CN115528765A - 电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电源系统，提供能够在抑制制造成本和重量增加的同时提高驱动电力的供给性能的技术。电源系统(100)是与电动车辆(1)的电动发电机(11)连接的电源系统，该电源系统(100)具备燃料电池(101)、二次电池(102)、电压转换器(103)以及开关(104)。燃料电池(101)与电动发电机(11)直接连接。二次电池(102)经由电压转换器(103)而与电动发电机(11)连接。开关(104)能够切换第一状态和第二状态，在第一状态下，二次电池(102)和电压转换器(103)与燃料电池(101)并联连接，在第二状态下，二次电池(102)和电压转换器(103)与燃料电池(101)串联连接。

Description

电源系统
技术领域
本发明涉及一种具备燃料电池和二次电池的电源系统。
背景技术
近年来，从气候相关灾害的角度来看，人们对开发有助于减少CO2排放的汽车越来越感兴趣，已知作为驱动用马达的电源而具备燃料电池和二次电池的电动车辆。例如，专利文献1记载了一种电动车辆，其具备并联连接的燃料电池和二次电池，在燃料电池和二次电池的各输出端设置有电压转换器。在这样的结构中，能够对来自燃料电池和二次电池的各输出电力进行升压，因此能够得到较大的驱动输出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-153242公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献1的结构中，分别在燃料电池和二次电池中设置电压转换器，因此存在制造成本升高、重量增加的问题。
对此，可以考虑在燃料电池和二次电池中的一方设置电压转换器的结构。但是，由于该电压转换器以使来自燃料电池和二次电池的各输出电力的电压一致的方式运行，因此供给至驱动用马达的驱动电力的电压就会成为燃料电池和二次电池中未设置电压转换器的一方的电源的输出电压。另外，电源的输出电力越大电压越低，因此存在驱动用马达的电压不足而难以获得较大的动力的问题。
另外，当燃料电池和二次电池中设置有电压转换器的电源为车辆驱动的主能量源时，经由电压转换器传递的能量变大，因此电动车辆的能量效率因由电压转换器产生的损耗而降低。另外，在作为车辆驱动的主能量源的电源中设置的电压转换器的电路规模变大，因此在这一点上也存在制造成本升高、重量增加的问题。
特别是在仅在燃料电池中设置电压转换器的结构中，除了上述的制造成本升高、重量增加的问题之外，还存在始终对来自燃料电池的输出电压进行升压而电动车辆的能量效率降低的问题。另外，在该结构中，供给至驱动用马达的驱动电力的电压成为二次电池的输出电压，因此与分别在燃料电池和二次电池中设置电压转换器的结构相比，驱动用马达的电压不足而难以获得较大的动力。
对此，也可以考虑采用在二次电池中设置电压转换器而在燃料电池中不设置电压转换器的结构，但在这样的结构中，供给至驱动用马达的驱动电力的电压成为燃料电池的输出电压，因此驱动用马达的电压不足而难以获得较大的输出。
本发明提供一种能够在抑制制造成本和重量增加的同时提高驱动电力的供给性能的电源系统。
用于解决课题的方案
本发明涉及一种电源系统，其与电动车辆的马达单元连接，其中，
所述电源系统具备：
燃料电池；
二次电池；
电压转换器；以及
开关，
所述燃料电池与所述马达单元直接连接，
所述二次电池经由所述电压转换器而与所述马达单元连接，
所述开关能够切换第一状态和第二状态，在所述第一状态下，所述二次电池和所述电压转换器与所述燃料电池并联连接，在所述第二状态下，所述二次电池和所述电压转换器与所述燃料电池串联连接。
发明效果
根据本发明，能够在抑制制造成本和重量增加的同时提高驱动电力的供给性能。
附图说明
图1是表示搭载有本发明的一实施方式的电源系统100的电动车辆1的概略结构的框图(其1)。
图2是表示搭载有本发明的一实施方式的电源系统100的电动车辆1的概略结构的框图(其2)。
图3是表示DU10的特性的一例的曲线图。
图4是表示开关104的切换引起的驱动电力的电压变化的一例的图。
图5是表示电源系统100的电路结构的一例的图(其1)。
图6是表示电源系统100的电路结构的一例的图(其2)。
图7是表示电压转换器103和开关104的结构例的图。
图8是表示电压转换器103的另一结构例的图。
图9是表示电压转换器103的又一结构例的图。
附图标记说明
1 电动车辆
11 电动发电机(马达单元)
100 电源系统
101 燃料电池
102 二次电池
103 电压转换器
104 开关。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的电源系统的一实施方式进行说明。
(实施方式)
<搭载有本发明的一实施方式的电源系统100的电动车辆1的概略结构>
图1和图2是表示搭载有本发明的一实施方式的电源系统100的电动车辆1的概略结构的框图。图1、图2中的粗实线表示机械连结，双虚线表示电力配线，细实线的箭头表示控制信号。图1、图2所示的电动车辆1是具备DU(Driving Unit)10和电源系统100的1MOT型电动车辆。
DU10具备驱动轮W、齿轮箱GB及差动齿轮D、电动发电机(MG)11、以及PDU(PowerDrive Unit)13。
电动发电机11是电动车辆1的马达单元的一例，其被从电源系统100供给的驱动电力驱动，产生用于电动车辆1行驶的动力(转矩)。由电动发电机11产生的动力经由包括变速挡或固定挡的齿轮箱GB和差动齿轮D传递到驱动轮W。另外，电动发电机11在电动车辆1减速时作为发电机动作，从而输出电动车辆1的制动力。需要说明的是，通过使电动发电机11作为发电机进行动作而产生的再生电力蓄积于电源系统100的二次电池102。
PDU13将直流电压转换为交流电压并施加于电动发电机11。此外，PDU13将在电动发电机11再生动作时输入的交流电压转换为直流电压。
电源系统100能够进行从电源系统100向电动发电机11供给驱动电力而产生电动车辆1的动力的驱动动作、以及将来自电动发电机11的再生电力蓄积于二次电池102的再生动作。以下，作为电源系统100的动作，主要对驱动动作进行说明。另外，术语“输入”和“输出”的使用以电源系统100的驱动动作中的驱动电力的流动为基准。
电源系统100具备燃料电池(FC：Fuel Cell)101、二次电池(BATT)102、电压转换器(VCU：Voltage Control Unit)103和ECU(Electronic Control Unit)105。
燃料电池101具有氢罐、氢泵和FC堆。氢罐蓄积用于电动车辆行驶的燃料即氢。氢泵调整从氢罐向FC堆输送的氢量。另外，氢泵通过将氢罐所蓄积的干燥后的氢经由氢泵内的贮水槽后供给至FC堆，从而也能够调整氢的加湿量。FC堆取入从氢泵供给的氢和空气中的氧，通过化学反应生成电能。在FC堆生成的电能被供给至DU10或二次电池102。
对于燃料电池101，除了固体高分子型燃料电池(PEFC＝Polymer ElectrolyteFuel Cell)以外，还可以应用磷酸型燃料电池(PAFC＝Phosphoric Acid Fuel Cell)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC＝Molten Carbonate Fuel Cell)、固体氧化物型燃料电池(SOFC＝Solid Oxide Fuel Cell)等各种燃料电池。此外，燃料电池101的闭路电压根据放电量而变动。
二次电池102具有锂离子电池、镍氢电池等之类的多个蓄电单体，经由电压转换器103向电动发电机11供给驱动电力。另外，二次电池102并不限定于锂离子电池、镍氢电池等二次电池。例如，也可以将可蓄电容量少但能够在短时间内充入、放出大量的电力的电容器、电容用作二次电池102。
电压转换器103是将二次电池102的输出电压在保持直流的状态下进行降压的电压转换器。另外，电压转换器103也被称为DC/DC转换器。
燃料电池101的特性和二次电池102的特性彼此不同。燃料电池101只要供给作为燃料的氢和氧，就能够持续地进行大电流放电。但是，从通过所供给的燃料气体的电化学反应来产生电的原理来看，难以使燃料电池101的输出电力在短时间内不连续地变动。考虑到这些特性，则可以说燃料电池101具备作为高容量型电源的特性。另一方面，从通过内部活性物质的电化学反应产生电的原理来看，难以使二次电池102持续地进行大电流放电，但不难使其输出在短时间内不连续地变动。考虑这些特性，则可以说二次电池102具备作为高输出型电源的特性。
燃料电池101与电动发电机11直接连接。与电动发电机11直接连接是指例如不经由电压转换器(VCU)而与电动发电机11连接。在图1、图2的例子中，燃料电池101不经由电压转换器而是经由PDU13与电动发电机11连接。
二次电池102经由电压转换器103与电动发电机11连接。即，电压转换器103的输入端与二次电池102连接，电压转换器103的输出端与电动发电机11连接。在图1的例子中，二次电池102经由电压转换器103、开关104和PDU13与电动发电机11连接。在图2的例子中，二次电池102经由电压转换器103、开关104、燃料电池101和PDU13与电动发电机11连接。
开关104是能够将电源系统100切换为第一状态和第二状态的开关。如图1所示，第一状态是二次电池102和电压转换器103与燃料电池101并联连接的状态。如图2所示，第二状态是二次电池102和电压转换器103与燃料电池101串联连接的状态。
具体而言，如图1所示，开关104通过将电压转换器103的输出端连接在DU10与燃料电池101之间而将电源系统100切换为第一状态。另外，开关104通过将电压转换器103的输出端与燃料电池101连接而将电源系统100切换为第二状态。开关104例如是磁性开关，开关104的切换由ECU105控制。
在第一状态下，二次电池102和电压转换器103与燃料电池101并联连接，因此供给至电动发电机11的驱动电力的电压变低。也可以将第一状态称为“FC直连模式”。
在第二状态下，二次电池102和电压转换器103与燃料电池101串联连接，因此供给至电动发电机11的驱动电力的电压变高。也可以将第二状态称为“升压模式”等。
ECU105是进行电动车辆1中的各种控制的控制电路。具体而言，ECU105进行的控制包括开关104的切换控制。另外，ECU105进行的控制也可以包含燃料电池101、PDU13等的控制。
例如，ECU105基于对电动发电机11的要求输出值控制开关104，以切换第一状态和第二状态。对电动发电机11的要求输出值，例如由ECU105基于来自电动车辆1的驾驶员的操作(例如对电动车辆1的加速踏板的操作量)、电动车辆1的行驶速度来设定。另外，ECU105也可以使用电动车辆1行驶中的道路信息等来设定对电动发电机11的要求输出值。
具体而言，ECU105控制开关104，使得在对电动发电机11的要求输出值小于预定值时成为第一状态。由此，在对电动发电机11的要求输出值不大时，能够将二次电池102和电压转换器103与燃料电池101并联连接以向DU10供给低电压的驱动电力。
另外，ECU105控制开关104，使得在对电动发电机11的要求输出值为预定值以上时成为第二状态。由此，在对电动发电机11的要求输出值较大时，能够将二次电池102和电压转换器103与燃料电池101串联连接以向DU10供给高电压的驱动电力，在电动发电机11中产生较大的动力。
如图1、图2所示，在电源系统100中，采用不设置对来自燃料电池101的输出电力进行升压的电压转换器的结构，由此能够抑制电源系统100的制造成本和重量。
另外，电源系统100具备能够切换第一状态和第二状态的开关104，在第一状态下，将燃料电池101与二次电池102和电压转换器103并联连接，在第二状态下，将燃料电池101与二次电池102和电压转换器103串联连接。
由此，即使是不设置对来自燃料电池101的输出电力进行升压的电压转换器的结构，也能够在要求输出较大的情况下，通过切换为第二状态而供给高电压的驱动电力。另外，在要求输出值不高的情况下，能够通过切换为第一状态而向DU10供给低电压的驱动电力。此时，由于不是通过电压转换器而始终对来自燃料电池101的输出电压进行升压的结构，因此能够提高能量效率。即，能够根据要求输出来供给高电压的驱动电力或者以高能量效率供给驱动电力，能够提高电源系统100的驱动电力的供给性能。
<DU10的特性>
图3是表示DU10的特性的一例的曲线图。图3的横轴表示供给至DU10的驱动电力的电压。图3的左纵轴表示供给至DU10的驱动电力的电力。图3的右纵轴表示DU10产生的电动车辆1的动力(转矩)。
DU特性30表示DU10产生的电动车辆1的动力相对于供给至DU10的驱动电力的电压的特性。如DU特性30所示，供给至DU10的驱动电力的电压越高，越能够得到较大的电动车辆1的动力。最大额定值30a是DU特性30中的最大额定值，连续额定值30b是DU特性30中的连续额定值。
点线所示的FC特性31表示在假设采用了设置有对来自燃料电池101的输出电力进行升压的电压转换器的结构的情况下的、来自燃料电池101的输出电力中的电压和电力的特性。如FC特性31所示，来自燃料电池101的输出电力具有电力越大电压越低的特性。需要说明的是，该特性不限于燃料电池101，而在普通电源中共用。在FC特性31的例子中，通过利用电压转换器对来自燃料电池101的输出电力进行升压，从而提供DU特性30的连续额定值30b。
FC特性32表示在采用如图1、图2所示那样不设置对来自燃料电池101的输出电力进行升压的电压转换器的结构、以及与FC特性31的例子相比使燃料电池101的单体数增加的结构的情况下的、来自燃料电池101的输出电力中的电压和电力的特性。如FC特性31、32所示，通过增加单体数，能够增加来自燃料电池101的输出电力中的电压。根据FC特性32，能够提供DU特性30的连续额定值30b。
从FC特性32延伸的由虚线箭头表示的BATT辅助特性33表示基于与燃料电池101并联连接的二次电池102和电压转换器103(参照图1)的辅助特性。如BATT辅助特性33所示，通过将二次电池102和电压转换器103与燃料电池101并联连接，供给至DU10的驱动电力的电压保持FC特性32的电压不变，供给至DU10的驱动电力的电力以来自二次电池102的输出电力的量相加。
然而，通过BATT辅助特性33也无法增加供给至DU10的驱动电力的电压。因此，在将燃料电池101与二次电池102和电压转换器103并联连接的第一状态下，电动车辆1的动力只能达到连续额定值30b，相对于DU特性30的最大额定值30a，出现由单点划线箭头表示的电压不足34。
与此相对，在对DU10(电动发电机11)的要求输出值比连续额定值30b的输出值大时，本实施方式的ECU105控制开关104使其成为将燃料电池101与二次电池102和电压转换器103串联连接的第二状态。由此，可以将通过二次电池102和电压转换器103而获得的电压加到FC特性32表示的电压上。因此，能够提供DU特性30的最大额定值30a。
另一方面，在对DU10的要求输出值为连续额定值30b的输出值以下时，ECU105控制开关104使其成为将燃料电池101与二次电池102和电压转换器103并联连接的第一状态。由此，能够提供DU特性30的连续额定值30b，并且不会始终对燃料电池101的输出电力进行升压，因此能够以高的能量效率向DU10供给驱动电力。
<开关104的切换引起的驱动电力的电压变化>
图4是表示开关104的切换引起的驱动电力的电压变化的一例的图。在图4中，横轴表示时间，纵轴表示电压。供给电压40表示从电源系统100向DU10供给的驱动电力的电压。在图4中，示出了通过ECU105控制开关104，从而在时刻t1处从第一状态(FC直连模式)切换为第二状态(升压模式)的例子。
纵轴的FC电压表示燃料电池101的输出电压。纵轴的BATT电压表示二次电池102的输出电压。
在第一状态下，燃料电池101与二次电池102和电压转换器103并联连接，供给电压40与燃料电池101的输出电压相同(FC电压)。此时，电压转换器103进行将二次电池102的输出电力降低至FC电压的降压41。
在第二状态下，燃料电池101与二次电池102和电压转换器103串联连接，供给电压40通过将燃料电池101的输出电压(FC电压)、二次电池102的输出电压(BATT电压)以及由电压转换器103产生的电压变化量相加得到。由此，能够向DU10供给比第一状态高的电压的驱动电力。需要说明的是，第一状态和第二状态下的供给电压40的差量42在0-BATT电压的范围内可变。
<电源系统100的电路结构>
图5和图6是表示电源系统100的电路结构的一例的图。在图5、图6的例子中，电源系统100除了图1、图2所示的结构以外还具备二极管106。需要说明的是，在图5中省略了ECU105的图示。图5、图6中的各块的输出端“P”和“N”表示该块的输出端的正极(换言之，高电位侧)和负极(换言之，低电位侧)。图5表示第一状态，图6表示第二状态。
二极管106在DU10与燃料电池101的负极之间以电流仅沿着从DU10向燃料电池101的方向流动的朝向设置。电压转换器103的负极连接在DU10与二极管106之间。
开关104的输入端与电压转换器103的正极连接。另外，开关104具有两个输出端，一个输出端连接在燃料电池101的正极与DU10之间，另一个输出端连接在燃料电池101的负极与二极管106之间。
如图5所示，当成为开关104将电压转换器103的正极同燃料电池101的正极与DU10之间连接时的状态时，成为燃料电池101与二次电池102和电压转换器103并联连接的第一状态。
如图6所示，当成为开关104将电压转换器103的正极同燃料电池101的负极与二极管106之间连接时的状态时，成为燃料电池101与二次电池102和电压转换器103串联连接的第二状态。在该状态下，二极管106被设置为来自电压转换器103的正极的电流不会流向电压转换器103的负极和DU10。
<电压转换器103和开关104的结构例>
图7是表示电压转换器103和开关104的结构例的图。图7所示的电压转换器103是使用了降压斩波器的单相电路。具体而言，图7所示的电压转换器103具有电容器71、晶体管72、73、二极管74、75、电容器76和线圈77。
电容器71的第一端与二次电池102的正极连接，电容器71的第二端与二次电池102的负极连接。晶体管72、73相互串联且与电容器71并联连接。二极管74、75分别与晶体管72、73并联连接。
线圈77的第一端连接在晶体管72、73之间，线圈77的第二端连接于电压转换器103的正极。电容器76的第一端连接在线圈77与电压转换器103的正极之间，电容器76的第二端连接于电压转换器103的负极。在电压转换器103的负极连接有二次电池102的负极、电容器71的第二端、晶体管73的输出端以及电容器76的第二端。
如图7所示，开关104例如具有晶体管78、79和二极管80。晶体管78的第一端与电压转换器103的正极连接，晶体管78的第二端连接在燃料电池101的正极与DU10之间。晶体管79的第一端与电压转换器103的正极连接，晶体管79的第二端连接在燃料电池101的负极与二极管106之间。二极管80与晶体管78并联连接。需要说明的是，晶体管79未与二极管并联连接。
ECU105通过切换该晶体管78、79的通断来切换上述的第一状态和第二状态。具体而言，当晶体管78接通且晶体管79断开时成为第一状态，当晶体管78断开且晶体管79接通时成为第二状态。
在图7的例子中，在电源系统100中设置有电容器61。电容器61的第一端连接在燃料电池101的正极与DU10之间，电容器61的第二端连接在燃料电池101的负极与二极管106之间。
<电压转换器103的另一结构例>
图8是表示电压转换器103的另一结构例的图。图8所示的电压转换器103是将两个降压斩波器并联连接的两相磁耦合的电路。具体而言，图8所示的电压转换器103除了图7所示的电压转换器103以外，还具备与晶体管72、73、二极管74、75及线圈77(降压斩波器)相同的降压斩波器即晶体管82、83、二极管84、85及线圈87。
与晶体管72、73相同，晶体管82、83也相互串联且与电容器71并联连接。二极管84、85分别与晶体管82、83并联连接。线圈87的第一端连接在晶体管82、83之间，线圈87的第二端连接在电压转换器103的正极、即开关104的晶体管78、79之间。
<电压转换器103的又一结构例>
图9是表示电压转换器103的又一结构例的图。电压转换器103不限于图7、图8所示的结构，也可以是图9所示的结构。图9所示的电压转换器103是使用了升降压斩波器的电路。具体而言，图9所示的电压转换器103具有电容器91、晶体管92、93、二极管94、95、电容器96和线圈97。另外，在图9所示的电压转换器103的结构中，相对于图7、图8所示的结构，二次电池102的正极和负极相反。在图9所示的电压转换器103中，即使二次电池102的输出电压(BATT电压)低，也能够进行第一状态和第二状态的切换。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，并且能够适当地进行变形、改良等。需要说明的是，能够对上述实施方式适当地进行变形、改良等。例如，说明了电压转换器103对二次电池102的输出电压进行降压的结构，但不限于这样的结构。例如，在电压转换器103是图9所示的结构的情况下，也可以采用电压转换器103对二次电池102的输出电压进行升压的结构。
另外，对基于对电动发电机11的要求输出值来切换第一状态和第二状态的控制进行了说明，但不限于这样的控制。例如，也可以是，当电源系统100为第一状态时，在覆盖燃料电池101的输出电压(FC电压)和二次电池102的输出电压(BATT电压)的条件下，ECU105控制开关104使电源系统100成为第二状态。由此，在燃料电池101与二次电池102和电压转换器103并联连接的状态下，FC电压与BATT电压之间的电压差消失，可以避免电压转换器103的电压控制变得困难这一情况。
另外，主要对从电源系统100向电动发电机11供给驱动电力而产生电动车辆1的动力的驱动动作进行了说明，但ECU105也可以在将来自电动发电机11的再生电力蓄积于二次电池102的再生动作中控制开关104使电源系统成为第一状态。由此，在再生动作时，作为第一状态，能够以较高的能量效率向DU10供给驱动电力。需要说明的是，在再生动作时，二极管106动作使得来自DU10的再生电力不流向燃料电池101而是流向二次电池102。
对在燃料电池101的负极与DU10之间设置二极管106的结构进行了说明，但也可以采用设置接通/断开开关代替二极管106的结构。在该情况下，ECU105进行在在第一状态下使接通/断开开关接通、在第二状态下使接通/断开开关断开的控制。
另外，在本说明书中至少记载有以下事项。需要说明的是，在括号内示出了在上述实施方式中对应的构成要素等，但并不限定于此。
(1)一种电源系统(电源系统100)，其与电动车辆(电动车辆1)的马达单元(电动发电机11)连接，其中，
所述电源系统具备：
燃料电池(燃料电池101)；
二次电池(二次电池102)；
电压转换器(电压转换器103)；以及
开关(开关104)，
所述燃料电池与所述马达单元直接连接，
所述二次电池经由所述电压转换器而与所述马达单元连接，
所述开关能够切换第一状态和第二状态，在所述第一状态下，所述二次电池和所述电压转换器与所述燃料电池并联连接，在所述第二状态下，所述二次电池和所述电压转换器与所述燃料电池串联连接。
根据(1)，通过采用不设置对来自燃料电池的输出电力进行升压的电压转换器的结构，能够抑制电源系统的制造成本和重量。另外，能够通过开关切换第一状态和第二状态，从而能够以高能量效率供给驱动电力，或者供给高电压的驱动电力，能够提高电源系统100的驱动电力的供给性能。
(2)根据(1)所述的电源系统，其中，
根据对所述马达单元的要求输出值，通过所述开关切换所述第一状态和所述第二状态。
根据(2)，能够根据对马达单元的要求输出，切换能够以高能量效率供给驱动电力的第一状态和能够供给高电压的驱动电力的第二状态。
(3)根据(2)所述的电源系统，其中，
在所述要求输出值小于预定值时，通过所述开关而成为所述第一状态，
在所述要求输出值为所述预定值以上时，通过所述开关而成为所述第二状态。
根据(3)，在对马达单元的要求输出不高时，设为第一状态，能够以高能量效率供给驱动电力。另外，在对马达单元的要求输出较高时，设为第二状态，能够供给高电压的驱动电力。

Claims (3)

1.一种电源系统，其与电动车辆的马达单元连接，其中，
所述电源系统具备：
燃料电池；
二次电池；
电压转换器；以及
开关，
所述燃料电池与所述马达单元直接连接，
所述二次电池经由所述电压转换器而与所述马达单元连接，
所述开关能够切换第一状态和第二状态，在所述第一状态下，所述二次电池和所述电压转换器与所述燃料电池并联连接，在所述第二状态下，所述二次电池和所述电压转换器与所述燃料电池串联连接。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其中，
根据对所述马达单元的要求输出值，通过所述开关切换所述第一状态和所述第二状态。
3.根据权利要求2所述的电源系统，其中，
在所述要求输出值小于预定值时，通过所述开关而成为所述第一状态，
在所述要求输出值为所述预定值以上时，通过所述开关而成为所述第二状态。
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