CN108539230A - 燃料电池控制装置及其控制方法、燃料电池汽车 - Google Patents

燃料电池控制装置及其控制方法、燃料电池汽车 Download PDF

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Abstract

本发明提供燃料电池控制装置及其控制方法、燃料电池汽车。控制燃料电池系统的控制部以接收到燃料电池系统的停止且二次电池的充电量为阈值以下为条件，实施从燃料电池向二次电池的强制充电直到充电量成为阈值为止，阈值是向能够供给燃料电池系统的停止及起动所需的电力的下限值加上第一规定值而得到的值。在实施强制充电后在规定期间内接收到燃料电池系统的停止命令的情况下，控制部在上述条件中将阈值设定为向下限值加上比第一规定值低的第二规定值而得到的值。

Description

燃料电池控制装置及其控制方法、燃料电池汽车
技术领域
本发明涉及燃料电池控制装置及其控制方法、燃料电池汽车。
背景技术
近年来，搭载有使用燃料电池及二次电池作为电源的燃料电池系统的燃料电池汽车受到关注。从该燃料电池系统供给的电力被向包含行驶用电动机及辅机(例如，散热器风扇、冷却水泵、电灯等)在内的电负载供给。
另外，燃料电池系统中的二次电池蓄积由燃料电池发电产生的电力。充到二次电池中的电力例如在燃料电池系统停止后作为系统的再起动电力而使用。因此，在燃料电池系统停止时二次电池的充电量(SOC：State Of Charge，充电状态)不足系统的下次起动所需的量时，需要通过由燃料电池发电产生的电力来对二次电池进行充电。
在日本特开2007-165055中公开了：在燃料电池系统停止时，为了确保系统的下次起动所需的二次电池的充电量而进行充电。
发明内容
但是，燃料电池系统停止时的上述的充电有时到确保下次起动所需的充电量为止需要较长时间。另外，在因短途行驶的反复而在短时间内反复进行了燃料电池系统的起动和停止的情况下，相对于电力消耗量而行驶时的二次电池的充电时间变短，其结果，停止燃料电池系统时的二次电池的充电量不足下次起动所需的值的情况变多。因而，若反复进行燃料电池系统的起动和停止，则用于确保二次电池的充电量的充电需要较长时间的情况变多。
本发明提供一种缩短反复进行燃料电池系统的起动和停止的情况下的燃料电池系统的二次电池的充电时间的技术。
本发明的第一方式涉及具备燃料电池系统和对所述燃料电池系统进行控制的控制部的燃料电池控制装置，所述燃料电池系统具有燃料电池和二次电池。所述控制部判定所述二次电池的充电量是否为阈值以下，所述阈值是向能够供给所述燃料电池系统的停止及起动所需的电力的下限值加上第一规定值而得到的值。所述控制部在接收到所述燃料电池系统的停止命令且判定为所述二次电池的充电量为所述阈值以下的情况下，以实施从所述燃料电池向所述二次电池的强制充电直到充电量成为所述阈值为止的方式控制燃料电池系统。而且，所述控制部在实施所述强制充电后使所述燃料电池系统停止。在使所述燃料电池系统停止后，所述控制部在规定期间内(i)基于所述燃料电池系统的起动要求使所述燃料电池系统起动且(ii)接收到所述燃料电池系统的停止命令的情况下，将所述阈值设定为向所述下限值加上比所述第一规定值低的第二规定值而得到的值。
在本发明的第一方式中，可以是，所述控制部基于所述二次电池的温度来设定所述阈值。
在本发明的第一方式中，可以是，所述控制部在实施第一所述强制充电后在所述规定期间内实施第二所述强制充电的情况下，以比所述第一强制充电的实施时间长的方式设定所述第二强制充电的实施时间。
在本发明的第一方式中，可以是，所述强制充电的实施时间基于所述二次电池的温度而设定。
本发明的第二方式涉及具备本发明的第一方式的所述燃料电池控制装置的燃料电池汽车。
本发明的第三方式涉及燃料电池控制装置的控制方法，所述燃料电池控制装置具备燃料电池系统和控制所述燃料电池系统的控制部，所述燃料电池系统具有燃料电池和二次电池。该方法包括如下步骤：
以(i)接收到所述燃料电池系统的停止且(ii)所述二次电池的充电量阈值以下为条件，实施从所述燃料电池向所述二次电池的强制充电直到充电量成为所述阈值为止，所述阈值是向能够供给所述燃料电池系统的停止及起动所需的电力的下限值加上第一规定值而得到的值，
在实施所述强制充电后使所述燃料电池系统停止，
在所述燃料电池系统停止后，在规定期间内(i)基于所述燃料电池系统的起动要求使所述燃料电池系统起动且(ii)发出了所述燃料电池系统的停止命令的情况下，将所述阈值设定为向所述下限值加上比所述第一规定值低的第二规定值而得到的值。
根据本发明，能够提供一种缩短反复进行燃料电池系统的起动和停止的情况下的燃料电池系统的二次电池的充电时间的技术。
附图说明
以下，参照附图对本发明的典型实施例的特征、优点及技术上和工业上的意义进行说明，在这些附图中，相同标号表示相同要素。
图1是示出一个实施方式所涉及的燃料电池系统的概略结构的图。
图2是示出一个实施方式所涉及的燃料电池系统中的二次电池的充放电的控制的流程图。
图3是示出一个实施方式所涉及的燃料电池系统中的二次电池的充放电的控制所使用的阈值的设定方法的例子的图。
图4是示出一个实施方式所涉及的燃料电池系统中的二次电池的充放电的控制的坐标图。
图5是示出一个实施方式所涉及的燃料电池系统中的二次电池的充放电的控制的流程图。
具体实施方式
以下，关于本发明的实施方式，一边参照附图一边进行详细说明。不过，并非将发明的范围限定于此。
1.燃料电池系统的结构
参照图1，对本发明的一个实施方式的燃料电池系统的概略结构的例子进行说明。燃料电池系统100具备二次电池12、升压转换器13、燃料电池14、升压转换器15、变换器16、电动机17、辅机18及速度传感器S作为主要结构。控制部11对燃料电池系统100进行控制。由控制部11及燃料电池系统100构成本实施方式的燃料电池控制装置。
燃料电池系统100搭载于燃料电池汽车(FCV)等车辆(移动体)。此外，图1只不过是示出燃料电池系统100所具备的主要结构，燃料电池系统100能够包含搭载于移动体的任意的燃料电池系统所具备的其他结构。另外，燃料电池系统100也可以不搭载于移动体，例如也可以设置于一般房屋等需要电力的设施等。
二次电池12是能够充放电的蓄电部。二次电池12例如由锂离子电池等构成。二次电池12插设入于燃料电池14的放电路径，相对于变换器16与燃料电池14并联连接。二次电池12将包含电动机17及辅机18在内的电负载的要求电力中减去预先设定的燃料电池的目标输出后的电力作为电负载的驱动电力而输出。即，二次电池12向电动机17及辅机18供给驱动电力。而且，二次电池12供给燃料电池系统100的起动及停止所需的电力。另外，二次电池12蓄积通过燃料电池14的发电而得到的电力及从电动机17通过再生而得到的电力。
另外，二次电池12包含温度传感器T及电流传感器IB。温度传感器T是对二次电池12的温度进行计测并输出计测结果的传感器。电流传感器IB是计测二次电池12的放电电流的传感器。
升压转换器13是设置在二次电池12与变换器16之间的DC(直流)电压的转换器。升压转换器13例如使用IPM(Intelligent Power Module：智能功率模块)而构成。升压转换器13对从二次电池12供给的电力的DC电压进行升压并向变换器16侧输出。
燃料电池14构成为包含将多个单电池(具备阳极、阴极及电解质的单个电池(发电体))串联层叠而成的固体高分子电解质型的单电池堆。在由燃料电池14进行的通常的发电时的运转中，在阳极发生式(1)的氧化反应，在阴极发生式(2)的还原反应。作为燃料电池14整体，通过产生式(3)的起电反应来产生电力。
H2→2H++2e- (1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O (2)
H2+(1/2)O2→H2O (3)
升压转换器15是设置在燃料电池14与变换器16之间的DC电压的转换器。升压转换器15对从燃料电池1供给的电力的DC电压进行升压并向变换器16输出。升压转换器15例如由IPM等构成。
变换器16是设置在升压转换器13及升压转换器15与电动机17之间的变换器。变换器16将从燃料电池14或二次电池12供给的直流电力变换为三相交流电力，并向电动机17供给。变换器16例如由IPM构成。
电动机17是产生用于驱动搭载燃料电池系统100的移动体的车轮等的驱动力的驱动电动机。电动机17将从燃料电池14或二次电池12经由变换器16供给的电力作为驱动电力而使用。另外，电动机17将搭载燃料电池系统100的移动体的动能(例如，与电动机17的旋转相应地)再生为电能。通过再生而产生的电力被充入二次电池12。
辅机18是包含在由燃料电池14进行的发电中使用的辅机的辅机组。辅机18例如包含燃料电池的氢泵及冷却水泵等。辅机18将从二次电池12供给的电力作为驱动电力而使用。
速度传感器S是取得搭载燃料电池系统100的移动体的移动速度的计测值的传感器。该移动速度例如基于电动机17的转速而等而算出。
控制部11由具备CPU(Central Processing Unit：中央处理器)、ROM(Read OnlyMemory：只读存储器)、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)的计算机构成。控制部11基于从其他结构输入的信号及存储于RAM等存储部的程序等，来控制燃料电池系统100所具备的各结构的处理及动作，并且执行该控制所需的各种运算。
例如，控制部11在接收到燃料电池系统100的停止命令时，判断二次电池12的充电量(SOC：State Of Charge，充电状态)是否为以超过如下充电量的量而设定的阈值(该阈值的设定方法将的详情后述)以下，该充电量是为了供给燃料电池系统100的停止动作及燃料电池系统100的下次的起动动作所需的电力而需要的充电量。在二次电池12的充电量为阈值以下的情况下，控制部11在燃料电池系统100停止前使燃料电池14继续发电，以产生的电力对二次电池12进行充电。尤其是，在极低温状态(例如，0℃以下的状态)下，会实施被称作冰点下三动作的燃料电池14的结束处理、停车吹扫(PPG)及冰点下起动的动作，因此，以至少确保能够供给这些动作所需的电力的充电量的方式对二次电池12进行充电。燃料电池系统100停止时的由控制部11进行的控制处理的详情后述。
此处，燃料电池14的结束处理是指利用空气压缩机从燃料电池14的电池堆内排出水的处理。停车吹扫是指在燃料电池14的动作停止后在温度即将成为0℃以下之前实施的燃料电池14的电池堆内的水分的吹扫处理。冰点下起动是冰点下时的燃料电池系统100的起动动作。
2.燃料电池系统的停止及起动的控制流程
参照图2到图4，对燃料电池系统100的停止及起动的控制的一例进行说明。首先，参照图2，对极低温状态(即，会实施上述的冰点下三动作的状况)下的控制处理的流程进行说明。该处理由控制部11通过控制来执行。
在图2所示的处理中，首先，当作为车辆的停止命令的点火OFF的操作被进行后(当接收到燃料电池系统100的停止命令(停止指示)后(步骤S11))，控制部11判断二次电池12的充电量是否为预先设定的阈值(SOC阈值)以下(步骤S12)。在二次电池12的充电量为SOC阈值以下的情况下(步骤S12的是)，处理进入步骤S13，在二次电池12的充电量比SOC阈值大的情况下(步骤S12的否)，处理进入步骤S14。
作为SOC阈值，设定对为了供给燃料电池系统100的停止动作及燃料电池系统100的下次的起动动作所需的电力而需要的充电量(SOC下限值)加上规定值(充电量相加值δSOC)而得到的值。充电量相加值设定为与伴随车辆的行驶距离短的短途行驶而执行的后述的步骤S13的二次电池12的强制充电在规定期间内连续实施的次数(或者，实施间隔为规定期间内的强制充电连续实施的次数)对应的值。具体而言，连续实施的次数越多，则可以将充电量相加值设定为越低的值。另外，充电量相加值可以设定为与从温度传感器T取得的二次电池12的温度对应的值。例如，充电量相加值可以在二次电池12的温度越低时设定越高的值。
图3的坐标图概念性地示出根据充电量相加值而确定的SOC阈值。在图3中示出了如下情况：与二次电池12的强制充电的实施为第一次的SOC阈值相比，第二次的连续实施时的SOC阈值被设定得低，另外，第三次的连续实施时的SOC阈值被设定得更低。另外，示出了如下情况：二次电池12的温度越低，则SOC阈值被设定得越高。
返回图2的说明。在步骤S13中，控制部11以使燃料电池14进行动作而发电并对二次电池12进行充电(强制充电)的方式进行控制。步骤S13中的二次电池12的充电一直实施到二次电池12的充电量超过SOC阈值为止(步骤S12的否)。因此，图3所示的SOC阈值越高，则充电实施越长的时间，SOC阈值越低，则充电实施越短的时间。
在二次电池12的充电量超过了SOC阈值(步骤S12的否)后，控制部11实施利用空气压缩机从燃料电池14的电池堆内排出水的处理(步骤S14)、燃料电池14的动作的停止(步骤S15)以及停车吹扫(步骤S16)，作为燃料电池14的结束处理。
之后，控制部11在接收到燃料电池系统100的起动要求时，实施冰点下时的燃料电池系统100的起动动作(步骤S17)。之后，具备燃料电池系统100的车辆接受来自燃料电池系统100的电力供给而行驶(步骤S18)，处理再次进入步骤S11。
图4示出在极低温状态下反复进行了短途行驶的情况下按照图2所示的控制而由控制部11在规定期间内反复实施了燃料电池系统100的停止及起动时的二次电池12的充电量的时序变化。SOC下限值是能够供给燃料电池系统100的停止及起动所需的电力的二次电池12的充电量的下限值。SOC阈值1至SOC阈值3是对SOC下限值加上分别不同的大小的充电量相加值而得到的值。
根据图4，当在定时t1进行了作为车辆的停止命令的点火OFF的操作(接收到燃料电池系统100的停止命令)时，由于在定时t1二次电池12的充电量比SOC阈值1(SOC下限值+δSOC1)高，所以控制部11实施燃料电池系统100的停止动作等(S14～S16)。由燃料电池系统100的停止动作等消耗电力，二次电池12的充电量减少。之后，在接收到燃料电池系统100的起动命令时，实施冰点下时的燃料电池系统100的起动动作(S17)，车辆开始行驶(S18)。在结束短途行驶并指示了燃料电池系统100的停止命令(S11)的定时t2，控制部11判断二次电池12的充电量是否为SOC阈值1以下(S12)。如图4所示，由于定时t2的SOC为SOC阈值1以下，所以实施由燃料电池系统100对二次电池12的强制充电(S13)。之后在充电量增加到SOC阈值1时(定时t3)，因为处于燃料电池系统100的停止命令中，所以控制部11使燃料电池系统100停止(S14～S16)。由于燃料电池14的停止动作，二次电池12的充电量减少。
之后，当在定时t3与定时t4之间进行行驶时间短的短途行驶时，由冰点下三动作及车辆行驶使用二次电池12的电力，二次电池12的充电量进一步减少。当短途行驶结束，在定时t4再次进行了作为车辆的停止命令的点火OFF的操作(接收到燃料电池系统100的停止命令时(S11))时，由于该时刻的二次电池12的充电量为SOC阈值2(是在强制充电在短时间内连续实施时设定的阈值，且是设定了比在上次的判断中使用的SOC阈值1低的值的SOC阈值：SOC下限值+δSOC2)以下，所以利用燃料电池系统100实施强制充电(S13)。在之后充电量增加到SOC阈值2时(定时t5)，强制充电结束(定时t5)，实施燃料电池14的停止动作等(S14～S16)而二次电池12的充电量减少。
之后，在短途行驶结束后，当在定时t6再次进行了作为车辆的停止命令的点火OFF的操作(接收到燃料电池14的停止命令)时，由于该时刻的二次电池12的充电量为SOC阈值3(是在强制充电在短时间内连续实施时设定的阈值，且是设定了比在上次的判断中使用的SOC阈值2低的值的SOC阈值：SOC下限值+δSOC3)以下，所以实施强制充电。在之后充电量增加到SOC阈值3时(定时t7)，实施燃料电池14的停止动作等而二次电池12的充电量减少。
如以上那样，根据本实施方式，控制部11以接收到燃料电池系统100的停止的指示且二次电池12的充电量为SOC阈值1以下为条件，实施从燃料电池14向二次电池12的强制充电直到充电量成为SOC阈值1为止。当之后在规定期间内进行短途行驶且之后接收到燃料电池系统100的停止的指示时，以二次电池12的充电量为SOC阈值2以下为条件，控制部11实施由燃料电池系统100对二次电池12的强制充电直到充电量成为SOC阈值2为止。另外，如图4所示，在SOC阈值2中对SOC下限值加上的上述充电量相加值比在SOC阈值1中对SOC下限值加上的充电量相加值低。因此，SOC阈值2被设定为比SOC阈值1低的值。
即，控制部11以如下方式进行控制：在实施第一强制充电直到二次电池12的充电量成为SOC阈值1为止之后，在规定期间内实施第二强制充电的情况下，实施第二强制充电直到二次电池12的充电量成为比SOC阈值1低的SOC阈值2为止。其结果，与继续充电直到充电量成为SOC阈值1为止的情况相比，第二强制充电能够在较短的时间完成。能够缩短反复进行燃料电池14的起动和停止的情况下的燃料电池14的二次电池12的充电时间。
在本实施方式中，在规定期间内反复进行燃料电池系统100的起动和停止的情况下，以使强制充电的实施时间逐渐变长的方式设定SOC阈值。即，如图4所示，以将SOC阈值2与SOC阈值3的差量设定为比SOC阈值1与SOC阈值2的差量小的方式，规定期间内的强制充电的次数越增加，则将SOC阈值的减少值设定为越小。其结果，若假定冰点下三动作下的充电量的减少量大致一定，则强制充电的次数越增加，则能够使达到此时的SOC阈值为止的强制充电的时间越长。因此，控制部11在第一强制充电实施后在规定期间内实施第二强制充电的情况下，以比第一强制充电的实施时间长的方式控制第二强制充电的实施时间。例如，可以将第一强制充电的实施时间设定为5分钟，将第二强制充电的实施时间设定为10分钟。
此外，在图4所示的控制中，以强制充电次数越增加则使强制充电的实施时间(t2～t3、t4～t5及t6～t7)越逐渐变长的方式设定SOC阈值1到SOC阈值3。
通过这样以越反复进行强制充电则强制充电的实施时间越逐渐变长的方式进行控制，用户(例如，搭载了燃料电池系统100的燃料电池汽车的驾驶员)能够掌握到充电量正在逐渐接近下限值(SOC下限值)。
此外，如以下说明那样，也可以将强制充电的实施时间以不依赖于SOC阈值的方法进行设定。
参照图5，对上述的变形例进行说明。步骤S11及S12进行与图2所示的处理同样的处理。在图5的步骤S12中判断为是的情况下，在步骤S13-1中控制部11开始强制充电，并使强制充电持续至充电时间成为预先设定的时间阈值为止(步骤S13-1及S13-2)。在强制充电结束后(S13-2的否)，处理进入步骤S14。从步骤S14到S18的处理与图2所示的处理是同样的。
时间阈值能够根据二次电池12的温度而进行变更(例如，以越是低温则使充电时间成为越长的时间的方式进行设定)。
另外，时间阈值可以设定为与二次电池12的强制充电在规定期间内连续实施的次数(或者，实施间隔为规定期间内的强制充电连续实施的次数)对应的值。具体而言，可以是，在规定期间内连续实施的次数越多，则将时间阈值设定为越长的时间。
以上，虽然参照附图对本发明的实施方式进行了说明，但本发明的范围不限定于该实施方式。若是本领域的技术人员，则明显能够想到各种变更例或修正例，它们当然也属于本发明的技术范围。例如，虽然在上述的实施方式中说明了δSOC根据条件而变化的例子，但并不排除将δSOC固定。

Claims (6)

1.一种燃料电池控制装置，具备燃料电池系统和控制所述燃料电池系统的控制部，所述燃料电池系统具有燃料电池和二次电池，
其特征在于，
所述控制部判定所述二次电池的充电量是否为阈值以下，所述阈值是向能够供给所述燃料电池系统的停止及起动所需的电力的下限值加上第一规定值而得到的值，
所述控制部在接收到所述燃料电池系统的停止命令且判定为所述二次电池的充电量为所述阈值以下的情况下，以实施从所述燃料电池向所述二次电池的强制充电直到充电量成为所述阈值为止的方式控制燃料电池系统，
所述控制部在实施所述强制充电后使所述燃料电池系统停止，
在所述燃料电池系统停止后，所述控制部在规定期间内(i)基于所述燃料电池系统的起动要求使所述燃料电池系统起动且(ii)接收到所述燃料电池系统的停止命令的情况下，将所述阈值设定为向所述下限值加上比所述第一规定值低的第二规定值而得到的值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池控制装置，其特征在于，
所述控制部基于所述二次电池的温度来设定所述阈值。
3.根据权利要求1所述的燃料电池控制装置，其特征在于，
所述控制部在实施第一所述强制充电后在所述规定期间内实施第二所述强制充电的情况下，以比所述第一强制充电的实施时间长的方式设定所述第二强制充电的实施时间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池控制装置，其特征在于，
所述强制充电的实施时间基于所述二次电池的温度而设定。
5.一种燃料电池汽车，其特征在于，包含：
权利要求1至4中任一项所述的燃料电池控制装置。
6.一种燃料电池控制装置的控制方法，所述燃料电池控制装置具备燃料电池系统和控制所述燃料电池系统的控制部，所述燃料电池系统具有燃料电池和二次电池，
其特征在于，包括如下步骤：
以(i)接收到所述燃料电池系统的停止的指示且(ii)所述二次电池的充电量为阈值以下为条件，实施从所述燃料电池向所述二次电池的强制充电直到充电量成为所述阈值为止，所述阈值是向能够供给所述燃料电池系统的停止及起动所需的电力的下限值加上第一规定值而得到的值；
在实施所述强制充电后使所述燃料电池系统停止；及
在所述燃料电池系统停止后，在规定期间内(i)基于所述燃料电池系统的起动要求而使所述燃料电池系统起动且(ii)发出了所述燃料电池系统的停止命令的情况下，将所述阈值设定为向所述下限值加上比所述第一规定值低的第二规定值而得到的值。
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