CN108493524A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统。当在一个转换器中产生过电压而在另一个转换器中不产生过电压时，整个系统使用连接到所述另一个转换器的动力源继续运行。这里，判定过电压的原因是连接两个转换器的继电器中的开路故障还是在一个转换器的过电压检测电路中的故障，并且执行适合于该故障的系统控制。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种包括燃料电池和电池作为动力源的燃料电池系统。
背景技术
作为安装在车辆等中的燃料电池系统，已经提出了包括燃料电池和电池作为动力源以应付超过燃料电池的发电能力的负载的突然变化的各种燃料电池系统。
在这样的燃料电池系统中，例如，当诸如被供给来自燃料电池和电池的电力的驱动马达或控制驱动马达的逆变器的任意一个系统元件具有故障时，会导致输出失衡。因此，为了防止输出的失衡，已经提出采用使单独的系统元件独立地进行故障检测或者为了进行自我保护(故障保险)而停止的功能的系统。但是，在采用这种功能的系统中，存在会发生因某一系统元件的故障而导致另一系统元件也有故障的所谓并发故障的可能性。
作为针对并发故障的应对措施，例如，WO2014/013606中公开了以下技术。在包括用于燃料电池的转换器(在下文中被称为“燃料电池转换器”)、用于电池的转换器(在下文中被称为“二次电池转换器”)以及设置在燃料电池转换器和负载之间的逆变器(并且该逆变器也被设置在二次电池转换器和负载之间)的系统中，故障信息在第一控制器和第二控制器之间传递，第一控制器检测燃料电池转换器的故障，第二控制器检测二次电池转换器和逆变器的故障。当第一控制器和第二控制器中的任意一个控制器检测到在一个转换器中出现故障时，停止另一个转换器和逆变器的驱动。
发明内容
然而，如在WO2014/013606中公开的技术中，当在一个转换器中发生某种故障(例如，产生过电压)时，另一个转换器或逆变器也停止其运行。因此，即使当另一个转换器或逆变器没有问题时，也必须停止整个系统，因此存在系统不能高效运行的问题。
因此，本发明提供了一种即使当在一个转换器中检测到过电压时整个系统也能够继续运行的包括燃料电池和电池的燃料电池系统。
本发明的一个方面涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：燃料电池；二次电池；第一转换器，所述第一转换器被设置在燃料电池和负载之间；第二转换器，所述第二转换器被设置在二次电池和所述负载之间；以及控制器。控制器被构造成：当在第一转换器和第二转换器中的一个转换器中检测到过电压时，暂时停止燃料电池系统的运行。控制器被构造成：在燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当在第一转换器和第二转换器中的另一个转换器中检测到过电压时，维持燃料电池系统的停止状态。控制器被构造成：在燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当在所述另一个转换器中未检测到过电压时，重新启动燃料电池系统的运行。
根据这个方面，当在一个转换器中产生过电压而在另一个转换器中不产生过电压时，系统整体上能够继续运行。因此，与当识别到一个转换器的异常(过电压等的发生)时另一个转换器也必须停止其运行的现有技术的情形相比，能够更高效地运行系统。
该燃料电池系统可以进一步包括电压检测单元，所述电压检测单元被构造成：在燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当在所述另一个转换器中未检测到过电压时，检测所述一个转换器的电压。控制器可以被构造成：当所述电压检测单元检测到的所述一个转换器的电压高于预定值时，仅使用所述另一个转换器的输出来重新启动燃料电池系统的运行。
第一转换器可以是包括第一过电压检测电路的燃料电池转换器。第二转换器可以是包括第二过电压检测电路的二次电池转换器。控制器可以被构造成：当第一过电压检测电路在燃料电池转换器中检测到过电压时，暂时停止所述燃料电池系统的运行。控制器可以被构造成：在燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当第二过电压检测电路在二次电池转换器中检测到过电压时，维持燃料电池系统的停止状态。控制器可以被构造成：在燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当第二过电压检测电路在二次电池转换器中未检测到过电压时，重新启动燃料电池系统的运行。
燃料电池系统还可以包括电压检测单元，所述电压检测单元被构造成：在燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当第二过电压检测电路在二次电池转换器中未检测到过电压时，检测燃料电池转换器的电压。控制器可以被构造成：当电压检测单元检测到的燃料电池转换器的电压高于预定值时，仅使用二次电池转换器的输出重新启动燃料电池系统的运行。控制器可以被构造成：当电压检测单元检测到的燃料电池转换器的电压低于预定值时，使第一过电压检测电路无效并且重新启动燃料电池系统的运行。
燃料电池系统可以进一步包括继电器，所述继电器被构造成控制燃料电池转换器和所述二次电池转换器之间的连接。继电器可以被设置在燃料电池转换器和二次电池转换器之间。控制器可以被构造成：当电压检测单元检测到的燃料电池转换器的电压高于预定值时，判定在继电器中发生开路故障。
根据本发明，在包括燃料电池和电池作为动力源的燃料电池系统中，即使当在一个转换器中检测到过电压时，也能够继续使整个系统运行。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是图示根据实施例的安装在车辆中的燃料电池混合动力车辆(FCHV)系统的构造的示图；
图2是图示根据实施例的燃料电池转换器的主电路的电路构造的示图；
图3是图示根据实施例的过电压判定控制例程的流程图；并且
图4是图示根据实施例的过电压判定类型表的图。
具体实施方式
(实施例)在下文中，将参照附图描述根据本发明的实施例的燃料电池系统。在该实施例中，根据本发明的燃料电池系统被用作燃料电池车辆(燃料电池混合动力车辆(FCHV))的车载发电系统(FCHV系统)，但是其还能够应用于除了车辆以外的各种移动物体(例如，船舶、飞机或机器人)、固定电源或便携式燃料电池系统。
FCHV系统100包括作为用于负载130的电源的例如聚合物电解质型燃料电池110和电池120。燃料电池110是多个单体电池在其中串联堆叠的固体聚合物电解质型电池组。燃料电池110包括用于向阳极供给燃料气体的通道、用于向阴极供给氧化剂气体的通道以及用于供给冷却剂的通道(均未图示)，并且能够通过根据来自控制器160的控制信号控制燃料气体的供给量或氧化剂气体的供给量来产生期望的电力。
燃料电池110和负载130经由电力供给线路A彼此连接。在电力供给线路A中，从燃料电池110侧开始依次布置用于燃料电池的转换器(以下称为“燃料电池转换器”)150、燃料电池继电器155和逆变器140。
燃料电池转换器150用于控制燃料电池110的输出电压，并且是单向电压转换器，其将输入到输入侧(即，燃料电池110侧)的燃料电池110的输出电压升高，并且将升压后的输出电压作为燃料电池转换器150的输出电压输出到输出侧(即，逆变器140侧)。控制由燃料电池转换器150执行为使得燃料电池110的输出电压达到与目标输出对应的电压。在燃料电池转换器150的输出侧设有过电压检测电路(以下称为“燃料电池过电压检测电路”)151和检测燃料电池转换器150的输出侧上的过电压的电压传感器Sv。当检测到燃料电池转换器150的输出侧上的过电压时，燃料电池过电压检测电路(第一过电压检测电路)151将燃料电池过电压检测信号Sov1输出到控制器160。
电力供给线路B被连接到电力供给线路A。电力供给线路A和电力供给线路B的连接点X位于燃料电池转换器150和逆变器140之间。电池120被连接到电力供给线路B的一端，并且二次电池转换器180被设置在电池120和连接点X之间。燃料电池转换器150和二次电池转换器180之间的连接在控制器160的控制下由燃料电池继电器155在接通和断开之间切换。
电池120与燃料电池110并联地连接到负载130，并且用作过剩电力存储器、再生制动时的再生能量存储器以及在由于燃料电池车辆的加速或减速而导致的负载变化时的能量缓冲器。例如，诸如镍镉蓄电池、镍氢蓄电池或锂蓄电池的二次电池被用作电池120。
二次电池转换器180用于控制电池120的输出电压(逆变器140的输入电压Vin)。在二次电池转换器180的输出侧设有检测二次电池转换器180的输出侧上的过电压的过电压检测电路(以下称为“电池过电压检测电路”)181。当检测到二次电池转换器180输出侧上的过电压时，电池过电压检测电路(第二过电压检测电路)181向控制器160输出电池过电压检测信号Sov2。二次电池转换器180的电路构造可以与燃料电池转换器150相同，但是不限于此，并且能够采用任何构造，只要其能够控制逆变器140的输入电压Vin即可。
逆变器140例如是以脉宽调制方式驱动的PWM逆变器，其根据来自控制器160的控制指令将从燃料电池110和/或电池120输出的DC电力转换成三相AC电力，并且将三相AC电力供给到负载130。负载130的示例包括空气压缩机或牵引电机，但负载不限于这些示例。
在该实施例中，尽管未在附图中示出，但是在电力供给线路B的低电压侧(电池120侧)设有驱动氢泵的辅助电机、驱动冷却剂泵的辅助电机、辅助逆变器等，氢泵用于使从燃料电池110的氢气流路排出的含有氢的排气再循环到燃料电池110，冷却剂泵用于循环用于调节燃料电池110的温度的冷却剂，辅助逆变器将直流电转换成三相交流电并且将三相交流电供给到辅助电机(均未图示)。
图2是图示燃料电池转换器150的主电路的构造的示图。在图2中，为了便于描述，输入到燃料电池转换器150的未升压电压被定义为输入电压V1，并且从燃料电池转换器150输出的升压电压被定义为输出电压Vh。
燃料电池转换器150包括电抗器(电感器)L1、整流二极管D1、由绝缘栅双极晶体管(IGBT)形成的开关元件SW1以及平滑电容器C1。电抗器(电感器)L1的一端被连接到燃料电池110的输出端子，并且另一端被连接到开关元件SW1的集电极。开关元件SW1被连接在逆变器140的电力供给线路和地线之间。具体地，开关元件SW1的集电极被连接到电力供给线路，并且其发射极被连接到地线。在这种构造中，首先，当开关元件SW1导通时，电流从燃料电池110流到电感器L1，然后流到开关元件SW1，并且此时电感器L1被直流激励并存储磁能。
随后，当开关元件SW1断开时，由存储在电感器L1中的磁能产生的感应电压叠加在燃料电池110的输出电压(即，燃料电池转换器150的输入电压V1)上。比由电容器C1平滑的输入电压V1高的工作电压(即，燃料电池转换器150的输出电压Vh)从电感器L1输出，并且输出电流经由二极管D1输出。控制器160通过适当地改变开关元件SW1的导通/断开的占空比来获取期望的输出电压Vh。当在连接燃料电池转换器150和二次电池转换器180的燃料电池继电器155中发生开路故障时，输出目的地已经消失的电力被存储在燃料电池转换器150中的电容器C1中，并且最终在电容器C1中产生过电压(比额定电压高的电压)。
返回参照图1，控制器160是用于控制FCHV系统100的计算机系统，并且包括例如CPU、RAM和ROM。控制器160接收从传感器组170供给的各种信号的输入(例如，指示加速器踏板开度的信号、指示车辆速度的信号以及指示燃料电池110的输出电流或输出端子电压的信号)，并且计算负载130的要求电力(即，整个系统的要求功率)。
负载130的要求电力例如是车辆行驶电力和辅助机器电力的总和。辅助机器电力包括在车载辅助机器(诸如加湿器、空气压缩机、氢泵和制冷剂循环泵等)中消耗的电力、在车辆行驶所需的装置(诸如变速器、车轮控制器、转向装置和悬架装置)中消耗的电力以及在设置在乘员空间中的装置(诸如空调、照明设备和音响)中消耗的电力。
控制器160确定燃料电池110和电池120的输出电力的分配比，并且计算发电指令值。当计算出对燃料电池110和电池120的要求电力时，控制器160控制燃料电池转换器150和二次电池转换器180的运行，使得获得要求电力。
根据该实施例的控制器160具有用于转换器(燃料电池转换器150和二次电池转换器180)的过电压判定功能。具体地，当从燃料电池过电压检测电路151接收到燃料电池过电压检测信号Sov1时，控制器160判定在燃料电池转换器150的输出侧上产生过电压。当从电池过电压检测电路181接收到电池过电压检测信号Sov2时，控制器160判定在二次电池转换器180的输出侧上产生过电压。当由设置在燃料电池转换器150的输出侧上的电压传感器Sv检测到的电压值V1高于预设的上限电压电平Lmax时，控制器160判定产生了过电压。下面将参照图3详细描述当控制器160判定过电压时的具体操作。
图3是示出由控制器160执行的过电压判定控制处理的流程图。当检测到燃料电池转换器150的输出侧上的过电压时，燃料电池过电压检测电路151向控制器160输出燃料电池过电压检测信号Sov1。当接收到燃料电池过电压检测信号Sov1时，控制器160判定在燃料电池转换器150的输出侧上产生过电压(步骤S1)，并且暂时停止整个FCHV系统100(步骤S2)。
然后，控制器160还判定在二次电池转换器180的输出侧上是否产生过电压(步骤S3)。当从电池过电压检测电路181接收到电池过电压检测信号Sov2时，控制器160也判定在二次电池转换器180的输出侧上产生过电压(步骤S3中的“是”)。以这种方式，当通过连接到逆变器140的两个转换器的过电压检测电路(即，燃料电池过电压检测电路151和电池过电压检测电路181)以相同的方式检测到过电压时，控制器160判定介于燃料电池110和逆变器140之间的继电器(即，燃料电池继电器155)正常连接，并且维持FCHV系统100的运行停止状态直到过电压被释放(步骤S4)。
另一方面，当没有从电池过电压检测电路181接收到电池过电压检测信号Sov2并且判定在二次电池转换器180的输出侧上没有产生过电压(步骤S3中的“否”)时，控制器160使该例程过渡到步骤S5。然后，控制器(电压检测单元)160使用设置在燃料电池转换器150的输出侧上的电压传感器Sv来测量燃料电池转换器150的输出侧上的电压值V1。控制器160判定由设置在燃料电池转换器150的输出侧上的电压传感器Sv检测到的电压值V1是否低于预设的上限电压电平Lmax(步骤S6)。当由电压传感器Sv检测到的电压值V1低于上限电压电平Lmax(在步骤S6中的“是”)时，控制器160判定设置在燃料电池转换器150中的过电压检测电路(即，燃料电池过电压检测电路151)中发生了某种故障(异常)，使燃料电池过电压检测电路151无效，继续执行(重新启动)FCHV系统100的运行(包括燃料电池车辆的行驶)(步骤S7)，并且结束过电压判定控制例程。
另一方面，当由电压传感器Sv检测到的电压值V1高于上限电压电平Lmax(步骤S6中的“否”)时，控制器160判定在连接燃料电池转换器150和二次电池转换器180的燃料电池继电器155中发生开路故障(断路故障)，仅使用电池120作为动力源来继续执行整个FCHV系统100的运行(步骤S8)，并且结束过电压判定控制例程。
图4是图示布置了控制器160的过电压判定结果的过电压判定类型表TB1的图。如图4中所示，过电压判定结果被分类成类型1至类型3的三种类型。
类型1表示实际上没有产生过电压，但是由于燃料电池转换器150的过电压检测电路(燃料电池过电压检测电路151)有故障而判定在燃料电池转换器150中产生过电压的情形(步骤S1→S2→S3→S5→S6→S7)。在这种情形中，由于实际上没有产生过电压，所以燃料电池转换器150的过电压检测电路被无效，并且整个FCHV系统100的运行继续执行。
类型2表示由于连接两个转换器的继电器(燃料电池继电器155)的开路故障而实际产生过电压并且判定在燃料电池转换器150中产生过电压的情形(步骤S1→S2→S3→S5→S6→S8)。在这种情形中，由于过电压实际上在燃料电池转换器150中产生，但是在电池120的电力供给线路B中没有异常，所以仅使用电池120作为动力源继续执行整个FCHV系统100的运行。
类型3表示连接两个转换器的继电器(燃料电池继电器155)中的故障未被确认但是由两个转换器的过电压检测电路(燃料电池过电压检测电路151和电池过电压检测电路181)识别出过电压的产生的情形(步骤S1→S2→S3→S4)。在这种情形中，由于在燃料电池转换器150和二次电池转换器180中实际上不产生过电压，所以维持FCHV系统100的运行停止状态直到过电压被释放。
如上所述，根据该实施方式，当在一个转换器(上述示例中的燃料电池转换器150)中产生过电压并且在另一个转换器(上述示例中的二次电池转换器180)中不产生过电压时，能够允许整个系统继续工作(参见图4中的类型1和类型2)。因此，与当识别到一个转换器的异常(过电压发生等)时另一个转换器也必须停止其运行的现有技术的情形相比，能够更高效地运行该系统。
当在一个转换器(上述示例中的燃料电池转换器150)中产生过电压并且在另一个转换器(上述示例中的二次电池转换器180)中不产生过电压时，能够判定发生过电压的原因是连接两个转换器的继电器(上述示例中的燃料电池继电器155)的开路故障还是所述一个转换器的过电压检测电路(上述示例中的燃料电池过电压检测电路151)的故障，并且执行适合于该故障原因的系统控制。
在该实施例中，采用了一个转换器是燃料电池转换器150而另一个转换器是二次电池转换器180的模式，但是也可以采用反转的模式。即，可以采用一个转换器是二次电池转换器180而另一个转换器是燃料电池转换器150的模式。在该实施例中，首先检测在燃料电池转换器150中产生的过电压，但是当首先检测在二次电池转换器180中产生的过电压时也是如此。本发明能够应用于包括两个或更多个转换器的各种系统。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，其特征在于包括：
燃料电池；
二次电池；
第一转换器，所述第一转换器被设置在所述燃料电池和负载之间；
第二转换器，所述第二转换器被设置在所述二次电池和所述负载之间；以及
控制器，其中，所述控制器被构造成：
i)当在所述第一转换器和所述第二转换器中的一个转换器中检测到过电压时，暂时停止所述燃料电池系统的运行；
ii)在所述燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当在所述第一转换器和所述第二转换器中的另一个转换器中检测到过电压时，维持所述燃料电池系统的停止状态；并且
iii)在所述燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当在所述另一个转换器中未检测到过电压时，重新启动所述燃料电池系统的运行。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于进一步包括电压检测单元，所述电压检测单元被构造成：在所述燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当在所述另一个转换器中未检测到过电压时，检测所述一个转换器的电压，其中，所述控制器被构造成：当所述电压检测单元检测到的所述一个转换器的电压高于预定值时，仅使用所述另一个转换器的输出来重新启动所述燃料电池系统的运行。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述第一转换器是包括第一过电压检测电路的燃料电池转换器；
所述第二转换器是包括第二过电压检测电路的二次电池转换器；并且
所述控制器被构造成：
i)当所述第一过电压检测电路在所述燃料电池转换器中检测到过电压时，暂时停止所述燃料电池系统的运行；
ii)在所述燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当所述第二过电压检测电路在所述二次电池转换器中检测到过电压时，维持所述燃料电池系统的停止状态；并且
iii)在所述燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当所述第二过电压检测电路在所述二次电池转换器中未检测到过电压时，重新启动所述燃料电池系统的运行。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于进一步包括电压检测单元，所述电压检测单元被构造成：在所述燃料电池系统的运行被暂时停止的状态下，当所述第二过电压检测电路在所述二次电池转换器中未检测到过电压时，检测所述燃料电池转换器的电压，其中：
所述控制器被构造成：当所述电压检测单元检测到的所述燃料电池转换器的电压高于预定值时，仅使用所述二次电池转换器的输出重新启动所述燃料电池系统的运行；并且
所述控制器被构造成：当所述电压检测单元检测到的所述燃料电池转换器的电压低于所述预定值时，使所述第一过电压检测电路无效并且重新启动所述燃料电池系统的运行。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于进一步包括继电器，所述继电器被构造成控制所述燃料电池转换器和所述二次电池转换器之间的连接，所述继电器被设置在所述燃料电池转换器和所述二次电池转换器之间，其中，所述控制器被构造成：当所述电压检测单元检测到的所述燃料电池转换器的电压高于所述预定值时，判定在所述继电器中发生开路故障。
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