CN101842927A - 燃料电池的输出控制装置 - Google Patents

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Abstract

在燃料电池的输出控制装置中，即使蓄电装置成为充电限制状态，也能够抑制蓄电装置过放电。包括燃料电池44和蓄电装置32的车辆的驱动控制系统10中，控制部60包括FC输出指令值计算模块62，根据旋转电机12的要求电力计算燃料电池44的输出指令值；再生限制判断模块64，判断是否对旋转电机12进行再生限制；蓄电池限制判断模块66，判断是否进行蓄电装置32的充电限制；以及要求电力校正模块68，在进行蓄电装置32的充电限制并且燃料电池44和旋转电机12均不发电时，校正燃料电池的要求电力从而限制从蓄电装置32放电。

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，特别是驱动旋转电机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，车辆中搭载有燃料电池。燃料电池不是二次电池，因此一般同时使用高电压的蓄电装置，以应付负载变动等。公知的是该高电压蓄电装置的性能会由于过放电或过充电而下降。因此，根据负载的情况使燃料电池的发电处于适当的状态，从而不使高电压蓄电装置处于过充电状态或过放电状态是极为重要的。
例如，专利文献1公开了在燃料电池系统中，根据加速器开度等求得行驶目标电力，根据辅机的目标电力、二次电池的目标充放电电力、DC/DC转换器的转换效率求得燃料电池的目标发电电力。其中公开了DC/DC转换器的转换效率使用实测值，以免受到各设备的消耗电力检测误差和设备之间的配线电阻的影响。
专利文献1：日本特开2002-334712号公报
发明内容
如专利文献1所述，根据由加速器开度等指示的转矩指令值计算对燃料电池的输出指令值。即，燃料电池的发电电力被设定为与作为负载的消耗电力的要求电力保持平衡，不使蓄电装置成为过放电或过充电。这在无论旋转电机处于驱动状态或再生状态时均相同，当旋转电机处于再生状态时，旋转电机的要求电力为负，因此燃料电池停止发电。
另外，当旋转电机处于再生状态时，根据蓄电装置的状态再生被禁止或被限制，有时虽然旋转电机能够再生但是也停止发电。例如，在表示蓄电装置的充电状态的SOC(State Of Charge)过高时、蓄电装置的温度过高时等。
这样，当由于旋转电机的再生被限制等，蓄电装置成为充电被限制的状态时，燃料电池的发电也停止，旋转电机也不发电，因此从蓄电装置持续向辅机等放电，SOC持续降低，导致过放电。其中，由于旋转电机的要求电力为负，因此与之平衡使燃料电池的输出指令值为零，但是会发生蓄电装置的过放电。
本发明的目的在于提供一种燃料电池的输出控制装置，即使蓄电装置成为充电被限制的状态，也能够抑制蓄电装置过放电。
本发明的燃料电池的输出控制装置，其特征在于，包括：根据旋转电机的要求电力计算燃料电池的输出指令值的单元；蓄电装置判断单元，判断蓄电装置是否处于充电限制状态；以及校正单元，在蓄电装置不处于充电限制状态时维持旋转电机的要求电力，在判断为蓄电装置处于充电限制状态时校正旋转电机的要求电力，由燃料电池向辅机提供电力从而限制从蓄电装置放电。
另外，优选的是，本发明的燃料电池的输出控制装置包括获得蓄电装置的充电状态的单元，在判断为蓄电装置处于充电限制状态，并且蓄电装置的充电状态在预定的特别阈值以下时，校正单元校正旋转电机的要求电力从而限制从蓄电装置放电，所述预定的特别阈值比通常状态下的充电限制所采用的通常阈值低。
另外，优选的是，本发明的燃料电池的输出控制装置，在旋转电机的要求电力为具有负值的再生要求电力，并且对再生要求电力进行限制时，蓄电装置判断单元判断蓄电装置处于充电限制状态。
根据上述结构，燃料电池的输出控制装置，根据旋转电机的要求电力计算燃料电池的输出指令值，并且判断蓄电装置是否处于充电限制状态，在蓄电装置不处于充电限制状态时维持旋转电机的要求电力，在判断为蓄电装置处于充电限制状态时校正旋转电机的要求电力，由燃料电池向辅机提供电力从而限制从蓄电装置放电。由此，通过燃料电池发电来补充辅机消耗电力的部分，因此能够抑制蓄电装置的过放电。
另外，在燃料电池的输出控制装置中，在蓄电装置处于充电限制状态时，获得蓄电装置的充电状态，在蓄电装置的充电状态为预定的特别阈值以下时，校正旋转电机的要求电力从而限制从蓄电装置放电，所述预定的特别阈值比通常状态下的充电限制所采用的通常阈值低。在处于充电限制状态，并且SOC逐渐降低，成为特别阈值以下时，校正旋转电机的要求电力，由燃料电池向辅机提供电力从而限制从蓄电装置放电。由此，能够抑制蓄电装置的过充电和过放电。
另外，在燃料电池的输出控制装置中，在对再生要求电力进行限制时，判断蓄电装置处于充电限制状态。例如，在进行再生禁止时，可以判断蓄电装置处于充电限制状态。
附图说明
图1是表示在本发明实施方式中，包括燃料电池的输出控制装置的搭载有燃料电池的车辆的驱动控制系统结构的图。
图2是关于现有技术的燃料电池输出指令的框图。
图3是说明图2结构中的各要素的状态的图。
图4是关于本发明实施方式的燃料电池输出指令的框图。
图5是说明本发明实施方式的各要素的状态的图
符号的说明
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加速器开度传感器、22蓄电池ECU、23SOC、24Win、25温度、30电源回路、32蓄电装置、34，38平滑电容、36电压转换器、44燃料电池、46M/G逆变器、48辅机逆变器、60控制部、62FC输出指令值计算模块、64再生限制判断模块、66蓄电池限制判断模块、68要求电力校正模块
具体实施方式
下面利用附图详细说明本发明的实施方式。以下说明的是旋转电机搭载在车辆上的情况，但也可以是用于车辆以外的旋转电机，例如，固定式旋转电机。另外，以下说明的是搭载有燃料电池的车辆中具备一台旋转电机的情况，但也可以具备多台旋转电机。另外，作为旋转电机说明的是具有电动机的功能和发电机的功能的电动发电机的情况，但也可以仅具有电动机的功能，车辆中也可以分别具有电动机和发电机。
另外，作为燃料电池的发电停止、旋转电机的发电也停止的状态，以下说明的是搭载有旋转电机的车辆连续上坡、蓄电装置的温度成为高温的情况，但这仅是一个例子，在根据旋转电机的要求电力能够求得燃料电池的输出指令值的系统中，只要是通过对蓄电装置进行限制充电而导致燃料电池的发电停止、旋转电机的发电也停止的情况即可。
另外，作为电源回路，以下说明的是包括高电压的蓄电装置、燃料电池、电压转换器、高电压动作的逆变器的结构，但也可以还包括其他要素。例如，可以包括系统主继电器、低电压蓄电池、低电压动作的DC/DC转换器等。另外，以下使用的各电力值等值仅是用于说明的一个例子，当然还可以是其他的值。
图1是表示具备旋转电机的搭载有燃料电池的车辆的驱动控制系统10的结构的图。特别是，这里说明在车辆连续上坡、蓄电装置成为高温时所进行的燃料电池的输出控制。
该驱动控制系统10包括：具备燃料电池44和作为二次电池的蓄电装置32的电源回路30、与之连接的旋转电机12和燃料电池用辅机(FC辅机)14、确定车辆的驱动要求的制动器踏度传感器16和制动器ECU(Electric Control Unit)18、加速器开度传感器20、控制蓄电装置32的充放电的蓄电池ECU 22、及控制部60。
旋转电机12为搭载在车辆中的电动发电机(M/G)，在被提供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的转数由适当的检测机构检测，该检测值被发送到控制部60。
FC辅机14为用于燃料电池44的辅机，为设在氧化气体流路的空气压缩机(ACP)、设在燃料气体流路的氢泵、燃料电池用冷却泵等。这些FC辅机14接受例如约200V左右的高电压电力而动作。另外，FC是表示燃料电池44的Fuel Cell的缩写。以下，根据需要将燃料电池44称为FC。
电源回路30为与作为电动发电机的旋转电机12和FC辅机14连接的电路。对旋转电机12而言具有以下功能：在旋转电机12作为驱动电动机起作用时向其提供电力，或者在旋转电机12作为发电机起作用时接受再生电力从而对作为二次电池的蓄电装置32进行充电。另外，对FC辅机14而言，具有提供其动作所需要的高电压电力的功能。
电源回路30包括作为二次电池的蓄电装置32、蓄电装置侧的平滑电容34、电压转换器36、燃料电池侧的平滑电容38、燃料电池44、与旋转电机12连接的M/G逆变器46、以及与FC辅机14连接的辅机逆变器48。
蓄电装置32为能够充放电的高电压二次电池，通过电压转换器36与燃料电池44之间进行电力的融通，应对旋转电机12、FC辅机14等的负载变动。作为这种蓄电装置32，可以使用具有例如约200V至约300V的端子电压的锂离子电池组或镍氢电池组，或电容等。另外，蓄电装置32为所谓的高电压蓄电池，在仅作为蓄电池进行说明时大多指该蓄电装置32。因此，下面根据需要将蓄电装置32称为蓄电池。
电压转换器36为在蓄电装置32侧的高电压和燃料电池44侧的高电压之间进行电力转换的电路。例如，在由蓄电装置32辅助驱动旋转电机12时，从蓄电装置32侧向燃料电池44侧进行电压转换的同时提供高电压电力，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侧进行电压转换的同时提供高电压电力。作为这种电压转换器36，可以使用包括电抗的双向型转换器。
在电压转换器36的两侧分别设有平滑电容。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有蓄电装置侧的平滑电容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有燃料电池侧的平滑电容38。
燃料电池44为组合多个燃料电池单元、能够取出约200V至约400V左右的高电压的发电电力的一种电池组，称为燃料电池堆。其中，各燃料电池单元向阳极侧提供氢作为燃料气体、向阴极侧提供空气作为氧化气体、利用通过作为固体高分子膜的电解质膜的电池化学反应取出所需要的电力。为了使该燃料电池44动作，需要上述的FC辅机14动作。
M/G逆变器46在控制部60的控制下将高电压直流电力变换为交流三相驱动电力并提供给旋转电机12，相反，将来自旋转电机12的交流三相再生电力变换为高电压直流充电电力。这种M/G逆变器46可以由包括开关元件和二极管等的电路构成。
辅机逆变器48在控制部60的控制下将高电压直流电力变换为交流三相驱动电力并提供给FC辅机14。这种辅机逆变器48的结构基本上与M/G逆变器46相同。
接着说明与控制部60连接的各要素。制动器踏度传感器16为检测制动器踏板等的动作量的传感器。制动器ECU 18接受制动器踏度传感器16的检测值、换算为对旋转电机12的制动要求转矩并输入给控制部60。加速器开度传感器20检测加速器踏板等的动作量、将其换算为对旋转电机12的驱动要求转矩并输入给控制部60。也就是说，制动器踏度传感器16和加速器开度传感器20为由用户操作来指示对旋转电机12的要求转矩的机构。
蓄电池ECU 22为检测作为高电压蓄电池的蓄电装置32的状态并将其充放电状态控制为最佳的控制装置。SOC(State Of Charge)23、可充电电力(Win)24、温度25等作为蓄电装置32的状态量从蓄电池ECU 22发送给控制部60。
控制部60具有以驱动控制系统10的各要素为整体进行控制的功能，在此，特别是，当车辆连续上坡、蓄电装置成为高温时，进行燃料电池的输出控制以免蓄电装置32过放电。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包括：根据旋转电机12的要求电力计算燃料电池44的输出指令值的FC输出指令值计算模块62、判断是否对旋转电机12进行再生限制的再生限制判断模块64、判断是否进行蓄电装置32的充电限制的蓄电池限制判断模块66、以及要求电力校正模块68，在进行蓄电装置32的充电限制、燃料电池44和旋转电机12均不发电时校正燃料电池的要求电力从而限制从蓄电装置32的放电。
该控制部60可以由车辆所搭载的计算机构成。控制部60可以由单独的计算机构成，但是当存在车辆所搭载的其他ECU等时，可以使控制部60的功能作为该车辆所搭载的ECU的功能的一部分。控制部60的上述各功能可以通过软件实现，例如通过执行对应的燃料电池输出控制程序实现。
对于上述结构的作用特别是控制部60的各功能，利用图2至图4与现有结构比较进行详细说明。下面利用图1的符号进行说明。图2和图3是为了与上述结构比较的现有结构的框图和说明此时的各要素的状态的图。图4和图5是上述结构的框图和说明此时的各要素的状态的图。图2和图4相当于以框图表示燃料电池的输出控制的各功能，但是在此从燃料电池的输出控制的顺序的角度进行说明。因此，在图4中的这些顺序分别与对应的燃料电池输出控制程序的各处理顺序对应。
在此，现有结构不具有图1的控制部60的结构中的要求电力校正模块68的功能，具有FC输出指令值计算模块62等的功能。因此，在该现有结构中，由于蓄电装置32成为充电被限制的状态，对辅机等进行放电，从而蓄电装置32成为过放电状态。
首先，利用图2和图3说明该现有结构的情况。在此，采用车辆连续上坡从而蓄电装置32高温的情况作为蓄电装置32成为充电限制状态。在这种情况下，在现有结构中，燃料电池44停止发电，由此蓄电装置32成为充电限制状态，旋转电机12被设为再生禁止状态，旋转电机12也停止发电。并且，由于高温，在该温度下降到预定的合适温度之前，再生禁止状态不会被解除。在该条件下燃料电池44的输出控制如下进行。
在图2中，首先计算旋转电机要求电力值(S10)。在此，由于车辆在连续上坡中，因此旋转电机12处于再生状态。对于旋转电机要求电力值，如果驱动时为正再生时为负，那么现在的情况下旋转电机要求电力值为负的值。在图2中以-10kW表示。
接着，计算辅机对蓄电装置的要求电力值即辅机蓄电池侧要求电力值(S12)，将该值和前面的旋转电机要求电力值相加(S14)。该相加值成为车辆的驱动系统整体的要求电力值，即系统要求电力值。在图2中，辅机蓄电池侧要求电力值表示为+6kW，因此系统要求电力值表示为-10kW+6kW＝-4kW。
然后，计算能够从蓄电装置32输出的电力值即蓄电池侧允许电力值(S16)。通过控制部60的蓄电池限制判断模块66的功能，根据作为蓄电装置32的状态的SOC 23、Win 24、温度25等判断蓄电池侧允许电力值。在目前的情况下，如果由于连续上坡中蓄电装置32为高温，则蓄电装置32处于充电限制状态，利用来自旋转电机12的再生电力等进行的充电被限制，只允许放电。因此，S16中的蓄电池侧允许电力值与S12中的辅机蓄电池侧要求电力值相当，在图2中以-6kW表示。即，处于蓄电装置32被判断为充电限制状态，从蓄电装置32放电与辅机消耗的电力值相当的电力值的状态。
接着，在旋转电机要求电力值和蓄电池允许电力值之间求得上限值(S18)，将下限值作为0kW，进行系统要求电力值的上限下限的控制(S20)。该值成为燃料电池44的发电的输出指令值即FC输出指令值(S52)。在图2的例子中，S18的上限值为-4kW，S20的上限下限的限制均为0kW。因此，FC输出指令值为0kW。也就是说，在旋转电机12处于再生状态时，旋转电机12没有要消耗的电力，因此燃料电池44的发电停止。到此为止的流程由控制部60中的FC输出指令值计算模块62进行。
接着，FC输出指令值和蓄电池侧允许电力值相加处理(S22)。该相加值为对旋转电机12要求的再生电力(50)。在图2的情况下，该值为-6kW。在此，如果对再生电力加以限制而再生禁止，则该值不直接提供给旋转电机12，而是被强制地设为0kW。
也就是说，根据在再生禁止时设置的标志即再生电力零标志的有无(S24)，在0kW(S26)和S22的相加值之间进行选择(S28)，其结果作为旋转电机再生电力值(S50)。
S28的选择如下进行。即，在未设置再生电力零标志时，也就是说在没有再生禁止时，S22的相加值直接作为旋转电机12的再生电力值。另外，在设置再生电力零标志时，也就是说在再生禁止时，旋转电机12的再生电力值被强制地设为0kW，旋转电机12的发电停止。
通过控制部60的再生限制判断模块64的功能，根据作为蓄电装置32的状态的SOC 23、Win 24、温度25等判断有无再生电力零标志。现在的情况下，由于连续上坡中蓄电装置32为高温，因此蓄电装置32处于充电限制状态，不能接受来自旋转电机12的再生电力。因此，设置再生电力零标志。由此，虽然旋转电机12能够再生但是停止发电，S50中的旋转电机再生电力值设为0kW。
这样，在图2中所示的现有结构的情况下，在车辆连续上坡中，蓄电装置32成为高温时，旋转电机12处于再生状态，燃料电池停止发电，并且设置再生电力零标志，旋转电机12停止发电。在此，针对辅机的要求电力值，蓄电装置32进行放电。再生禁止的解除，即，不设置再生电力零标志是在蓄电装置32的温度25低于合适的温度时，因此在此之前，蓄电装置32持续放电。
利用图3说明该情况。下面，利用图1和图2的标号说明。图3中横轴为时间，纵轴为SOC、蓄电池温度、FC输出指令值，表示在车辆连续上坡中，蓄电装置32成为高温时的SOC、蓄电池温度、FC输出指令值的变化的情况。
车辆连续上坡时，由于旋转电机12处于再生状态，不需要从燃料电池44向旋转电机12提供电力，如图2的S52所说明的那样，FC输出指令值为零。
然后，由于旋转电机12处于再生状态，因此持续发电，SOC逐渐上升。另外，蓄电池温度也逐渐上升。然后，当SOC、蓄电池温度达到预定的阈值时，为了防止对蓄电装置32过充电等，进行充电限制，设置再生电力零标志。图3中，在时刻T1时，再生被禁止。即，图2的S24所说明的再生电力零标志被设置，如S50所说明的那样，旋转电机再生电力为零。
再生禁止时，由于蓄电装置32向辅机等放电从而SOC降低，通常再生禁止会被解除。但是，如果由于连续上坡的影响等蓄电池温度持续高温，则由于其温度条件，即使SOC降低也不解除再生禁止，持续设置再生电力零标志。在该状态下，燃料电池44的停止发电，旋转电机12也停止发电，因此没有向蓄电装置32提供电力，蓄电装置32持续向辅机等放电。由于该放电，蓄电池温度持续高温，蓄电装置32的SOC持续降低。于是，SOC成为过放电，在时刻T2时有可能产生车辆停止。
接着，利用图4和图5说明图1结构的情况。下面，对与图1至图3相同的要素采用相同的标号，省略其详细的说明。如图4所示，在图1的结构的情况下，求得系统要求电力的S14之前的流程与图2所说明的现有结构不同，因此能够使FC输出指令值为不同的值(S53)。
即，在图3的结构中，由于车辆在连续上坡中，因此旋转电机12处于再生状态。关于旋转电机要求电力值，驱动时为正，再生时为负，因此现在的情况下，旋转电机要求电力值为负的值，在图3中也与图2相同，以-10kW表示。
接着，对直接使用该旋转电机要求电力值还是根据情况强制设为0kW进行选择(S34)。该选择在多个条件的AND条件下进行。在此，使用三个条件的AND。第1条件为设置有再生电力零标志，即处于再生禁止状态。第2条件为旋转电机要求电力为负，即处于再生状态。第3条件为SOC在作为特别阈值的A％以下，即蓄电装置32一定程度放电。
在此，SOC的特别阈值的A％设定为比通常状态中充电限制时所使用的通常阈值低的阈值。例如，如果通常阈值为SOC 60％，则A％可以设定为约50％。以比通常阈值低的阈值为条件的原因是为了防止过充电，尽量不接受再生电力，使蓄电装置32位于放电侧。
如果该三个条件的AND为1，则旋转电机要求电力值强制性的被选择为0kW。如果连续上坡中蓄电池温度为高温，则第1条件和第2条件被满足，因此在SOC降低到A％时，三个条件的AND为1，旋转电机要求电力值设为0kW。
接着，与图2的说明相同，计算作为辅机对蓄电装置的要求电力值的辅机蓄电池侧要求电力值(S12)，该值和前面的旋转电机要求电力值相加(S14)。该相加值作为车辆的驱动系统整体的要求电力值，即系统要求电力值。在图4中，与图2相同，辅机蓄电池侧要求电力值以+6kW表示，在此，当旋转电机要求电力值设为0kW时，系统要求电力值为0kW+6kW＝+6kW。在图2的现有结构中，系统要求电力为-4kW。此后的处理流程与图2相同，FC输出指令值为+6kW(S53)。该值与辅机蓄电池侧要求电力值相当。也就是说，由燃料电池44补充辅机所需要的电力。另外，旋转电机再生电力值为与图2相同结果的0kW。
这样，根据三个条件的AND，进行FC输出指令值的校正。由控制部60的要求电力校正模块68进行该功能。由此，燃料电池44开始发电，该电力提供给FC辅机等，抑制从蓄电装置32的放电。
利用图5说明该情况。图5是与图3对应的图，在时刻T1时再生禁止，由此蓄电装置32持续放电，SOC降低也是相同。在此，假定在T3时SOC为特别阈值的A％。该时刻T2时，图4中说明的S34的3条件的AND为1。由此，FC输出指令值从0kW校正为与辅机蓄电池侧要求电力值相当的值。在上述的例子中，FC输出指令值从0kW校正为+6kW。
这样，在时刻T3以后，从燃料电池44对辅机提供所需要的电力。因此，蓄电装置32停止放电，SOC停止降低，蓄电池温度降低的速度加速。由此，抑制发生如图3说明的蓄电装置32的过放电。

Claims (3)

1.一种燃料电池的输出控制装置，其特征在于，包括：
根据旋转电机的要求电力计算燃料电池的输出指令值的单元；
蓄电装置判断单元，判断蓄电装置是否处于充电限制状态；以及
校正单元，当蓄电装置不处于充电限制状态时，维持旋转电机的要求电力，当判断为蓄电装置处于充电限制状态时，校正旋转电机的要求电力，由燃料电池向辅机提供电力从而限制从蓄电装置放电。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的输出控制装置，其特征在于，还包括获得蓄电装置的充电状态的单元，
当判断为蓄电装置处于充电限制状态，并且蓄电装置的充电状态在预定的特别阈值以下时，校正单元校正旋转电机的要求电力从而限制从蓄电装置放电，所述预定的特别阈值比通常状态下的充电限制所采用的通常阈值低。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的输出控制装置，其特征在于，在旋转电机的要求电力为具有负值的再生要求电力，并且对再生要求电力进行限制时，蓄电装置判断单元判断蓄电装置处于充电限制状态。
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