CN101836320B - 燃料电池的输出控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备旋转电机的搭载燃料电池的车辆的驱动控制系统(10)，控制部(60)的构成包括：进行燃料电池(44)的低效率发电的急速预热的急速预热处理模块(66)、根据伴随急速预热处理的系统电压的变更来限制转矩指令值的转矩指令值限制模块(68)、及根据受到限制的转矩指令值来计算燃料电池的输出指令值的FC输出指令值计算模块(70)。在与控制部(60)连接的存储装置(62)中存储有与系统电压对应的旋转电机的转矩—转速特性即系统电压特性映射(64)。

Description

燃料电池的输出控制装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的输出控制装置，特别是涉及进行与旋转电机的驱动电路连接的燃料电池的输出控制的燃料电池的输出控制装置。
背景技术
由于对环境的影响少，所以在车辆上搭载燃料电池。燃料电池不是二次电池，所以为了应对负载变动等，通常一并使用高电压的蓄电装置。该高压蓄电装置已知其性能因过放电或过充电而降低。因此，按照负载的状况使燃料电池的发电为适当的状态对维持高电压蓄电装置的性能也很重要。
例如专利文献1中说明的是，在燃料电池车辆的控制装置中，当燃料电池的温度降低时可输出的电力趋于降低，在电动机的转速相对低时，电动机的输出急剧增大的可能性高，因此，在这些条件时，供给到PCU的系统电压急剧降低的可能性提高。在此公开有，根据电动机的转速和油门开度求取对应于转矩指令的驱动要求输出，且根据燃料电池的温度和电动机转速来限制电动机输出限制开始电压和电动机输出限制结束电压，由此系统电压不会过于降低。在此，系统电压是输入到负载即电动机的驱动电路的电压，也有时是燃料电池的输出电压。
专利文献1：日本特开2006-345651号公报
对燃料电池的输出指令值如专利文献1中所述，基于由油门开度等指示的转矩指令值，根据额定电压的旋转电机的转矩-转速特性计算。即，以与在额定电压下旋转电机所消耗的电力一致的方式计算对燃料电池的输出指令值。该情况下的额定电压是对于旋转电机的驱动电压即专利文献1的系统电压的额定电压。额定电压在旋转电机、燃料电池系统或搭载燃料电池系统的驱动系统中作为进行动作控制时的基准值，是基于额定电压进行各种设定的电压。
但是，当系统电压低于额定电压时，旋转电机的驱动电压比额定电压低。该情况下，对燃料电池的输出指令值基于额定电压计算，因此，燃料电池的发电电力比作为负载的旋转电机所消耗的电力更大。相反，当系统电压高于额定电压时，燃料电池的发电电力相对于作为负载的旋转电机所消耗的电力不足。这样，当对旋转电机的驱动电路的系统电压偏离额定电压时，可能产生燃料电池的发电脱离最佳状态。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种燃料电池的输出控制装置，可根据相对于旋转电机的驱动电路的系统电压使燃料电池的发电变得适当。
本发明提供一种燃料电池的输出控制装置，其特征在于，具备：根据输入到与燃料电池连接的旋转电机驱动电路的电压值即系统电压值来限制旋转电机的转矩指令值的转矩限制单元；及根据基于受到限制的转矩指令值和旋转电机的转速而求出的旋转电机的消耗电力值来计算对燃料电池的输出指令值的单元。
另外，本发明的燃料电池的输出控制装置中，优选的是，转矩限制单元基于根据系统电压值变化的旋转电机的转速和转矩之间的关系，来限制旋转电机的转矩指令值。
另外，本发明的燃料电池的输出控制装置中，优选的是，转矩限制单元将降低系统电压值来进行低效率发电处理时的旋转电机的转矩指令值限制为比进行通常发电处理时的旋转电机的转矩指令值低。
根据上述构成，燃料电池的输出控制装置基于系统电压值来限制旋转电机的转矩指令值，且基于根据受到限制的转矩指令值和旋转电机的转速求得的旋转电机的消耗电力值来计算对燃料电池输出的指令值。这样，由于根据系统电压值设定燃料电池的输出指令值，所以可使燃料电池的发电适当。
另外，燃料电池的输出控制装置中，基于根据系统电压值变化的旋转电机的转速和转矩间的关系来限制旋转电机的转矩指令值。例如，同步型旋转电机中，转速和转矩的关系根据系统电压发生变化。在这样的旋转电机的情况下，基于根据系统电压变化的特性来限制转矩指令值，且基于该受到限制的转矩指令值来计算燃料电池的输出指令值。因此，可根据系统电压使燃料电池的发电适当。
另外，燃料电池的输出控制装置中，将降低系统电压值来进行低效率发电处理时的旋转电机的转矩指令值限制为比进行通常发电处理时的旋转电机的转矩指令值低。例如在燃料电池为低温的情况下，为了加速温度上升，而在脱离燃料电池的最佳效率的动作条件下进行发电。有时将其称作基于低效率发电的预热处理，但例如可通过降低燃料电池的输出电压来进行低效率发电。该情况下，由于降低系统电压，所以可根据该系统电压将转矩指令值限制得较低，由此可使燃料电池的发电量适当。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式中具备旋转电机的燃料电池搭载车辆的驱动控制系统的构成的图；
图2是表示本发明的实施方式中系统电压特性映射的例子的图；
图3是用框图表示本发明的实施方式中控制部的各功能的图。
标号说明
10驱动控制系统；12旋转电机；14FC辅机；16制动器踏度传感器；18制动器ECU；20油门开度传感器；22蓄电池ECU；30电源电路；32蓄电装置；34、38平滑电容器；36电压转换器；40电压检测器；44燃料电池；46M/G逆变器；48辅机逆变器；60控制部；62存储装置；64系统电压特性映射；66急速预热处理模块；68转矩指令值限制模块；70输出指令值计算模块；80、84牵引特性；82、86再生特性。
具体实施方式
下面，使用附图详细说明本发明的实施方式。下面，对将旋转电机搭载于车辆上的情况进行说明，但也可以是用于车辆用以外的用途的旋转电机、例如固定型的旋转电机。另外，下面，作为搭载燃料电池的车辆，对具备一台旋转电机的情况进行说明，但旋转电机也可以为多个。另外，作为旋转电机，对具有作为电动机的功能和作为发电机的功能的电动机/发电机进行说明，但也可以是仅具有电动机的功能的电机，还可以是分别具有电动机和发电机的车辆。
另外，以下，作为基于系统电压进行旋转电机的转矩限制的情况，对通过燃料电池的低效率发电进行早期预热的情况进行详述，但这是用于说明的一例。若基于系统电压进行旋转电机的转矩限制，则在此外的情况下也可以实施本发明。例如，在根据车辆行驶条件或车辆的环境状况来限制系统电压的情况下，也可以实施本发明。另外，下面，作为电源电路，对含有高电压的蓄电装置、燃料电池、电压转换器、高电压动作的逆变器的构成进行了说明，但也可以含有除此之外的装置。例如，可含有系统主继电器、低电压蓄电池、低电压动作的DC/DC转换器等。
图1是表示具备旋转电机的燃料电池搭载车辆的驱动控制系统10的构成的图。特别是，在此，对根据基于燃料电池的低效率发电的早期预热处理的情况下产生的系统电压的变化进行的燃料电池的输出控制进行叙述。
该驱动控制系统10构成为具备：包含燃料电池44和作为二次电池的蓄电装置32的电源电路30、与该电路连接的旋转电机12和燃料电池用辅机(FC辅机)14、决定车辆的驱动要求的制动器踏度传感器16及制动器ECU(Electric Control Unit：电子控制单元)、油门开度传感器20、控制蓄电装置32的充放电的蓄电池ECU22、控制部60、及与控制部60连接的存储装置62。
旋转电机12为搭载于车辆上的电动机/发电机(M/G)，是在供给电力时作为电动机起作用、在制动时作为发电机起作用的三相同步型旋转电机。旋转电机12的转速通过适当的检测单元检测出，该检测值被传送给控制部60。
FC辅机14是用于燃料电池44的辅机，是设于氧化气体流路上的空气压缩机(ACP)、设于燃料气体流路上的氢泵、及燃料电池用冷却泵等。这些FC辅机14接受例如约200V左右的高电压电力的供给而进行工作。另外，FC是表示燃料电池44的Fuel Cell的省略标记。下面，根据需要将燃料电池44称作FC。
电源电路30是与电动机/发电机即旋转电机12及FC辅机14连接的电路。对旋转电机12进行叙述时，具有下述功能，旋转电机12作为驱动电动机起作用时，对旋转电机供给电力，或者旋转电机12作为发电机起作用时，接受再生电力而充电于作为二次电池的蓄电装置32。另外，对FC辅机14进行叙述时，具有供给辅机工作所需的高电压电力的功能。
电源电路30构成为包括：作为二次电池的蓄电装置32；蓄电装置侧的平滑电容器34；电压转换器36；燃料电池侧的平滑电容器38；燃料电池44；与旋转电机12连接的M/G逆变器46；及与FC辅机14连接的辅机逆变器48。
蓄电装置32是可充放电的高电压二次电池，经由电压转换器36在与燃料电池44之间进行电力的互换，具有与旋转电机12、FC辅机14等负载的变动相对应的功能。作为这样的蓄电装置32，例如可使用具有约200V～300V的端子电压的锂离子电池组或镍氢电池组或电容器等。另外，蓄电装置32是所谓的高电压蓄电池，单作为蓄电池叙述时，多指该蓄电装置32。因此，以下，根据需要将蓄电装置32称作蓄电池。
电压转换器36是具有在蓄电装置32侧的高电压和燃料电池44侧的高电压之间进行电力的交换的功能的电路。例如在利用蓄电装置32对旋转电机12的驱动进行辅助时，从蓄电装置32侧向燃料电池44侧，进行电压转换并供给高电压电力，相反，在对蓄电装置32充电时，从燃料电池44侧向蓄电装置32侧，进行电压转换并供给高电压电力。作为这样的电压转换器36，可使用含有电抗器的双方向型转换器。
在电压转换器36的两侧分别设有平滑电容器。即，在连接电压转换器36和蓄电装置32的正极侧母线和负极侧母线之间设置有蓄电装置侧的平滑电容器34，在连接电压转换器36和燃料电池44的正极侧母线和负极侧母线之间设置有燃料电池侧的平滑电容器38。
燃料电池44是将多个燃料电池单体电池组合而构成为可取出约200V～300V程度的高电压的发电电力的一种电池组，被称作燃料电池组。在此，各燃料电池单体电池具有下述功能，即，向阳极侧供给作为燃料气体的氢，向阴极侧供给作为氧化气体的空气，利用通过固体高分子膜即电解质膜的电化学反应取出所需要的电力。为了使该燃料电池44动作，需要上述FC辅机14动作。
电压检测器40设于将燃料电池44和电压转换器36连接的正极侧母线和负极侧母线之间，具有检测燃料电池44的输出电压值的功能。燃料电池44的输出电压值即是输入到与旋转电机12连接的M/G逆变器46的电压值，因此电压检测器40检测所谓的系统电压值。检测出的系统电压值经由适当的信号线被传送至控制部60。
M/G逆变器46是具有在控制部60的控制下将高电压直流电力变换成交流三相驱动电力并供给至旋转电机12的功能、和相反地将来自旋转电机12的交流三相再生电力变换成高电压直流充电电力的功能的电路。这样的M/G逆变器46可由含有开关元件及二极管等的电路构成。
辅机逆变器48具有在控制部60的控制下将高电压直流电力变换成交流三相驱动电力并供给至FC辅机14的功能。这样的辅机逆变器48的构成基本上与M/G逆变器46相同。
接着，对与控制部60连接的各装置进行说明。制动器踏度传感器16是检测制动踏板等的动作量的传感器。在此，制动器ECU18具有如下功能：接受制动器踏度传感器16的检测值，将其换算成对旋转电机12的制动要求转矩并输入到控制部60。油门开度传感器20具有如下功能：检测油门踏板等的动作量，将其换算成对旋转电机12的驱动要求转矩并输入到控制部60。即，制动器踏度传感器16和油门开度传感器20是由用户操作并指示对旋转电机12的要求转矩的单元。
蓄电池ECU22是具有检测高电压蓄电池即蓄电装置32的状态并将其充放电状态控制在最佳状态的功能的控制装置。作为蓄电装置32的状态，例如监视输出电压、输入输出电流、温度、SOC(State Of Charge：充电状态)等，将其值根据需要传送至控制部60。
与控制部60连接的存储装置62具有存储由控制部60执行的程序等的功能，特别是在此，就存储旋转电机12的特性而言，具有存储相对于系统电压的转矩-转速特性即系统电压特性映射64的功能。
图2是表示系统电压特性映射64的例子。下面，使用图1的标号进行说明。系统电压特性映射64是表示旋转电机12的转矩-转速特性对系统电压的依存性的图。图2中，横轴取旋转电机12的转速，纵轴取旋转电机12的输出轴的转矩，表示旋转电机12的所谓的转矩-转速特性。图2中实线表示在系统电压为额定电压时将油门开度设为100％，转矩相对于转速如何变化。在此，由于旋转电机12为车辆搭载用，所以转矩为正值时是驱动车辆的驱动轮的牵引特性80的情况，转矩为负值时是车辆为制动状态的再生特性82的情况。
表示系统电压的额定电压值之一例时，在上述例子中燃料电池44的电压为约200V～约300V，所以例如可设为240V。在此，在燃料电池44为低温的情况下，为了实现早期升温，而在脱离燃料电池44的最佳工作条件的条件下进行发电。例如，进行的是将燃料电池44的输出电压设为比最佳条件低的电压，降低发电效率而将该降低部分用于发热。在这样的基于低效率发电的早期预热的情况下，由于将燃料电池44的输出电力设定得较低，故而系统电压也降低。例如在低效率发电中为约180V左右的系统电压。
旋转电机12为三相同步型，因此根据系统电压即驱动电压的大小在相同转速下，转矩大小变化。图2中虚线表示在系统电压为低于额定电压的电压时，将油门开度设为100％，转矩相对于转速如何变化。例如表示系统电压即驱动电压为约180V的情况。另外，与实线的情况相同，转矩为正值时是驱动车辆的驱动轮的牵引特性84的情况，转矩为负值时是车辆为制动状态的再生特性86的情况。
在图2中，使用在某一转速下显示的线，关注该转速的转矩时，在系统电压为约240V的额定电压的实线的情况下，转矩为A点的值。另一方面，在系统电压为约180V的基于低效率发电的早期预热时的虚线的情况下，转矩为比A点小的B点的值。在转速相同的条件下，旋转电机12在系统电压从约240V降低至180V时，转矩从A点的值降低到B点的值。
换言之，当在该转速条件下从额定电压降低到低效率发电的电压时，旋转电机12的消耗电力值降低至B/A。在此，当使对于燃料电池44的输出指令值即发电电力指令值不变时，由旋转电机12消耗的电力降低至B/A，因此不会消耗而残留(A-B)×转速的量。因此，该情况下，燃料电池44过剩发电，剩余的电力传送至蓄电装置32，根据情况，蓄电装置32会过充电。为了防止该现象，使对燃料电池44的输出指令值即FC输出指令值根据图2的特性变化而进行变更即可。即，图2的系统电压特性映射64是用于FC输出指令值的变更。
再次返回图1，在存储装置62中存储图2的系统电压特性映射64。如上所述，系统电压特性映射64表示根据系统电压变化的转矩-转速特性，因此可以不按映射的形态，而以系统电压、转速为检索关键词，以读出转矩的形式进行存储。例如，可以按以系统电压和转速为输入、以转矩值为输出的换算表的表格形式或计算形式等进行存储。
控制部60具有将驱动控制系统10的各装置作为整体进行控制的功能，在此，特别是具有根据系统电压的变化而变更燃料电池44的输出指令值的功能。在此，控制部60在车辆的驱动控制系统10中相当于燃料电池的输出控制装置。控制部60构成为包括：基于燃料电池44的低效率发电进行急速预热的急速预热处理模块66、根据伴随急速预热处理的系统电压的变更来限制转矩指令值的转矩指令值限制模块68、及根据受到限制的转矩指令值来计算燃料电池的输出指令值的FC输出指令值计算模块70。
这样的控制部60可由适合车辆搭载的计算机构成。控制部60也可以由单独的计算机构成，但在有其它车辆搭载ECU等的情况下，也可以将控制部60的功能作为该车辆搭载ECU的功能的一部分。控制部60的上述各功能可通过软件实现，例如可通过执行对应的燃料电池输出控制程序来实现。
使用图3对上述构成的作用、特别是控制部60的各功能进行详细说明。下面，使用图1、图2的标号进行说明。图3相当于用框图表示控制部60的各功能的图，在此，从通过控制部60执行的程序的观点来说明。因此，这些程序分别与相对应的燃料电池输出控制程序的各处理程序对应。
开始燃料电池输出控制程序，判断燃料电池44是否处于满足预定的急速预热处理执行条件的状况。该判断例如可通过将燃料电池44的温度即燃料电池的冷却水温度或外部气体温度等与规定的阈值温度相比较来进行。当判断为满足急速预热处理执行条件时，对燃料电池44输出在低效率发电条件下进行发电的指令。该程序通过控制部60的急速预热处理模块66的功能执行。
由此，如图2中所说明，将燃料电池44的输出电压设定为规定的低电压，由此，系统电压成为低于额定电压的电压。上述例中，系统电压从约240V的额定电压降低至约180V。另外，这样进行通常发电和低效率发电之间的切换时，优选对转矩限制值进行速率限制处理，抑制运转性能的恶化。
其次，执行图3所示的各程序。首先，通过油门开度和制动器踏度分别计算用户要求的牵引转矩指令和再生转矩指令(S10、S12、S14、S16)，将它们相加来以转矩合成的形式计算要求转矩(S18)。牵引转矩指令根据基于油门开度传感器20的检测值的油门开度进行换算来计算，再生转矩指令通过制动器ECU18将制动器踏度传感器16的检测值换算为转矩来计算。
对于合成转矩值进行最大再生转矩的保护处理(S20)。在此，进行与S16相同的处理，但由于增加了S18的运算，所以为了慎重起见而再次执行限制处理。接着，进行基于旋转电机12及M/G逆变器46的温度的转矩限制处理(S22)。而且，进行基于高电压蓄电装置32的输出电压的转矩限制处理(S24)。这样，例如可求出用户操作的油门开度等条件下的转矩-转速特性。至此可进行例如额定电压下的运算。
接着，检测系统电压，执行对应于系统电压的最大转矩、最小转矩的限制处理(S26)。该程序通过利用控制部60的转矩指令值限制模块68的功能从存储装置62读出系统电压特性映射64来执行。具体而言，以由电压检测器40检测出的系统电压和从旋转电机12传输来的转速为检索关键词，从系统电压特性映射64读出最大转矩和最小转矩。
在此，最大转矩是牵引时即转矩为正值的情况下的转矩，最小转矩是再生时即转矩为负值的情况下的转矩。因此，对应于系统电压的最大转矩、最小转矩在图2的转矩-转速特性中是转矩为正值时的牵引特性80、84、和转矩为负值时的再生特性82、86。上述例中，在系统电压为额定电压的情况下，最大转矩由牵引特性80限制上限，最小特性由再生特性82限制下限。而且，在系统电压为约180V的情况下，最大转矩由牵引特性84限制上限，最小特性由再生特性86限制下限。
这样进行对应于系统电压的转矩的限制处理即转矩指令值的限制处理时，通过将受到限制的牵引转矩指令和受到限制的再生转矩指令相加来求取合成转矩指令值(S28)。例如，在制动器踏度为零、油门开度为100％、系统电压为约180V的情况下，如图2中所说明，合成转矩指令值相当于B点的值。通过将旋转电机12的转速与该合成转矩指令值相乘，计算旋转电机12的消耗电力(S30)。而且，作为与之相对应的值，计算燃料电池44的发电指令值即FC输出指令值(S32)。计算出的FC输出指令值被指示给辅机逆变器48，以使燃料电池44根据该指令值进行发电的方式驱动FC辅机14。
这样根据系统电压来计算FC输出指令值，因此可使燃料电池44的发电适当。
产业上的可利用性
驱动控制系统10可适用于基于系统电压进行旋转电机的转矩限制的用途，例如也可以用于搭载旋转电机(发电机、电动机)的车辆或用于车辆用以外的旋转电机例如固定型旋转电机。

Claims (1)

1.一种燃料电池的输出控制装置，其特征在于，具备：
系统电压设定单元，在燃料电池的温度为低温的情况下，将输入到与燃料电池连接的旋转电机驱动电路的输入电压即系统电压值从额定电压值变更设定为比额定电压值低的规定电压值；
转矩限制单元，基于系统电压值，从规定了根据各系统电压值变化的旋转电机的转速和转矩的特性的系统电压特性映射中读出最大转矩及最小转矩，限制旋转电机的转矩指令值；及
根据基于受到限制的转矩指令值和旋转电机的转速而求出的旋转电机的消耗电力值来计算对燃料电池的输出指令值的单元。
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