CN103597720B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

FC升压转换器（14）具备分别具有电抗器（32）的多个转换部（31a～31d），在一个转换部（31a）上设有检测电抗器（32）的温度的热敏电阻（35），ECU41以规定的变化率限制转换部（31a～31d）的输出。设有热敏电阻（35）的转换部（31a）在热敏电阻（35）的检测温度成为限制开始温度Tc’的时点开始输出限制，所述限制开始温度Tc’是根据从电抗器（32）的标准耐热温度Tmax减去热敏电阻（35）的误差ta而得到的基准耐热温度Ta求出的温度，未设有热敏电阻（35）的转换部（31b～31d）在热敏电阻（35）的检测温度成为限制开始温度Tc’’的时点开始输出限制，所述限制开始温度Tc’’是根据从电抗器（32）的基准耐热温度Ta减去电抗器（32）的特性的波动的温度tc而得到的允许温度Tb’求出的温度。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及具备燃料电池和多个电压变换器的燃料电池系统。
背景技术
例如在具备电动机的车辆中，公知具备如下装置的结构：电压变换器，变换由发电装置发电的电压而对直流电源进行充电，且将该变换后的电压向与直流电源并联连接的辅机供给；及控制装置，以当电压变换器的通电电流超过规定值时限制辅机的负载的方式控制辅机（例如参照专利文献1）。
【专利文献1】日本特开2006-288024号公报
发明内容
在上述的系统中，由于大电流流向作为电压变换器的升压转换器的电抗器，所以设有热敏电阻进行控制以避免电抗器变成过高的温度。
然而，近年来，作为电压变换器即升压转换器，伴随燃料电池的进一步高输出化，存在使用具备多个电抗器的多相的转换器即多相转换器的情况，但在这种多相转换器中，通过设于各相的热敏电阻分别控制各相的电抗器的温度时，热敏电阻的设置数量增加，会导致成本提高。
该情况下，可考虑对特定的相设置热敏电阻，通过该热敏电阻控制所有相的电抗器的温度。但是，该情况下，必须对所有的电抗器考虑特性的波动、热敏电阻的测定误差及由驾驶性能（驾驶舒适性）设定的负载率的限制，成为冗长的控制。因此，必须抑制为相比实际的耐热温度相当低的温度来进行电抗器的温度控制，效率差。
本发明鉴于上述问题而创立，其目的在于提供能够抑制成本并实现高效率化的燃料电池系统。
为了实现上述目的，本发明的燃料电池系统中，具有：由燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池；使来自该燃料电池的电力升压的升压转换器；及进行所述升压转换器的输出控制的控制部，
所述升压转换器具备分别具有电抗器的多个转换部，在这些多个转换部中的一部分的转换部设置有检测所述电抗器的温度的温度传感器，所述控制部能够以规定的变化率限制所述转换部的输出，其中，
所述控制部利用设置有所述温度传感器的转换部、未设置有所述温度传感器的转换部来使所述输出的限制开始温度不同。
更具体而言，设置有所述温度传感器的转换部在所述温度传感器的检测温度为根据所述电抗器的耐热温度求出的限制开始温度的时点开始输出限制，未设置有所述温度传感器的转换部在所述温度传感器的检测温度为根据允许温度求出的限制开始温度的时点开始输出限制，所述允许温度通过从所述电抗器的耐热温度减去所述电抗器的特性的波动的温度而得到。
根据该构成的燃料电池系统，能够通过具有多个转换部的多相升压转换器应对燃料电池的大电流化，而且由于在多个转换部中的一部分转换部上设置温度传感器而进行转换部的输出控制，因此与在全部的转换部上设有温度传感器的情况相比较，能够大幅减少成本。而且，仅对于未设置有温度传感器的转换部减去电抗器的特性的波动的温度而设定限制开始温度，因此能够提高整体的限制开始温度。由此，能够驱动各电抗器直至本来能发挥的性能的限度附近，能够实现高效率化。另外，也能够不需要针对电抗器的过度的散热结构、耐热结构，能够进一步降低成本。
另外，在本发明的燃料电池系统中，也可以是，对于设置有所述温度传感器的转换部的输出限制的变化率设定成小于对于未设置有所述温度传感器的转换部的输出限制的变化率。
另外，本发明的燃料电池系统中，也可以是，解除对于所述转换部的输出限制的时刻相对于输出限制向低温侧偏移。
另外，本发明的燃料电池系统中，也可以是，所述升压转换器能够伴随着所述升压转换器的输出的增加以使被驱动的转换部的数量增加的方式切换驱动相数，所述温度传感器设置于最初被驱动的相的转换部。
另外，本发明的燃料电池系统中，也可以是，所述控制部基于预先求出的所述转换部的电抗器的发热特性来决定所述波动的温度。
【发明效果】
根据本发明的燃料电池系统，能够抑制成本并实现高效率化。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的燃料电池系统的概略电路图。
图2是表示参考例1中的电抗器的温度和负载率之间的关系的坐标图。
图3是表示参考例2中的电抗器的温度和负载率之间的关系的坐标图。
图4是表示第1实施方式中的电抗器的温度和负载率之间的关系的坐标图。
图5是表示另一实施方式中的电抗器的温度和负载率之间的关系的坐标图。
图6是表示又一实施方式中的电抗器的温度和负载率之间的关系的坐标图。
图7是表示多相转换器中的输出和效率之间的一般关系的坐标图。
【标号说明】
11燃料电池系统
12燃料电池
13驱动电动机
14FC升压转换器（升压转换器）
31a～31d转换部
32电抗器
35热敏电阻（温度传感器）
41ECU（控制部）
Ta基准耐热温度（耐热温度）
Tb’允许温度
Tc’，Tc’’限制开始温度
tc波动的温度
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的燃料电池系统的实施方式。本实施方式中，对于使用本发明的燃料电池系统作为燃料电池车辆（FCHV；FuelCellHybridVehicle）的车载发电系统的情况进行说明。
参照图1，说明本实施方式的燃料电池系统的构成。
如图1所示，燃料电池系统11具备通过作为反应气体的氧化气体和燃料气体的电化学反应产生电力的燃料电池12。
燃料电池12例如是高分子电解质型燃料电池，形成为将多个单电池层叠而成的电池组结构。单电池形成为如下结构：在由离子交换膜构成的电解质的一个面上具有空气极，在另一个面上具有燃料极，还具有一对隔板以从两侧夹持空气极及燃料极。该情况下，向一个隔板的氢气流路供给氢气，向另一个隔板的氧化气体流路供给作为氧化气体的空气，通过这些反应气体发生化学反应而产生电力。
该燃料电池12与用于使车辆行驶的驱动电动机（驱动源、负载）13连接，向驱动电动机13供给电力。在从该燃料电池12向驱动电动机13的电力供给路径上，从燃料电池12侧起依次连接有FC升压转换器（升压转换器）14、电容器15及驱动逆变器16。
这样，燃料电池系统11中，由燃料电池12发电产生的电力利用FC升压转换器14升压，经由驱动逆变器16向驱动电动机13供电。
FC升压转换器14是作为多相的转换器的多相转换器，具备多个（本例中为4个）转换部31a～31d。这些转换部31a～31d分别具备电抗器32、晶体管33及二极管34，在一个转换部31a上设有热敏电阻（温度传感器）35。
驱动电动机13例如为三相交流电动机，连接有驱动电动机13的驱动逆变器16将直流电流变换为三相交流，并向驱动电动机13供给。
另外，燃料电池系统11具备向驱动电动机13供给电力的蓄电池21。在从该蓄电池21向驱动电动机13的电力供给路径上连接有蓄电池升压转换器23。本发明的燃料电池系统也可以为不具备该蓄电池升压转换器23的构成。
该蓄电池21的电力供给路径与燃料电池12的电力供给路径连接，来自蓄电池21的电力能够向驱动电动机13供给。
本实施方式的蓄电池升压转换器23为直流的电压变换器，具有调整从蓄电池21输入的直流电压而向驱动电动机13侧输出的功能和调整从燃料电池12或驱动电动机13输入的直流电压而向蓄电池21输出的功能。通过这种蓄电池升压转换器23的功能，实现蓄电池21的充放电。另外，通过蓄电池升压转换器23，控制燃料电池12的输出电压。蓄电池21能够对剩余电力进行充电或辅助地供给电力。
燃料电池系统11具备具有易失性存储器40的ECU（控制部）41。在该ECU41上连接有燃料电池12、FC升压转换器14、蓄电池21、蓄电池升压转换器23、驱动逆变器16及驱动电动机13，ECU41控制这些燃料电池12、FC升压转换器14、蓄电池21、蓄电池升压转换器23、驱动逆变器16及驱动电动机13。另外，向ECU41发送来自设置于FC升压转换器14的转换部31a的热敏电阻35的检测温度的信号。并且，ECU41基于转换部31a的热敏电阻35的检测温度，控制构成FC升压转换器14的转换部31a～31d的输出。
接着，说明由ECU41进行的转换部31a～31d的控制。此外，由本发明的燃料电池系统的控制部进行的升压转换器的控制中，至少包括升压转换器的输出控制、及多个转换部的驱动数的切换控制、换言之升压转换器的驱动相数的切换控制。
首先，说明参考例的控制。
（参考例1）
说明在转换部31a～31d的各个上分别设置热敏电阻35而被这些热敏电阻35控制的情况。
如图2所示，ECU41利用由实际被驱动的转换部31a～31d的输出相对于驱动所有转换部31a～31d时的输出来定义的负载率（有时也称为负载限制率）控制输出，以避免超过从电抗器32的标准耐热温度Tmax减去热敏电阻35的误差ta而得到的基准耐热温度Ta。此外，该误差ta是设定了能够作为相对于真正的温度的热敏电阻35的测定误差来考虑的最大的误差值的数值，例如采用热敏电阻35的设计规格书等记载的数值。
另外，在各电抗器32达到基准耐热温度Ta的时点设电抗器32的负载率为0并使转换部31a～31d的输出停止时，由于转换部31a～31d的输出停止而车辆也停止。因此，ECU41在电抗器32达到基准耐热温度Ta前开始限制电抗器32的负载率，使转换部31a～31d的输出逐渐降低。由该负载率的限制引起的输出的变化率基于作为驾驶舒适性的指标的驾驶性能而设定，例如以10%/℃的比例进行。确保更良好的驾驶性能时，变化率相比该比例减小，若变化率比该比例大，则驾驶性能相对下降。
控制转换部31a～31d的输出的情况下，考虑使电抗器32的负载率从100%转移到0%为止的温度变化tb。
即，在全部的转换部31a～31d上设置热敏电阻35而控制负载率的情况下，从限制开始温度Tc开始进行转换部31a～31d的输出限制，所述限制开始温度Tc为相对于从标准耐热温度Tmax减去热敏电阻35的误差ta而得到的基准耐热温度Ta进一步减去考虑了驾驶性能的负载率的限制引起的温度变化tb而得到的温度。
例如，电抗器32的标准耐热温度Tmax为170℃、热敏电阻35的误差ta为7℃时，基准耐热温度Ta为163℃。并且，设考虑了驾驶性能的负载率的限制的变化率为10%/℃的情况下，该负载率的限制引起的温度变化tb为10℃（＝100%÷10%/℃），限制开始温度Tc（Tc＝Ta-tb）为153℃。
但是，如上所述，在所有的转换部31a～31d上设置热敏电阻35并通过这些热敏电阻35进行转换部31a～31d的输出控制的系统中，会导致成本提高。
（参考例2）
接着，对设于一个转换部31a的热敏电阻35中的一般控制进行说明。
该情况下，也如图3所示，ECU41控制作为负载率的输出，以避免超过从电抗器32的标准耐热温度Tmax减去热敏电阻35的误差ta而得到的基准耐热温度Ta。
在此处，电抗器32由于发热特性等的特性的波动而在耐热温度上也存在波动。因此，关于未设置热敏电阻35的转换部31b～31d的电抗器32，需要考虑相对于检测转换部31a的电抗器32的温度的热敏电阻35的检测温度的电抗器32的标准耐热温度Tmax的波动的温度tc。
若考虑该温度tc，则需要进行输出控制，以避免超过允许温度Tb，该允许温度Tb是相对于从标准耐热温度Tmax减去热敏电阻35的误差ta而得到的基准耐热温度Ta进一步减去电抗器32的温度tc而得到的温度。于是，限制开始温度Tc成为相对于该允许温度Tb进一步减去考虑了驾驶性能的负载率的限制所引起的温度变化tb而得到的温度。
例如，电抗器32的标准耐热温度Tmax为170℃、热敏电阻35的误差ta为7℃、温度tc为20℃时，允许温度Tb成为143℃。并且，设考虑了驾驶性能的负载率的限制的变化率为10%/℃的情况下，该负载率的限制引起的温度变化tb成为10℃（＝100%÷10%/℃），因此限制开始温度Tc（Tc＝Tb-tb）成为133℃。
因此，该控制中，虽然通过减少热敏电阻35的个数实现了成本降低，但必须将转换部31a～31d的电抗器32的限制开始温度Tc设定为比实际的标准耐热温度Tmax相当低的温度，成为效率差的控制。
接着，说明本实施方式的控制。
本实施方式的情况下也与上述参考例2相同，利用仅设于一个转换部31a的热敏电阻35进行控制。
如图4所示，首先，对于设有热敏电阻35的转换部31a的电抗器32，算出从标准耐热温度Tmax减去热敏电阻35的误差ta而得到的基准耐热温度Ta。并且，对于该基准耐热温度Ta，求出减去考虑了驾驶性能的负载率的限制引起的温度变化tb’而得到的限制开始温度Tc’。
例如，电抗器32的标准耐热温度Tmax为170℃、热敏电阻35的误差ta为7℃时，转换部31a的电抗器32的基准耐热温度Ta成为163℃。并且，设考虑了驾驶性能的负载率的限制的变化率为10%/℃的情况下，该负载率的限制引起的温度变化tb’为2.5℃（＝25%（相当于1相量）÷10%/℃），因此转换部31a的电抗器32的限制开始温度Tc’（Tc’＝Ta-tb’）成为160.5℃。
对于未设有热敏电阻35的转换部31b～31d，需要进行控制以避免超过允许温度Tb’，所述允许温度Tb’是相对于从标准耐热温度Tmax减去热敏电阻35的误差ta而得到的基准耐热温度Ta进一步减去电抗器32的温度tc而得到的温度。于是，转换部31b～31d的限制开始温度Tc’’成为相对于允许温度Tb’进一步减去考虑了驾驶性能的负载率的限制引起的温度变化tb’’而得到的温度。在此处，负载率的限制引起的温度变化tb’’是除了转换部31a以外的3相量（即，75%的量），因此比参考例2的情况下的负载率的限制引起的温度变化tb小。
例如，电抗器32的标准耐热温度Tmax为170℃、热敏电阻35的误差ta为7℃、温度tc为20℃时，转换部31b～31d的电抗器32的允许温度Tb’成为143℃。并且，以向转换部31b～31d流过相同电流为前提，设考虑了驾驶性能的负载率的限制的变化率为10%/℃的情况下，与该负载率的限制引起的75%的变化率相对应的温度变化tb’’为7.5℃（＝75%÷10%/℃），因此限制开始温度Tc’’（Tc’’＝Tb’-tb’’）成为135.5℃。
因此，对于转换部31a以外的转换部31b～31d，也能够相比参考例2较高地设定限制开始温度Tc’’。
这样，根据上述实施方式的燃料电池系统，通过具有多个转换部31a～31d的FC升压转换器14，能够应对燃料电池输出的大电流化。另外，由于在多个转换部31a～31d中的一个上设有热敏电阻35而进行转换部31a～31d的输出控制，因此与在所有的转换部31a～31d上设有热敏电阻35的情况相比，能够大幅减少成本。而且，由于仅对于未设置热敏电阻35的转换部31b～31d减去电抗器32的特性的波动的温度tc而设定限制开始温度Tc’’，因此能够提高整体的限制开始温度。由此，能够驱动各电抗器32直至本来能发挥的性能的限度附近，能够实现高效率化。另外，能够不需要过度的散热结构、耐热结构，能够进一步降低成本。
此外，没有热敏电阻35的转换部31b～31d达到限制开始温度Tc’’而进行输出限制，转换部31b～31d的输出成为零以后，成为仅是设有热敏电阻35的转换部31a的输出，成为输出已经大幅降低的状态。由此，对于转换部31b～31d，在不损害驾驶性能的范围内极力增大，由此提高限制开始温度Tc’’，并且对于转换部31a，也可以以驾驶性能最优先来设定负载率的限制。该情况下，如图5所示，对于转换部31a，降低限制开始温度Tc’，减缓负载率的限制的变化率。
另外，上述的实施方式中，在一个转换部31a上设置热敏电阻35，但也可以在二个转换部31a、31b或三个转换部31a～31c上设置热敏电阻35。总之，本发明的燃料电池系统中，若升压转换器的相数为N（N：整数），则热敏电阻的数量能够在从1个到（N-1）个的范围内取得任意的值。
在此处，在二个转换部31a、31b上设有热敏电阻35的情况下，没有热敏电阻35的转换部31c、31d的限制开始温度Tc’’成为相对于允许温度Tb’减去了2相量的负载率的限制引起的温度变化tb’’而得到的温度。电抗器32的标准耐热温度Tmax为170℃、热敏电阻35的误差ta为7℃、温度tc为20℃时，转换部31c、31d的电抗器32的允许温度Tb’成为143℃，设考虑了驾驶性能的负载率的限制的变化率为10%/℃的情况下，该负载率的限制引起的50%的变化率所对应的温度变化tb’’成为5℃（＝50%÷10%/℃），因此限制开始温度Tc’’（Tc’’＝Tb’-tb’’）成为138℃。
另外，在三个转换部31a～31c上设有热敏电阻35的情况下，没有热敏电阻35的转换部31d的限制开始温度Tc’’成为相对于允许温度Tb’减去1相量的负载率的限制引起的温度变化tb’’而得到的温度。电抗器32的标准耐热温度Tmax为170℃、热敏电阻35的误差ta为7℃、温度tc为20℃时，转换部31d的电抗器32的允许温度Tb’成为143℃，设考虑了驾驶性能的负载率的限制的变化率为10%/℃的情况下，该负载率的限制引起的25%的变化率所对应的温度变化tb’’成为2.5℃（＝25%÷10%/℃），因此限制开始温度Tc’’（Tc’’＝Tb’-tb’’）成为140.5℃。
另外，作为输出限制的解除的时刻，如图6所示，优选向低温侧偏移几℃（例如3℃左右）（参照图6中的虚线）。这样，若在输出限制的开始与解除之间具有滞后，则能够抑制控制的振荡。
图7示出多相转换器中的输出和效率之间的关系。作为多相的转换器的多相转换器中，与如图7中虚线所示始终驱动多相的转换部31a～31d相比，以如图7中实线所示随着提高输出而逐一增加被驱动的相的方式切换驱动相数能够提高整体的效率。并且，进行如此切换驱动相数的驱动控制的情况下，最初被驱动的相的温度最高。因此，若在最初驱动的相的转换部上设置热敏电阻35，则能够提高耐热性方面的安全性。
另外，也可以在出货检查时等测定转换部31a～31d的各自的电抗器32的发热特性，将该发热特性的映射存储于ECU41的易失性存储器40，基于该映射决定各个电抗器32的温度tc而进行各转换部31a～31d的输出控制。若如此，则能够极力降低电抗器32的温度tc，由此，能够提高限制开始温度Tc’’而实现效率的提高。此外，作为电抗器32的发热特性，有与线圈的发热相关的直流电阻值、与铁芯损失相关的交流电阻值、与冷却性能相关的电流损失特性等。
另外，在上述的实施方式中，对在燃料电池车辆上搭载本发明的燃料电池系统的情况进行了说明，但在燃料电池车辆以外的各种移动体（电动车、混合动力车、机器人、船舶、航空器等）上也能够适用本发明的燃料电池系统。另外，也可将本发明的燃料电池系统适用于作为建筑物（住宅、大厦等）用的发电设备而使用的固定用发电系统。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，具有：由燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池；使来自该燃料电池的电力升压的升压转换器；及进行所述升压转换器的输出控制的控制部，
所述升压转换器具备分别具有电抗器的多个转换部，在这些多个转换部中的一部分的转换部设置有检测所述电抗器的温度的温度传感器，所述控制部能够以规定的变化率限制所述转换部的输出，其中，
设置有所述温度传感器的转换部在所述温度传感器的检测温度为根据所述电抗器的耐热温度求出的限制开始温度的时点开始输出限制，未设置有所述温度传感器的转换部在所述温度传感器的检测温度为根据允许温度求出的限制开始温度的时点开始输出限制，所述允许温度通过从所述电抗器的耐热温度减去所述电抗器的特性的波动的温度而得到。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
对于设置有所述温度传感器的转换部的输出限制的变化率设定成小于对于未设置有所述温度传感器的转换部的输出限制的变化率。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
解除对于所述转换部的输出限制的时刻相对于输出限制稍微向低温侧偏移。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述升压转换器能够伴随着所述升压转换器的输出的增加以使被驱动的转换部的数量增加的方式切换驱动相数，
所述温度传感器设置于最初被驱动的相的转换部。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述控制部基于预先求出的所述转换部的电抗器的发热特性来决定所述波动的温度。
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