CN101978542B - 电源控制电路 - Google Patents

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Abstract

在具备燃料电池与蓄电装置的电源的控制中，能够迅速进行蓄电装置的升温。燃料电池搭载车辆驱动系统(10)是驱动控制搭载在车辆上的旋转电机(14)的系统，包括：与旋转电机(14)连接的逆变器(12)；具有蓄电装置(22)、电压变换器(24)以及燃料电池(26)的电源电路(20)；以及控制电源电路(20)的电源控制装置(40)。电源控制装置(40)构成为包括：FC输出电压设定模块(42)，设定燃料电池的输出电压；OCV回避模块(44)，在设定FC输出电压时回避OCV附近的电压；蓄电池升温控制判断模块(46)，判断蓄电装置(22)是否处于升温控制中；以及OCV回避解除模块(48)，在蓄电装置(22)处于升温控制中时解除OCV回避。

Description

电源控制电路
技术领域
本发明涉及一种电源控制电路，尤其涉及控制具备蓄电装置与燃料电池的电源的工作的电源控制电路。
背景技术
由于对环境影响少，因此在车辆上搭载燃料电池。为了求出进行燃料电池的控制时的工作点，电流-电压特性、即I-V特性被作为燃料电池的输出特性使用。所述I-V特性与要求电力曲线的交点被设定为工作点。
燃料电池的I-V特性在电流为零时输出电压取得最大值。因为电流值为零是指断开输出两端子的状态，因此，所述电压被称为开路电压(Open Circuit Voltage：OCV)。如果从所述OCV的状态增加电流，则电压值急剧下降，稳定在一定值，即使增加电流值输出电压也不怎么变化的区域持续。如果从所述输出电压稳定的区域进一步增加电流值，则电压值从一定值的电压值急剧下降，电压值变为零。这样，燃料电池的I-V特性具有与燃料电池的电化学反应有关的非线性，在OCV附近与电流大的区域中输出电压急剧变化。如果在OCV附近使燃料电池工作，则有时作为燃料电池的构成要素之一的催化剂劣化加重，因此，回避OCV附近而设定燃料电池的工作点。
例如，专利文献1中指出了下述情况：在燃料电池系统中，如果燃料电池的输出电压对应于系统要求电压的变动而跨越氧化还原电位发生变动，则因烧结现象而导致燃料电池的输出特性劣化。因此，FC要求电力比氧化还原电力小时以不进行发电的方式将FC输出电压设定为OCV(开路电压)，FC要求电力比氧化还原电力大时将FC输出电压设定为对应于要求电力的电压。而且，其后即使FC要求电力下降而低于氧化还原电力，也在达到适配值β的持续时间内将FC输出电压设定为氧化还原电位而继续发电。超过适配值β时，作为已经不需要发电而不进行发电。专利文献1中说明，像这样能够使FC输出电压不跨越氧化还原电位。
专利文献1：日本特开2007-5038号公报
发明内容
这样，回避OCV附近而进行燃料电池工作点的设定。由于燃料电池不是2次电池，因此，为了防备负载变动等，一般情况下配合使用高电压的蓄电装置。所述蓄电装置与燃料电池相互并联连接，对应于负载的要求电力而进行各自的电力分配。例如，仅通过燃料电池的发电不能维持负载的要求电力时，蓄电装置放电以供给不足的电力，相反，蓄电装置的充电量下降时，通过燃料电池的发电向负载供给电力并且进行蓄电装置的充电。
所述蓄电装置在低温下输出电力也变小，另外，蓄电能力也降低。因此，外部空气温度变为一定程度的低温时，进行使蓄电装置升温的控制。例如，对蓄电装置进行反复强制地放电与充电的控制。通过反复进行所述强制的充放电，使蓄电装置活化，使其温度渐渐升高。
这样，为蓄电装置的升温控制进行强制放电时，如果回避OCV附近区域进行燃料电池的输出电压设定，则因为燃料电池的输出电流变为相当大的值，因此，即使希望蓄电装置放电，也会由于燃料电池的输出电流而被充电。即，蓄电装置的强制放电变得不充分，升温需要很长时间。
本发明的目的在于提供一种电源控制装置，所述电源控制装置在具备燃料电池与蓄电装置的电源电路的控制中，能够迅速地进行蓄电装置的升温。
本发明的电源控制装置，其特征在于，包括：在蓄电装置与燃料电池之间进行电力分配，并与分配给燃料电池的要求电力对应地设定燃料电池的目标输出电压的单元；开路电压回避单元，在设定目标输出电压时，将燃料电池的开路电压与预先设定的规定的阈值上限电压之间的范围作为回避电压区域而设定目标输出电压，其中，所述阈值上限电压为比开路电压低的电压；判断蓄电装置是否通过强制的充放电进行升温控制的单元；以及开路电压回避解除单元，在判断为蓄电装置进行升温控制时，能够包含回避电压区域而进行目标输出电压的设定。
另外，优选在本发明的电源控制装置中，开路电压回避解除单元使在蓄电装置进行强制的放电时能够设定目标输出电压的放电时可设定范围与在蓄电装置进行强制的充电时能够设定目标输出电压的充电时可设定范围不同。
另外，优选在本发明的电源控制装置中，开路电压回避解除单元使放电时可设定范围为开路电压与预先设定的规定的放电时阈值下限电压之间的范围，其中，所述放电时阈值下限电压是在开路电压以下且在阈值上限电压以上的电压，并且，所述开路电压回避解除单元使充电时可设定范围为阈值上限电压以下的电压。
另外，优选在本发明的电源控制装置中，具有蓄电装置充放电单元，所述蓄电装置充放电单元根据蓄电装置的温度执行强制的充放电控制。
发明效果
根据上述构成，对于电源控制装置，将燃料电池的开路电压(OCV)与预先设定的规定的阈值上限电压之间的范围作为回避电压区域，所述阈值上限电压是比开路电压低的电压，回避所述回避电压区域而设定目标输出电压，判断蓄电装置是否通过强制的充放电进行升温控制，在判断为进行升温控制时，能够包含回避电压区域而设定目标输出电压。因为回避电压区域中燃料电池的输出电流为零或者较小值，因此，在蓄电装置强制放电时能够抑制对其充电，从而能够迅速进行蓄电装置的升温。
另外，在电源控制装置中，使蓄电装置进行强制放电时的目标输出电压的设定范围即放电时可设定范围与蓄电装置进行强制充电时的目标输出电压的设定范围即充电时可设定范围不同。由此，在进行强制放电与进行强制充电时，能够使燃料电池的输出电流不同。因此，能够为更快地进行放电而设定放电时输出电压，为更快地进行充电而设定与放电时输出电压不同的充电时输出电压。
另外，在电源控制装置中，将开路电压与预先设定的规定的放电时阈值下限电压之间的范围作为放电时可设定范围，所述放电时阈值下限电压为开路电压以下且为阈值上限电压以上的电压，将阈值上限电压以下的电压作为充电时可设定范围。由此，能够使放电时可设定范围比充电时可设定范围高，能够使燃料电池的输出电流在强制放电时为包含零的较小值，另一方面，在强制充电时为足够大的值。
另外，在电源控制装置中，因为对应于蓄电装置的温度执行强制充放电控制，因此，例如只在预定的规定的低温时进行强制充放电控制，即解除OCV回避控制，例如能够将燃料电池的劣化抑制在最小限度。
附图说明
图1是表示含有本发明的实施方式的电源控制装置的燃料电池搭载车辆驱动系统的构成的图。
图2是表示在本发明的实施方式中的电源控制的流程，尤其是蓄电装置进行升温控制时的FC输出电压设定的流程的流程图。
图3是表示在本发明的实施方式中的关于燃料电池的I-V特性与输出电压设定的范围的情况的图。
图4是表示在本发明的实施方式中的蓄电装置进行升温控制时的各要素的变化情况的图。
标号说明
10燃料电池搭载车辆驱动系统
12逆变器
14旋转电机
20电源电路
22蓄电装置
24电压变换器
26燃料电池
28蓄电池温度
30燃料电池
40电源控制装置
42FC输出电压设定模块
44OCV回避模块
46蓄电池升温控制判断模块
48OCV回避解除模块
具体实施方式
以下使用附图详细说明本发明的实施方式。以下作为应用了电源控制装置的系统，对搭载有燃料电池与旋转电机的车辆驱动系统进行说明，但如果是含有具有燃料电池与蓄电装置的电源电路的系统，则也可以是除此之外的系统。例如，车辆上也可以不搭载作为负载的旋转电机，另外，负载也可以是如在高电压下工作的辅机等旋转电机之外的电气装置。
另外，以下，作为电源电路，对包括高电压的蓄电装置、燃料电池、电压变换器的构成进行说明，但也可以是包括除此之外的要素的构成。例如，可以是包括系统主继电器、低电压蓄电池、低电压工作的DC/DC转换器、平滑电容器等的构成。另外，以下使用的各电力值等值是为了说明而列举的一例，当然，也可以是这些值以外的值。
图1是表示含有电源控制装置40的燃料电池搭载车辆驱动系统10的构成的图。燃料电池搭载车辆驱动系统10是对车辆上搭载的旋转电机14进行驱动控制的系统，其构成为包括：与旋转电机14连接的逆变器12；具有蓄电装置22、电压变换器24以及燃料电池26的电源电路20；以及控制电源电路20的电源控制装置40。
旋转电机14在此是搭载在车辆上的电动机/发电机(M/G)，是在供给电力时作为电动机发挥功能、在制动时作为发电机发挥功能的三相同步型旋转电机。
逆变器12是在电源控制装置40的控制下具有下述功能的电路：将高电压直流电力转换为交流三相驱动电力而供给给旋转电机14的功能；以及相反地将来自旋转电机14的交流三相再生电力转换为高电压直流充电电力的功能。所述逆变器12可由包含开关元件与二极管等的电路构成。
电源电路20中的蓄电装置22是能够充放电的高电压2次电池，经由电压变换器24与燃料电池26连接，具有与逆变器12、旋转电机14等负载的变动对应的功能。作为所述蓄电装置22，可以使用例如锂离子电池组或镍氢电池组或者电容器等。蓄电装置22一般被称为蓄电池，因此，以下记载为蓄电池时，其意思是蓄电装置。
蓄电装置22的输出电压、输出电流、蓄电能力等随温度变化而变化。因此，蓄电装置22的温度状态作为蓄电池温度28被传送给电源控制装置40。另外，蓄电装置22的充电状态即SOC(State OfCharge：充电状态)也被传送给电源控制装置40。
电压变换器24是配置在蓄电装置22与燃料电池26之间的电路。例如，燃料电池26的电力不足时，从蓄电装置22侧通过电压变换器24向负载供给电力，对蓄电装置22充电时通过电压变换器24从燃料电池26侧向蓄电装置22供给电力。作为所述电压变换器24可以使用含有电抗器的双向型转换器。
燃料电池26是以将多个燃料电池单元组合而取出约200V至约400V程度的高电压的发电电力的方式构成的一种电池组，被称为燃料电池组。在此，各燃料电池单元向阳极侧供给氢作为燃料气体，向阴极侧供给空气作为氧化气体，具有根据经过固体高分子膜即电解质膜的电池化学反应取出所需电力的功能。另外，关于燃料电池26的输出特性即I-V特性，在后面详细说明。另外，燃料电池有时被略称为FC(Fuel Cell)。因此，以下记载为FC时，其是表示燃料电池。
电源控制装置40具有控制构成逆变器12与电源电路20的各要素的工作的功能，在此，尤其具有为能够迅速进行蓄电装置22的升温控制而适当设定燃料电池26的工作点的功能。所述电源控制装置40可以由适合车辆搭载的电气控制单元(Electric Control Unit：ECU)构成。具体来说，可以由适合车辆搭载的计算机等构成。
电源控制装置40构成为包括：FC输出电压设定模块42，设定燃料电池的输出电压；OCV回避模块44，在FC输出电压设定时回避OCV附近的电压；蓄电池升温控制判断模块46，判断蓄电装置22是否处于升温控制中；以及OCV回避解除模块48，蓄电装置22处于升温控制中时解除OCV回避。这些功能能够通过软件实现，具体来说，能够通过执行电源控制程序中的FC输出电压设定程序来实现。另外，也可以通过硬件实现所述功能的一部分。
关于上述构成的作用，尤其是电源控制装置40的各功能，使用图2的流程图、图3以及图4详细说明。以下，使用图1的标号说明。图2是表示电源控制的流程、尤其是蓄电装置22进行升温控制时的FC输出电压设定的流程的流程图。图3是表示燃料电池26的I-V特性的情况的图。图4是表示蓄电装置22进行升温控制时的各要素的变化情况的图。
在图2中，电源控制在通常情况下，根据旋转电机14的工作状态将要求电力的大小传送至电源控制装置40(S 10)。例如，传送P(kW)等作为要求电力。并且，设定与要求电力P对应的燃料电池26的工作点。至此的工序根据FC输出电压设定模块42的功能实现。并且在通常的FC运转状态时，回避OCV附近而设定FC输出电压(S 12)。所述工序通过OCV回避模块44的功能实现。
图3表示在横轴取输出电流I、在纵轴取输出电压V的I-V特性作为燃料电池26的输出特性。燃料电池26的I-V特性如图3所示，电流为零时的电压即开路电压(OCV)为最大电压值，由此开始增加电流时，电压值急剧下降，并大体上稳定在一定值，进一步增加电流值时，电压值再次急剧下降，直至电压值变为零。
这样，在燃料电池26的I-V特性中，虽然在电流小的区域与电流大的区域中输出电压急剧变化，但是在其之间的区域中，输出电压的变化相对于电流的变化比较小，大体上为一定的输出电压。所述输出电压的急剧变化是基于燃料电池26的电化学反应的产物，如果例如在OCV附近使用，则有可能燃料电池26的劣化加重。因此，燃料电池26优选在图3中用斜线表示的区域中使用。图3中，用一定的线表示要求电力P，表示所述要求电力P的线与燃料电池26的I-V特性的交点为输出要求电力P时的燃料电池26的工作点。
如上所述，因为在设定燃料电池26的工作点时最好避开OCV附近，因此，在燃料电池26的输出电压设定中，确定作为上限的阈值上限电压V1。阈值上限电压V1是在设定作为燃料电池26的工作点的输出电压中在其以下进行设定的上限的电压值。阈值上限电压V1是比OCV低的电压，能够对应于燃料电池26的I-V特性等预先设定。OCV与阈值上限电压V1之间的区域是在燃料电池26的输出电压设定中被回避的回避电压区域。
再回到图2，在燃料电池26的通常的运转状态中，虽然作为S12、S14避开OCV附近的回避电压区域而进行输出电压的设定，但在此处判断蓄电装置22是否处于升温控制中(S14)。所述工序通过蓄电池升温控制判断模块46的功能执行。例如，如果外部空气温度低，则蓄电装置22的温度也低，来自蓄电装置22的输出电压、输出电流下降，而蓄电能力也变低。因此，电源控制装置40在蓄电池温度28为预定的规定温度以下时，进行用于使蓄电装置22升温的升温控制。在此，不使用特别的加热装置，而对蓄电装置22反复进行强制充放电。由此，蓄电装置22进行活化，其温度上升。
蓄电装置22的升温控制是与蓄电池温度28一起考虑SOC30而进行。作为一例可以是，蓄电池温度28下降至第一温度以下时开始升温控制，SOC30为第一阈值以上时进行强制放电，SOC30在比第一阈值低的第二阈值以下时进行强制充电，蓄电池温度28上升而达到比所述第一温度高出若干的第二温度时，停止升温控制。
S14中的升温控制的判断，可根据是否从电源控制装置40输出了对电源电路20执行升温控制的指令等进行。对蓄电装置22的充放电通过进行变更电压变换器24中的电流方向的控制而执行。电压变换器24中的电流方向的变更，可通过变更构成电压变换器24的多个开关元件的工作而进行。
在S14中如果判断为不处于升温控制中，则这是燃料电池26的通常运转状态，返回S10、S12，避开回避电压区域进行与要求电力对应的输出电压的设定。
在S14中如果判断为处于升温控制中，则接着判断是否处于放电中(S16)。由此，区分蓄电装置22是处于放电中(S18)还是处于充电中(S20)。所述判断可通过区分从电源控制装置40输出的对电源电路20执行升温控制的指令的内容是强制放电指令还是强制充电指令等而进行。例如，通过比较给予构成电压变换器24的多个开关元件的各个信号，可区分现在是在放电中还是在充电中。或者，也可通过由适当的电流检测单元检测电压变换器24中的电流的方向而进行。
蓄电装置22处于强制放电中时，FC输出电压的设定在阈值上限电压V1以上的区域中进行(S22)。具体来说，在OCV与V1之间设定放电时上限电压V2，V2以上OCV以下的范围是放电时可设定范围。所述情况如图3所示。
蓄电装置22处于强制充电中时，FC输出电压的设定在阈值上限电压V1以下的区域中进行(S24)。即，充电时可设定范围在V1以下。这与燃料电池26的通常的运转状态中的输出电压设定条件相同，但是，工作点不是由要求电力P确定，而是为了迅速进行充电，在能够取得大的输出电流的区域中进行输出电压的设定。
图4是说明进行蓄电装置22的升温控制时的各要素的状态的时间变化的情况的图。图4的横轴为时间，在纵轴上，从上向下分别表示蓄电池电力、蓄电池电压、SOC、蓄电池温度、FC输出电压。在此，蓄电池电力作为从蓄电装置22向外部供给的电力表示。
在图4中，横轴的最左侧是燃料电池26的通常运转状态，即蓄电装置22没有进行升温控制的状态。在这种状态下，FC输出电压在V1以下的区域中进行设定。这在图4中用附加了斜线的区域表示。在以下也相同，在FC输出电压的项目中附加了斜线的区域是能够设定在该时刻的FC输出电压的区域。
图4中，从横轴的最左侧到跨过折断线的右侧，表示进行蓄电装置22的升温控制的状态。即，表示了下述情况：交替反复进行强制放电与强制充电，与此相应地，蓄电池温度缓慢上升。
在图4中，在进行强制放电的时间段中，向外部供给的蓄电池电力增加，蓄电池电压下降，SOC下降。在此，FC输出电压在OCV以下V2以上的放电时可设定区域的范围内进行设定。所述放电时可设定区域由图3可知，与燃料电池26的通常运转状态时相比，燃料电池26的输出电流较小。例如，如果将FC输出电压设定在很接近OCV的附近，则能够使燃料电池26的输出电流几乎为零。由此，通过降低蓄电装置22的蓄电池电压，能够尽可能将可能从燃料电池26流入蓄电装置22进行充电的电流抑制为极小。
强制放电在SOC降低至规定值时停止，切换为强制充电。
在图4中，在进行强制充电的时间段中，向外部供给的蓄电池电力减小，蓄电池电压上升，SOC上升。在此，FC输出电压在V1以下的充电时可设定区域的范围内进行设定。因为V1是上限值，因此，如果在所述电压以下，则能够适当设定FC输出电压。因此，为迅速进行充电，最好降低FC输出电压，增大燃料电池26的输出电流。
强制充电在SOC上升至规定值时停止，切换为强制放电。这样，通过交替反复进行强制放电与强制充电，蓄电池温度缓慢上升。如图2所示，在反复进行强制放电(S18、S22)与强制充电(S20、S24)的期间，不断监视是否处于升温控制中，处于升温控制中时，反复进行S16、S18、S20、S22、S24的工序，升温控制结束时，则返回S10，进行通常的燃料电池26的运转控制。
这样，蓄电装置22在升温控制中时，解除OCV回避控制，能够包含回避电压区域而进行燃料电池26的输出电压设定。由此，能够在强制放电中抑制减小燃料电池26的输出电流，在强制充电中增大燃料电池26的输出电流，使蓄电装置22迅速升温。

Claims (3)

1.一种电源控制装置，其特征在于，包括：
在蓄电装置与燃料电池之间进行电力分配，并与分配给燃料电池的要求电力对应地设定燃料电池的目标输出电压的单元；
开路电压回避单元，在设定目标输出电压时，将燃料电池的开路电压与预先设定的规定的阈值上限电压之间的范围作为回避电压区域而设定目标输出电压，其中，所述阈值上限电压为比开路电压低的电压；
判断蓄电装置是否通过强制的充放电进行升温控制的单元；以及
开路电压回避解除单元，在判断为蓄电装置进行升温控制时，能够包含回避电压区域而进行目标输出电压的设定，
开路电压回避解除单元使在蓄电装置进行强制的放电时能够设定目标输出电压的放电时的可设定范围比在蓄电装置进行强制的充电时能够设定目标输出电压的充电时的可设定范围高。
2.如权利要求1所述的电源控制装置，其特征在于，
开路电压回避解除单元使放电时的可设定范围为开路电压与预先设定的规定的放电时阈值下限电压之间的范围，其中，所述放电时阈值下限电压是在开路电压以下且在阈值上限电压以上的电压，并且，所述开路电压回避解除单元使充电时的可设定范围为阈值上限电压以下的电压。
3.如权利要求1所述的电源控制装置，其特征在于，
具有蓄电装置充放电单元，该蓄电装置充放电单元根据蓄电装置的温度或蓄电装置的充电状态执行强制的充放电控制。
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