专利名称：带有燃料电池的直流电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用燃料电池的直流电源。
背景技术：
近几年，作为具有良好运行效率和环保特性的电源，燃料电池正在引起人们更多的注意。燃料电池是一种通过氢和氧的电化学反应发电的设备。燃料电池通过控制燃料气体的供给量来输出所需的电能。有时，由于气体供给量的响应延迟，输出电能的响应变弱。作为避免该问题的一个装置，提供了一种其中燃料电池和电池并联连接构成电源的技术。例如，公开号2000-12059的日本专利申请公开了一种技术，其中燃料电池的输出电压通过一个直流-直流转换器被转换以便让电池和燃料电池组合起来使用。然而，在上面提到的结构中，电能输出效率有待于进一步提高。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种进一步提高采用燃料电池和电能存储设备二者的直流电源效率的技术。
在本发明中，在具有并联连接的燃料电池和电源存储设备的直流电源内，燃料电池和电源存储设备的最大输出根据下列条件设置。
在本发明的第一种结构中，燃料电池的最大输出和燃料电池与电源存储设备最大总输出之比(下文称作输出比)被设置在等于或大于0.4和等于或小于0.8的范围内。直流电源的能效受燃料电池和电能存储设备的输出比的影响。申请人通过努力发现能效在输出比处于上面提到的范围内时最佳。在上面提到的范围内，输出比最好是等于或大于0.5，而更好是等于或大于0.65，这时燃料电池可以被用作主要电源。
作为上面提到的结构的一个例子，图5表示了输出比和燃料效率或能效之间的相对关系。它表示，假设在电机驱动重2000kg的汽车且电机效率为80％的情况下，通过模拟燃料效率所获得的一种结果。在该图中，10-15模式的结果由实线表示而LA4模式的结果由虚线表示。LA4模式是一种用于美国的驱动模式以作为计算燃料效率的参考。燃料效率比是在各个输出比上通过以最大燃料效率标准化燃料效率所获得的值。如该图所示，燃料效率比在40％和80％的输出比范围内明显变高。
在本发明的第二种结构中，燃料电池的最大输出被设置为等于或大于在预定的周期内从一个端子连续输出的电能目标值的一个值。因此，相当于电能目标值的电能可以从具有较高运行效率的燃料电池连续输出，由此提高能效。在本发明的直流电源被用于电机驱动的汽车时，上面提到的电源目标值，比如，可以根据汽车的行驶性能来设置。燃料电池的最大输出可以通过输出与所需要的直流电源的电能之比来确定。
在本发明的第三种结构中，电能存储设备的容量被设置为等于或大于从一个外部设备向一个端子输入的电能的最大值。这使得从外部设备输入的电能能有效地充电并由此提高能效。在将本发明的直流电源用于电机驱动的汽车时，电能例如可以根据通过将电机用作发电机制动汽车时所恢复的还原电能来设定。电能存储设备的容量可以利用燃料电池的输出与所需要的直流电源电能的比值来确定。
在上面提到的第一至第三结构中所考虑的条件可以被适当组合，以设定燃料电池和电能存储设备的输出。在设定这些输出时，最好要考虑所有的条件。
在第一至第三结构中，燃料电池和电能存储设备的最大总输出最好等于或大于输出端子所需的最大电能。此外，提供能使连接于电源的负载设备容量被完全利用的电能是有可能的。如果最大总输出与所需要的最大电能相匹配，电源的容量可以被完全利用，它优化了能效和空间效率。
本发明的直流电源最好包括连接在电能存储设备和端子之间一个直流-直流转换器。在第一至第三结构中，使用燃料电池电能的频率高于电能存储设备的频率。在电压转换期间，在直流-直流转换器中产生的电能损耗可以通过将直流-直流转换器连接到具有相对较低的利用频率的电能存储设备侧来控制。
在本发明中，电能存储设备例如可以是一个蓄电池。也可以使用其它可充电设备如电容。
本发明除了被构成为直流电源外，还可以构成为使用这种电源的各种设备，比如由电机所驱动的汽车。此外，本发明可以构成为设计直流电源的方法，提供设定燃料电池和电能存储设备的输出的步骤，以便满足第一至第三结构所列举的条件。
图1是装有作为本发明某一实施例的电源系统的汽车示意图；图2是行驶时电能控制过程的流程图；图3是表示燃料电池输出特性的示意图；图4是表示用于设定燃料电池和电池输出比的方法的流程图；图5是表示输出比和燃料效率比之间相对关系的示意图；及图6是表示燃料效率改善效果的示意图。
具体实施例方式
下面，将根据下列各项描述本发明应用于多动力型汽车的实施例。
A.设备配置B.电能控制过程C.设定输出比D.效果A.设备配置图1是装有作为本发明某一实施例的电源系统的汽车示意图。该车带有连接于车轮63L和63R作为驱动能源的同步电机61。电源系统1是用于同步电机61的电源。从电源系统1输出的直流电由反向变流机60转换成要提供给同步电机61的三相交流电。同步电机61在制动期间也能用作发电机。
电源系统1包括一个燃料电池40、一个电池20、一个DC-DC变换器30，和类似装置。燃料电池40借助于氢和氧的电化学反应发电。在该实施例中，采用了聚合物电解液燃料电池。燃料电池40可以各种类型中的某一种，包括磷酸燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池。用于发电的氢气通过转化(重整，reform)原料如酒精而产生。在该实施例中，发电的叠堆(stack)、产生燃气的转化器(reformer)及类似装置统称燃料电池40。此外，替代转化器，系统配置可以利用氢吸附合金或储存氢本身的氢罐。
电池20是一个可充电的蓄电池。在该实施例中，采用了镍金属氢化物电池。其它各种类型的蓄电池也可使用。取代电池20，电能存储设备除了蓄电池，比如可以利用电容。
燃料电池40和电池20并联连接于反向变流机60。用于防止来自电池20的电流或由同步电机61产生的电流回流的二极管42被装在燃料电池40和反向变流机60之间的电路上。要有选择地使用来自并联连接的电源的电，需要控制两者之间的相对压差。在该实施例中，为此目的在电池20和反向变流机60之间装有DC-DC变换器。DC-DC变换器30具有调节从电池20输入的直流电压并向反向变流机60输出该直流电压的功能，以及调节从燃料电池40或电机61输入的直流电压并向电池20输出该直流电压的功能。DC-DC变换器30的这些功能能使电池20充放电。
汽车辅件50和燃料电池(FC)辅件57连接于电池20和DC-DC变换器30之间。换句话说，电池20用作这些辅件的电源。辅件50是指驾驶汽车时使用的各种电气设备，包括例如照明设备、空调设备和液压泵。FC辅件是指用于操纵燃料电池40的各种电气设备，比如包括提供要转化的原料的泵和用于调节转化器温度的加热器。
各部分的运行由控制单元10控制。控制单元10是具有CPU、RAM和内部ROM的微计算机形式。控制单元10控制反向变流机60的切换，以根据同步电机61所需的功率输出三相交流电。控制单元10控制燃料电池40和DC-DC变换器30的运行，以确保根据所需的功率提供电能。
要实现这些控制，各种传感器信号被输入到控制单元10。这些传感器包括，如加速器踏板传感器11、检测电池20充电状态(SOC)的充电状态传感器21、检测燃料电池40气体流速的流量传感器41和检测汽车速度的车速传感器62。连接于控制单元10的其它传感器在图中被省略。
B.电能控制过程图2是行驶时电能控制过程的流程图。控制单元10与其它控制过程一起重复执行该控制过程，以便控制电机61的驱动，由此使汽车行驶。
在该处理中，控制单元10设定燃料电池40所需电能Ereq(步骤S10)。电能Ereq被确定为行驶所需要的电能Ed、充电/放电电能Eb和辅件电能Es这三部分的和。
行驶所需电能Ed是需要提供给电机61，以使汽车行驶的电能，它由下列步骤获得。首先，控制单元10设定电机61的一个目标转数和一个目标转矩。这些数值由加速器踏板开度表和汽车速度获得。二个数值的乘积得出要从电机61输出的功率。行驶所需的电能Ed由该功率除以电机61的运行效率，换句话说，也就是功率输出与电能消耗的比值，来获得。在将电机61用作再生制动的发电机时，目标转矩是一个负值。此外，行驶所需的电能Ed也是一个负值。
充/放电电能Eb是关于电池20充/放电的电能。电池的充电状态被控制维持在预定的范围内。电池20在充电状态降到预定的下限以下时被充电。根据充电所需的电能，充/放电电能Eb是一个正值。因此，在电池20充电时所需的电能Ereq增加。在另一方面，在充电状态超过了预定的上限时电池20放电。充/放电电能Eb根据放电电能是一负值。在电池20放电时所需的电能Ereq减少。
辅件电能Es是用于驱动汽车辅件50和Fc辅件51所需的电能。根据其运行状态对两个辅件都分别设定。
控制单元10设定燃料电池40的输出电压，以便输出在步骤S10设定的所需电能Ereq，并控制燃料电池40的气体流量(步骤S12)。电压根据下文所述的一张图来设定。图3是表示燃料电池40输出特性的一个示意图。上面的线图表示电能和电流之间的相对关系，而下面的线图表示电压和电流之间的相对关系。
燃料电池40的输出特性根据所供给的气体的流量而变化。在下面的曲线图中曲线Af1表示低气体流量时的状态，而曲线Af2表示高气体流量时的状态。在气体流量较低时，电压开始下降的点，移到低电流一侧。
按照所需电能Ereq，可以根据电能—电流特性图(上面曲线图)获得电流Ifc。按照电流Ifc，可以根据电压—电流特性图(下面的曲线图)获得电压Vfc。当燃料电池40的气体流量较低且不能在足够的电压值上输出所需的电能时，气体流量的目标值也根据这些特性图来设定。
接着，控制单元10设定DC-DC变换器30的输出电压(步骤14)。在电池20放电时，即充/放电电能Eb为负值时，电池20成为输入侧而反向变流机60成为输出侧。输出电压与燃料电池40的输出电压相匹配。即当充/放电电能Eb为正值时，反向变流机60成为输入侧而电池20成为输出侧。输出电压是适合于为电池20充电的一个预定值。预定值根据要充电的电能可以是常数或者可以波动。
控制单元10控制DC-DC变换器30到一个设定输出电压，并控制反向变流机60以便向同步电机61提供所需的电能(步骤S16)。在切换反向变流机60时，从燃料电池40输出对应于气体流量的电能。此外，对应于由燃料电池40输出的电能与由反向变流机60消耗的电能之间差值的电能被充到电池20或由电池20释放出。例如当来自燃料电池40的输出中存在响应延迟时，所需电能Ereq的不足数量由电池20补偿。在燃料电池40的输出接近所需的电能Ereq时，电池20的输出逐渐降低。上面所述的控制能使电能的供给具有良好的响应。
至少要保证电池20的电能用于汽车辅件50和FC辅件51。在为电池20充电时，来自燃料电池40或同步电机61的电能也可供给这些辅件。
C.设定输出率在该实施例中，如电能控制部分所述，燃料电池40被用作主要电源而电池20被用作补偿燃料电池40响应延迟的辅助电源。在给定的前提条件下，汽车的能效根据燃料电池40和电池20的输出比而变化。在本实施例中，输出比根据下列程序来设定，以获得较高的能效。
图4是表示设定燃料电池与电池输出比的方法流程图。首先，设定在汽车中安装的电机的最大输出(步骤S20)。这可以根据汽车重量、最大目标速度、加速度及类似参数设定。接着，用最大设定输出除以电机运行效率来确定所需最大电能(步骤S22)。除了电机输出外，可以考虑由辅件所消耗的电能。要完全利用电机容量，燃料电池40和电池20的最大输出之和要等于或大于所需的最大电能。
同时，根据代表汽车驱动条件的预定基准，设定燃料电池40和电池20之间输出比的下限值和上限值。输出比是指燃料电池的最大输出除以电池的最大输出。例如，下限值可以根据连续行驶性能来设定(步骤S24)。例如，假定汽车车重为2000kg且电机效率为80％。如果将速度120km/h增减率4.5％时的连续行驶性能设定为目标值，经计算，所需电能大约是65kW。如果假定所需的最大电能为100kW，则为连续行驶由燃料电池40输出所需电能所需要的输出比，设定为等于或大于0.65。
输出比的上限可以根据电池的再生容量来确定(步骤S26)。最好用由电机61制动时再生的电能为电池20充电，以显著地提高汽车的能效。如果电池20的容量太小使得再生的电能不能充电，则能效被降低。例如，在以所谓的10-15模式驱动重2000kg及电机效率为80％的汽车时，在减速期间最大再生电能经计算为20kW。如果假定所需的最大电能为100kW，需要充再生电能的电池20的容量为20kW。因此，输出比的上限值设定为0.8。
输出比的下限和上限可以根据汽车的目标性能进行不同的设定，而不管这些驱动条件。
接着，考虑汽车能效、上限和下限设定输出比(步骤S28)。例如可以利用下列方法评估效率。
图5是表示输出比与燃料效率比之间相对关系的示意图。它表示在输出比变化时，模拟燃料效率波动的结果，假定汽车车重2000kg且电机效率为80％。在该图中，10-15模式的结果由实线表示而LA4模式的结果由虚线表示。作为计算燃料效率的基准，LA4模式是用于美国的驱动模式。燃料效率比是指在由最大燃料效率在各输出比上标准化的燃料效率。如图中所示，燃料效率比在40％至80％的输出范围上明显变高。
如果前面提到的输出比80％的上限值和65％的下限值被认为具有较高能效的范围，则在该实施例中输出比的合适范围在65％和80％之间。燃料电池40和电池20的输出被设定，以满足输出比落在该范围内时的条件和最大输出之和变得等于或大于所需的最大电能时的条件(步骤S30)。最好设定输出比，使得燃料电池40和电池20的最大输出之和与所需的最大电能一致。
D.效果按照上面阐述的该实施例的电源系统，提供DC-DC变换器30在电池20一侧具有良好的燃料效率的优点。图6是表示燃料效率提高效果的示意图。虚线是表示在图1的结构中将DC-DC变换器30的位置切换到燃料电池一侧时的燃料效率。实线是表示在该实施例中所采用的结构的燃料效率。燃料效率表示为由燃料效率的最大值标准化。如图中所示，通过将DC-DC变换器连接到电池一侧，燃料效率最大提高约5％。下面研究之所以这样的原因。
正常情况下，DC-DC变换器在电压变换上的效率通常在90％至95％范围之内。在该实施例中，燃料电池被用作主要能源。此外，在DC-DC变换器被连接于燃料电池一侧时，从电源系统输出的电能由于电压转换大部分遭到损失。这种由于电压转换的损失，可以通过将DC-DC变换器连接于输出电能的数量相对少的电池一侧来控制。
通过将DC-DC变换器连接于电能数量相对少的电池一侧，DC-DC变换器的大小可以被缩小，并由此可以缩小整个电源系统的大小。
在该实施例的电源系统中，汽车辅件50和FC辅件51被连接于电池20和DC-DC变换器30之间。因此，既使在DC-DC变换器30出故障或者燃料电池40不能发电，也能保证对这些辅件的电力供应。例如，考虑到燃料电池40由于没有预热燃料电池不能产生足够的电的情况。在该实施例中，FC辅件51可以由电池20的电能驱动，以加热和启动燃料电池40。也可以在电池20的容量范围内保证汽车辅件50的运行。此外，电源系统和汽车的可靠性可以由该实施例来提高。
根据这个实施例，燃料电池40和电池20的输出比可以被优化并可以获得较高的能效。同时满足性能和能效的系统设计可以通过考虑运行效率、设定输出比以及规定上限和下限的目标性能来实现。
前面已描述了本发明的各种实施例，然而，本发明不限于这些实施例并且可以是本发明范围和实质内的各种形式。例如，本发明可以被应用于汽车以外的各种设备的电源系统。
权利要求
1.一种直流电源包括一对输出电能的端子；连接于该端子的燃料电池；及与该燃料电池并联连接于端子的电能存储设备，其中燃料电池的最大输出与燃料电池和电能存储设备最大总输出的比值在等于或大于0.4和等于或小于0.8的范围内。
2.根据权利要求1所述的直流电源，其中燃料电池的最大输出等于或大于在预定周期内从端子连续输出的电能目标值。
3.根据权利要求1或2所述的直流电源，其中电能存储设备的容量等于或大于向端子输入的电能的最大值。
4.一种直流电源包括一对输出电能的端子；连接于该端子的一个燃料电池；及与该燃料电池并联连接于该端子的一个电能存储设备，其中燃料电池的最大输出等于或大于在预定的周期内要从端子连续输出的电能目标值。
5.根据权利要求4所述的直流电源，其中电能存储设备的容量等于或大于向端子输入的电能的最大值。
6.一种直流电源包括一对输出电能的端子；连接于该端子的一个燃料电池；及与该燃料电池并联连接于该端子的一个电能存储设备，其中电能存储设备的容量等于或大于向该端子输入的电能最大值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的直流电源，其中燃料电池和电能存储设备的最大总输出等于或大于输出端子所需要的最大所需电能。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的直流电源，还包括连接于电能存储设备和端子之间DC-DC变换器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的直流电源，其中电能存储设备是一个蓄电池。
10.一种具有用作电源的电机的汽车，包括向电机提供电能的一个直流电源；及通过电源驱动电机的一个驱动电路，其中直流电源包括一对输出电能的端子；连接于该端子的燃料电池；及与该燃料电池并联连接于该端子的一个电能存储设备，而其中燃料电池的最大输出与燃料电池和电能存储设备的最大总输出的比值在等于或大于0.4和等于或小于0.8的范围内。
11.根据权利要求10所述的直流电源，其中燃料电池的最大输出等于或大于在汽车行驶期间所需要的电能。
12.根据权利要求10或11所述的直流电源，其中电能存储设备的容量等于或大于由电机所再生的电能的最大值。
13.一种具有用作电源的电机的汽车，包括一个向电机提供电能的直流电源；及一个借助电能驱动电机的驱动电路，其中直流电源包括一对输出电能的端子；一个连接于该端子的燃料电池；及与该燃料电池并联连接于该端子的一个电能存储设备，而其中燃料电池的最大输出等于或大于在汽车行驶期间所需要的电能。
14.根据权利要求13所述的直流电源，其中电能存储设备的容量等于或大于电机所再生的电能的最大值。
15.一种具有用作电源的电机的汽车，包括一个再生地操纵电机的驱动电路；及一个能储存由电机所再生的电能的直流电源，其中该直流电源包括一对向其输入电能及从其输出电能的端子；一个连接于该端子的燃料电池；及与该燃料电池并联连接于该端子的一个电能存储设备，而其中电能存储设备的容量等于或大于由电机所再生的电能的最大值。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的汽车，其中燃料电池和电能存储设备的最大总输出等于或大于从直流电源需求的最大所需电能。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的汽车，其中直流电源还包括连接于电能存储设备和端子之间的DC-DC变换器。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的汽车，其中电能存储设备是一个蓄电池。
19.一种用于设计其中燃料电池和电能存储设备并联连接的直流电源的方法，其中燃料电池和电能存储设备的输出考虑下面各项中的至少一项来设定其中燃料电池和电能存储设备的最大总输出变成等于或大于对直流电源需求的最大所需电能的条件；其中燃料电池的最大输出与燃料电池和电能存储设备的最大总输出的比值，变成等于或大于0.4和等于或小于0.8的条件；其中燃料电池的最大输出变成等于或大于在预定的周期内连续输出的电能的目标值的条件；及其中电能存储设备的容量变成等于或大于从外部设备向直流电源输入的最大电能的条件。
全文摘要
一种电源系统(1)包括并联连接的燃料电池(40)和电池(20)。一个DC－DC变换器(30)被连接于电池(20)一侧。燃料电池(40)和电池(20)的最大输出比被设定为在其中燃料电池的输出落在总输出的65％至80％的范围以内。此外，由于DC－DC变换器(30)的电能损失被控制，因此可以获得较高的能效。
文档编号H02J7/00GK1630960SQ01816902
公开日2005年6月22日 申请日期2001年10月2日 优先权日2000年10月4日
发明者杉浦浩, 石川哲浩, 渡边修夫, 真锅晃太 申请人:丰田自动车株式会社