气体量。
氧化气体供给源70例如由空气压缩机、驱动空气压缩机的电动机、变换器等构成，通过调整该电动机的转速等来调整向燃料电池40供给的氧化气体量。
蓄电池(蓄电装置)60是可充放电的二次电池，例如由镍氢蓄电池等构成。当然，也可以代替蓄电池60而设置二次电池以外的可充放电的蓄电池(例如电容器)。该蓄电池60经由DC/DC转换器30与燃料电池40并联连接。在蓄电池60上设置有检测该蓄电池的充电状态的SOC传感器(传感器)65。SOC传感器65根据从控制单元80得到的指示检测蓄电池60的充电状态，将检测结果作为SOC信息输出到控制单元80。
DC/DC转换器(电压变换装置)30例如是由四个功率晶体管和专用的驱动电路(均省略图示)构成的全桥转换器。DC/DC转换器30具有使从蓄电池60输入的DC电压升压或降压而输出到变换器50一侧的功能，和使从燃料电池40或牵引电动机90输入的DC电压升压或降压而输出到蓄电池60一侧的功能。通过该DC/DC转换器30的功能来实现蓄电池60的充放电。此外，在蓄电池60和DC/DC转换器30之间连接有车辆辅机(例如照明设备)、FC辅机(例如燃料气体用的泵)等辅机类。
变换器(电力变换装置)50例如是脉冲宽度调制方式的PWM变换器，根据从控制单元80得到的控制指令将从燃料电池40或蓄电池60输出的直流电力变换为三相交流电力，向牵引电动机90供给。在变换器50和燃料电池40之间介插继电器(开关元件)20。控制单元(开关控制单元)80通过切换继电器20的接通、断开来控制变换器50和燃料电池40之间的连接、切断。
牵引电动机(负载)90是用于驱动车轮95L、95R的电动机(即移动体的动力源)，通过变换器50来控制该电动机的转速。在本实施方式中，作为与变换器50连接的负载，例示了牵引电动机90，但是不限于此，可适用各种电子设备(负载)。
控制单元80由CPU、ROM、RAM等构成，根据从SOC传感器65、检测燃料电池40的输出电压、输出电流的电压传感器、电流传感器、油门踏板等输入的各传感器信号，中枢地控制该系统各部分。
另外，控制装置(决定单元)80在进行EV行驶时，基于变换器50的电力变换效率(以下称为变换器效率)和DC/DC转换器30的电压变换效率(以下称为转换器效率)来决定该系统的动作点(＝动作电压)，以使燃料电池系统100的效率为最合适。并且，控制单元(电压变换控制单元)80以与DC/DC转换器30的输出电压决定的动作电压一致的方式控制DC/DC转换器30的动作。这样，不仅考虑变换器效率，还考虑转换器效率而决定动作电压，从而能够使从蓄电池60输出的电力高效率地向负载传递。以下说明其理由。
图2是例示动作电压和变换器效率之间的关系的图，图3是例示输入输出电压差和转换器效率之间的关系的图。图3所示的输入输出电压差，是指DC/DC转换器30的输入电压和输出电压之间的电压差。
如图2所示，变换器效率随着所设定的动作电压变大而变高(参照图2所示的动作电压V1、V2)。与此相对，转换器效率如图3所示，随着输入输出电压差变大而变低(参照图3所示的输入输出电压差Vdif1、Vdif2)。
在此，图4及图5是用于说明EV行驶时的动作电压的决定方法的图，图4表示现有技术的构成，图5表示本实施方式的构成。对于图4及图5所示的燃料电池系统，对与图1对应的构成要素标注相同的标号，省略详细的说明。
如图4及图5所示，在EV行驶时，蓄电池60的输出电力经由DC/DC转换器30供给到变换器50。
在现有技术中，仅考虑变换器效率而决定动作电压，因此蓄电池60的输出电力并不一定以最高效率传递到牵引电动机90。具体而言，如图2所示，所设定的动作电压越大则变换器效率越高，因此现有技术中将动作电压设定在燃料电池40的OCV(Open Circuit Voltage：开路电压)附近(例如400V)。然而，转换器效率如图3所示，随着DC/DC转换器30的输入输出电压差变大而变低。从转换器效率的观点来看，希望DC/DC转换器30的输入输出电压差尽可能小，但如果仅考虑变换器效率而决定动作电压，则如图4所示，虽然在变换器50中的电力损失变小(图4所示的电力损失；“1”)，但是在DC/DC转换器30的电力损失变大(图4所示的电力损失；“4”)，最终可能系统效率(＝到达电力/输出电力)降低(图4所示的到达电力；“5”)。
与此相对，在本实施方式中，不仅考虑变换器效率，还考虑转换器效率而决定动作电压。其结果，如图5所示，虽然在变换器50中的电力损失比现有技术大(图5所示的电力损失；“2”)，但是在DC/DC转换器30中的电力损失比现有技术小(图5所示的电力损失；“2”)，最终能够提高系统效率(图5所示的到达电力；“6”)。此外，在决定的动作电压比燃料电池40的OCV附近(例如400V)低的情况下(例如350V)，在直接连接燃料电池40和变换器50的状态下(参照图4)，担心由于残留气体的影响等燃料电池40发电，动作电压上升。因此，在本实施方式中，在燃料电池40和变换器50之间设置继电器20，通过断开继电器20来防止燃料电池40进行不需要的发电。
以下，对本实施方式的动作进行说明。
(2)实施方式的动作
图6是表示由控制单元80间歇性地执行的行驶控制处理的流程图。
控制单元80根据从各种传感器等输入的传感器信号，判断是否已经输入了表明应进行EV行驶的指令(表明应仅以蓄电池60为电力源的指令)(步骤S10)。控制单元80在判断为已经输入了该指令时(步骤S10；是)，控制单元80断开继电器20，切断燃料电池40和变换器50之间的连接(步骤S20)。然后，控制单元80根据从SOC传感器65提供的SOC信息，检测该时刻的蓄电池60的充电状态(输出电压)(步骤S30)。众所周知，蓄电池60的输出电压与使用状况(使用时间等)相对应而时刻变化。最合适的动作电压与蓄电池60的输出电压相对应而变化，因此在此检测该时刻的蓄电池60的充电状态(输出电压)。
并且，控制单元80以检测出的蓄电池60的输出电压为基础，考虑转换器效率和变换器效率而决定该时刻的最合适(即系统效率最高)的动作电压(步骤S40)。控制单元80根据这样决定的动作电压来控制DC/DC转换器30的升降电压动作(步骤S50)。通过进行以上说明的一系列的处理，能够使从蓄电池60输出的电力高效率地向负载传递。
B.变形例
<变形例1>
在上述的本实施方式中，在燃料电池40和变换器50之间设置继电器20，在EV行驶时通过断开继电器20来防止燃料电池40进行不需要的发电，但是如果能够防止该发电，则采用任意方法都可以。
<变形例2>
另外，在本实施方式中，对仅利用蓄电池60作为电力源的情况(EV行驶时)进行了说明，但是也能够适用于利用蓄电池60及其他的电源(包括燃料电池40)作为电力源的情况。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池；
电压变换装置；
蓄电装置，经由上述电压变换装置与上述燃料电池并联连接；
电力变换装置，至少将从上述燃料电池或上述蓄电装置输出的直流电力变换为交流电力而供给负载；以及
决定单元，根据上述电压变换装置的电压变换效率和上述电力变换装置的电力变换效率来决定该系统的动作电压。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述决定单元在接受到应仅以上述蓄电装置为电力源的指令的情况下决定该系统的动作电压，
所述燃料电池系统还具备电压变换控制单元，所述电压变换控制单元根据所决定的动作电压来控制上述电压变换装置的电压变换动作。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备检测上述蓄电装置的蓄电状态的传感器，
上述决定单元根据检测出的上述蓄电装置的蓄电状态、上述电压变换装置的电压变换效率和上述电力变换装置的电力变换效率，决定该系统的动作电压。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备：
开关元件，介插于上述燃料电池和上述电力变换装置的连接路径上；以及
开关控制单元，在接受到应仅以上述蓄电装置为电力源的指令的情况下，由上述开关元件切断上述燃料电池和上述电力变换装置之间的电连接。
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