专利名称：具有2次电池的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有燃料电池和2次电池的电源系统。
背景技术：
燃料电池作为对环境友好(环保)的清洁电源受到注目。通常仅由燃料电池难以应付负荷改变，因而提出一种使燃料电池和2次电池组合的混合电源系统。在所述混合电源系统中，在燃料电池故障(失灵)或起动时的特定状态下，燃料电池停止输出，仅从2次电池供给电力。
但是在混合电源系统的内部，为了将燃料电池从系统脱离，必须要有大容量的开关。而且，在将燃料电池与系统相连时，可能产生来自燃料电池的电流过大的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题提出本发明，本发明的目的是提供一种在使燃料电池和2次电池组合的电源系统中实现仅由2次电池供给电力的工作模式的技术。
本发明的第1方面是一种用于向负荷供应电力的电源系统，其包括用于和所述负荷相连的第1和第2电源布线；具有连接在所述第1和第2电源布线之间的燃料电池的燃料电池系统；与上述燃料电池并联在所述第1和第2电源布线之间的2次电源系统；用于开闭所述燃料电池和所述第1电源布线之间的连接的开关；和用于控制所述2次电源系统和所述开关的控制部(控制器)，其中，在将所述燃料电池和所述第1电源布线相连时，所述控制部对所述2次电源系统进行控制，以使所述2次电源系统的两端电压上升。
根据本发明第1方面的电源系统，由于在将燃料电池和电源布线相连时，使与燃料电池并联连接的2次电源系统的两端电压上升，可以遏制在将燃料电池和电源系统相连时所产生的来自燃料电池的过大电流。
在上述电源系统中，还包括连接在所述燃料电池和所述第一电源布线之间的逆流防止器件，其中，在将所述燃料电池和所述第1电源布线相连时，所述控制部使所述2次电源系统的两端电压上升到大于等于所述燃料电池开路时的两端电压的第1电压。
因而，由于在将燃料电池和电源系统相连时，可以使来自燃料电池的流动电流为0，通过使相连后2次电源系统的两端电压缓缓下降，可以使从燃料电池输出的电流缓缓增大。
在上述电源系统中，在将所述燃料电池和所述第1电源布线相连后，所述控制部使所述2次电源系统的两端电压下降到比所述燃料电池开路时的两端电压低的第2电压。
由此，在燃料电池被连接后，能够高效地使以比燃料电池开路时的两端电压低的电压进行最佳工作的方式构成的2次电源系统和燃料电池工作。2次电源系统构成得以比燃料电池开路时的两端电压低的电压进行最佳工作，这是因为假想在燃料电池相连时以比燃料电池开路时的两端电压低的电压进行工作而设置2次电源系统。
在上述电源系统中，响应于所述燃料电池从所述第1电源布线的断开(隔离，切り離し)，所述控制部使所述2次电源系统的两端电压下降至比所述燃料电池开路时的两端电压低的电压。
由此，在燃料电池断开时，能够高效地使以比燃料电池开路时的两端电压低的电压进行最佳工作的方式构成的2次电源系统工作在上述电源系统中，所述2次电源系统包括能够充电的2次电池、和能够对从所述2次电池输入的直流输入电力的电压进行升降而输出直流电的DC-DC(直流-直流)变换器，其中，响应于所述燃料电池从所述第1电源布线的断开，所述控制部开始进行控制，以使所述DC-DC变换器的输出电压比所述燃料电池开路时的两端电压接近所述2次电池的输出电压。
由此，在燃料电池断开时，可以使具有2次电源系统的DC-DC变换器高效工作。这是因为，输出电压越从燃料电池开路时的两端电压接近输入电压，DC-DC变换器的效率越好。而且在本说明书中，“能够充电的2次电池”不仅是蓄电池，也具有包含电容器等广泛意思。
在上述电源系统中，上述2次电源系统包括能够充电的2次电池、和能够对从所述2次电池输入的直流输入电力的电压进行升降而输出直流输出电力的DC-DC变换器，其中，响应于所述燃料电池从所述第1电源布线的断开，所述控制部开始进行控制，以使所述DC-DC变换器的输出电压接近所述2次电池的输出电压。
因而，在燃料电池断开时，可以使具有2次电源系统的DC-DC变换器高效工作。这是因为输出电压越接近输入电压，DC-DC变换器的效率越好。
在上述电源系统中，所述控制部构成得当所述燃料电池处于不能供应规定大小的电力时，使所述燃料电池从所述第1电源布线断开。
本发明的第2方面是一种控制用于向负荷供应电力的电源系统，所述电源系统包括燃料电池系统，该燃料电池系统具有其一端与所述负荷的一端相连的逆流防止器件、连接在所述负荷的另一端和所述逆流防止器件的另一端之间的燃料电池；与所述燃料电池并联连接的2次电源系统；和对所述2次电源系统进行控制的控制部，其中，控制部具有使所述2次电源系统的两端电压大于等于所述燃料电池开路时的两端电压而使所述燃料电池的输出停止的特定控制模式。
由于本发明第2方面例的电源系统具有使2次电源系统的两端电压大于等于燃料电池开路时的两端电压而使燃料电池的输出停止的特定控制模式，可以不通过开关就将燃料电池装备在混合电源系统上。
在上述电源系统中，在所述燃料电池处于包含所述燃料电池的起动或所述燃料电池的异常中至少之一的特定状态下时，所述控制部可以实施上述特定控制模式。
在上述电源系统中，所述2次电源系统包括能够充电的2次电池、能够对从所述2次电池输入的直流输入电力的电压进行升降而输出直流电力的DC-DC变换器，所述2次电池构成得在输出规定电力时的两端电压大于等于所述燃料电池开路时的两端电压，所述DC-DC变换器具有使所述2次电池和所述燃料电池短路的工作模式即短路模式，上述特定控制模式是使所述DC-DC变换器的工作模式成为上述短路模式的控制模式。
由此，由于2次电池的输出电压直接施加在燃料电池或负荷上，可以实现停止燃料电池的输出，同时避免开关损耗并使燃料电池停止时的电源效率高效化。例如通过在2次电池和燃料电池或负荷之间设置短路用的开关，能够实现短路模式在上述电源系统中，所述2次电池具有第1电源电极和第2电源电极，上述DC-DC变换器包括第1负荷电极；第2负荷电极；第2电源侧串联电路，是第1开关的一端和第2开关的一端在第1连接点串联连接的串联电路，其中，所述第1开关的另一端连接在所述第1电源电极上，同时所述第2开关的另一端连接在所述第2电源电极上；负荷侧串联电路，是第3开关的一端和第4开关的一端在第2连接点串联连接的串联电路，其中，所述第3开关的另一端连接在所述第1负荷电极上，同时所述第4开关的另一端连接在所述第2负荷电极上；连接在所述第1连接点和所述第2连接点之间的电感，其中，所述第2电源电极与所述第2负荷电极相连，上述短路模式是上述控制部使所述第1开关和所述第3开关关闭同时打开上述连接控制开关、所述第2开关和所述第4开关的工作模式。
由此，能够省略短路用的开关，简单地实现可靠性高的系统。
而且，本发明可以各种形态实现。例如，混合电源系统和其控制装置以及控制方法，包括这种系统的移动体(例如燃料电池汽车)和其控制方法，用于实现这种系统或方法的功能的计算机程序，记录该计算机程序的记录介质，在包含这种计算机程序的载波上具体化的数字信号和电力供给方法等。
图1是具有本发明第1实施例的混合电源系统的电动汽车的大致结构图；图2是示出2次电源系统20和FC系统30向电动机驱动电路40供给电力的形态的框图；图3是示出分担比例因2次电源系统20的输出电压的控制而变化的情形的说明图；图4是示出本发明第1实施例中具有DC-DC变换器21和2次电池23的2次电源系统20的结构的说明图；图5是示出本发明第1实施例的DC-DC变换器21中输入输出电压比和变换效率之间关系的说明图；图6是示出本发明第1实施例中混合电源系统的操作情形的时间图；图7是示出本发明第1实施例中混合电源系统的控制内容的流程图；图8是示出在步骤S120中执行的FC系统连接控制的内容的流程图；图9是示出DC-DC变换器电压指令的逻辑的流程图；图10是具有本发明第2实施例的混合电源系统的电动汽车的大致结构图；图11是示出本发明第2实施例的2次电源系统20a结构的说明图；图12是示出本发明第2实施例中混合电源系统100a的控制内容的流程图；图13是示出DC-DC变换器控制指令的逻辑的流程图；图14是用时序图表示在正常控制模式下在电力供给时控制部300a在4个开关Q1、Q2、Q3、Q4的各个栅极端子上施加的电压的时间图；图15是示出在向负荷200供给电力时双向DC-DC变换器电路21a的操作状态的说明图；图16是示出在双向DC-DC变换器电路21a的短路模式下操作状态的说明图；
图17是示出在短路模式下混合电源系统100a的操作状态的说明图；图18示出用于确定驱动电路的要求电力的指令内容的处理的一个示例的流程图；图19是示出2次电池23a的恒定电力放电曲线的图形。
具体实施例方式
下文按照下述顺序根据实施例介绍本发明的实施例。
A本发明第1实施例中混合电源系统的结构B本发明第1实施例中混合电源系统的操作C本发明第2实施例中混合电源系统的结构D本发明第2实施例中混合电源系统的操作A本发明第1实施例中混合电源系统的结构图1是具有本发明第1实施例的混合电源系统的电动汽车的大致结构图。该电动汽车(下文仅称作“车辆系统”)包括混合电源系统100、包含车轮的负荷200、控制部300。混合电源系统100具有在两个电源布线(配线)12、14之间相互并联的2次电源系统20以及燃料电池系统30(也称作“FC系统”)。在2次电源系统20和燃料电池系统30上，分别设置有用于测量两端电压的电压计22、36。而且将FC开关32和防止逆流用二极管D1串联在燃料电池系统30和第1电源布线12之间。
电源布线12、14与负荷200的电动机驱动电路40相连。电动机驱动电路40是用于驱动电动机42的电路，例如由晶体管逆变器构成。由电动机42产生的动力通过齿轮机构44传送到车轮驱动轴46。
控制部300电连接到FC系统30、FC开关32和电动机驱动电路40上，实施包含这些电路的控制的各种控制。控制部300的各种控制动作通过由控制部300实施存储在内置于控制部300内的图中未示出的存储器中的计算机程序而实现。作为上述存储器，可以使用ROM或硬盘等各种记录媒体。
电动机驱动电路40将混合电源系统100供给的直流电变换为三相交流电后供应给电动机42。对应于图中未示出的加速装置的输入，由控制部300控制的电动机驱动电路40确定所供应的三相交流电的大小。因而，将车辆系统构成为供给到电动机42的三相交流电的大小不依赖于混合电源系统100的输出电压。
图2是示出2次电源系统20和FC系统30向电动机驱动电路40供给电力(电功率)的情形的框图。图2(a)示出电动机驱动电路40所要求的电力比FC系统30输出电力即FC电力大的情形，图2(b)示出电动机驱动电路40所要求的电力比FC电力小的情形。
在电动机驱动电路40所要求的电力比FC电力大的情形下，FC系统30和2次电源系统20同时向电动机驱动电路40供应电力(图2(a))，例如在踩踏图中未示出的加速装置那一瞬间，驱动电路的要求电力变大时，FC系统30和2次电源系统20同时供应电力。
在电动机驱动电路40所要求的电力比FC电力小时，FC电力中的剩余部分向2次电源系统20供应，对下文所述2次电池进行充电(图2(b))。例如在怠速中驱动电路的要求电力变小时，FC系统30向电动机驱动电路40和2次电源系统20双方供应电力。
而且由电动机42再生制动而从电动机驱动电路40供应电力时，由于在FC系统30和电源布线12之间具有用于保护FC系统30的防止逆流用二极管D1(图1)，仅将所述电力向2次电源系统20供应。
图3是示出由2次电源系统20的输出电压的调整而控制FC系统30的输出的情形的说明图。图3(a)示出FC系统30的输出电压即FC电压和输出电流即FC电流之间的关系。如图3(a)所示，一旦FC电压增大，则FC电流变小；一旦FC电压降低，则FC电流变大。
具体地说，当FC电压为V0时，FC电流为I0，FC电力为P0。一旦FC电压下降到V1时，则FC电流增加到I1，FC电力增加到P1。但是，即使FC电压从V1继续下降，FC电流的增加达到饱和，FC电流和FC电压的乘积即FC电力相反开始下降。
而且，混合电源系统100构成为为了保护FC系统30，FC电压不得小于应用最小电压Vmin。因而FC电压以开路电压OCV和应用最小电压Vmin之间的输出电压而使用。
图3(b)示出与2次电源系统20并联的FC系统30(图1)的电力供给状态。电力Pt是某一瞬间的驱动电路的要求电力(图2)。FC电力作为“-”阴影线施加区域示出，2次电源电力作为“+”阴影线施加区域示出。FC电力与图3(a)所示的相同。
例如，由于当2次电源电压为V0时，FC电力的数值是比驱动电路(的)要求电力Pt还小的P0，2次电源系统20供应驱动电路要求电力Pt和P0之间的差值(＝Pt-P0)的电力。另一方面，由于一旦2次电源电压下降到V1，则FC电力的数值上升到比驱动电路要求电力Pt还大的P1，因而将FC电力中的剩余电力(＝P1-Pt)供应到2次电源系统20(图2(b))。因此可知，混合电源系统100通过调整2次电源电压(2次电源系统20的输出电压)而可以对FC电力进行控制。
由此，例如能够对应于后述2次电池的充电状态对FC系统30的输出进行调整。例如在2次电池的充电量少时，最好减小2次电源电压。如果这样做，则增大FC系统30的输出，能够增多对2次电池的充电机会。另一方面，当2次电池的充电量过大时，最好增大2次电源电压。如果这样做，则降低FC系统30的输出，能够增多2次电池的放电机会。
图4是示出本发明第1实施例中具有DC-DC变换器21和2次电池23的2次电源系统20的结构的说明图。DC-DC变换器21包括2个开关Q1、Q2、变压器T、二极管D2和电容器C。2次电源系统20可以在规定范围内将任意电压的直流电输出到2个端子T12、T14上。
DC-DC变换器21构成为图4所示回扫描方式的双向变换器。该双向变换器从2次电池23供应电力，也可以用来自FC系统30或电动机驱动电路40的电力对2次电池23进行充电。
通过控制部300将开关Q2固定在“接通”，使开关Q1实施接通断开(ォンォフ)操作，来实施由2次电源系统20实现的电力供给。一旦使开关Q1实施接通断开操作，当开关Q1变成“接通”那一瞬间时，在变压器T的1次侧线圈上(2次电池23侧)上积聚磁能，当开关Q1变成“断开”那一瞬间时，在2次侧线圈上(输出侧)产生电动势。通过使开关Q1的占空比(接通断开比)变化，可以对2次电源系统20的输出电压进行控制。另一方面，通过控制部30将开关Q1固定在“接通”，使开关Q2接通断开，来实施2次电池23的充电。
图5是示出本发明第1实施例的DC-DC变换器21中输入输出电压比和变换效率之间的关系的说明图。输入输出电压比就是由DC-DC变换器21的输入电压除DC-DC变换器21的输出电压所获得的数值。变换效率是用输入电力除DC-DC变换器21的输出电力所获得的数值。如图5所示，由于在输入输出电压比为1时，出现变换效率的峰值。最好将混合电源系统100构造成经常在2次电源系统20的输出电压和2次电池23的输出电压相等的状态下应用。
B本发明第1实施例中混合电源系统的操作图6是示出本发明第1实施例中混合电源系统的操作情形的时间图。图6示出在作为一个示例的顺序，也就是所谓(1)FC系统30的起动，(2)混合电源系统的正常运行，(3)FC系统30的故障，(4)在混合电源系统的正常运行状态的顺序中，混合电源系统100的状态。
作为混合电源系统100的状态，FC开关32的操作状态、DC-DC变换器21的指令电压和FC电流作为时间图被示出。而且在本说明书中，所谓混合电源系统的正常运行意味着能够从FC系统30和2次电池23双方供应电力的并联运行状态。
在FC系统30起动时，控制部30使FC开关32断开(图6(a)的时刻t0)。所谓FC系统30起动是指，以例如产生氢气的且图中未示出的重整器(改质器)能够产生规定品质的氢气且FC系统30能够发挥规定性能的方式进行的处理。在FC系统30起动时，由于FC开关32断开，在变成能够发挥规定性能的状态后，FC系统30开始供给电力。因而，在FC系统30起动时，FC电流不流动(图6(c))。
在FC系统30起动时，DC-DC变换器21的指令电压设定为电压VL。电压VL是2次电池23能够发挥最佳效率运行时的2次电池23的输出电压。将DC-DC变换器21的指令电压设定为电压VL是为了使DC-DC变换器21的输入输出电压比为1，提高变换效率。
但是一旦FC系统30起动接近结束，控制部300使DC-DC变换器21的指令电压上升到电压VH。电压VH是比FC系统30的开路电压OCV(图3)高的电压(时刻t1)。使DC-DC变换器21的指令电压比FC系统30的开路电压OCV高，是为了当FC开关32(图1)接通时，从FC系统30不会有急剧过大的电流流动。
一旦FC开关32接通，则开始混合电源系统100的正常运行。而且即使仍持续DC-DC变换器21的输出电压比FC系统30的开路电压OCV高的状态，由于存在逆流防止用二极管D1，也不会产生逆流。
在开始混合电源系统100的正常运行时，由于DC-DC变换器21的输出电压比FC系统30的开路电压OCV高，所以FC电流不流动(时刻t2)，但是在此之后，2次电源电压即DC-DC变换器21的输出电压下降，一旦变得比FC系统30的开路电压OCV小，则FC电流开始流动(图6(c)，图3(b))。因而在本实施例的结构中，通过使DC-DC变换器21的输出电压缓缓下降，能够使FC电流缓缓增加。
在混合电源系统的正常运行期间(t2～t3)，控制部300如上所述那样对应于2次电池23的充电状态来确定DC-DC变换器21的指令电压。最好将混合电源系统100构成得将指令电压调整到电压VL附近。这是因为，由此，电源系统100作为系统整体在正常运行下处于最佳效率的操作状态下。
在正常运行状态下，一旦检测发现FC系统30的故障，控制部300将FC系统30从混合电源系统100断开(隔离)(时刻t3)。例如可以根据在FC系统30内部所产生的氢气品质或FC系统30的内部阻抗的观测值而进行FC系统30故障的检测。通过断开FC开关32而进行FC系统30的断开。
一旦确认FC系统30从混合电源系统100的断开，控制部300将DC-DC变换器21的指令电压固定在电压VL。由此，能够高效地运行2次电源系统20。
一旦确认FC系统30的恢复，控制部300实施用于将FC系统30连接到混合电源系统100中的处理。FC系统30的恢复的确认例如也可以根据在FC系统30内部所产生的氢气品质或FC系统30的内部阻抗的观测值来进行。所谓用于连接FC系统30的处理就是使DC-DC变换器21的输出电压上升到电压VH为止的操作(时刻t4)。
在FC系统30恢复后(时刻t5之后)的连接下所进行的处理与上述在FC系统30起动后的连接下所进行的处理几乎相同。但是，FC系统30恢复后的连接下所进行的处理被设定成连接后DC-DC变换器21的输出电压的下降速度比在FC系统30起动后的连接下所进行的处理要缓慢。实施这种处理考虑了下述事实，即出现过一次故障的FC系统30容易再次出现故障。
图7是示出本发明第1实施例中混合电源系统100的控制内容的流程图。在步骤S110，控制部30判断FC系统300是否可相连。可以根据上述的FC系统30内部所产生的氢气品质，对FC系统300是否可相连进行判断。一旦断定FC系统30可相连，则控制部300将连接插座设定在接通。在步骤S120，控制部300实施用于将FC系统30连接到混合电源系统100的控制。
图8是示出在步骤S120中执行的FC系统连接控制的内容的流程图。在步骤S121中，控制部300判断FC开关32是接通(ON)还是断开(OFF)。例如也可以通过对FC系统30的输出电压和2次电源20的输出电压进行比较来进行这种判断。可以分别使用电压计36和电压计22对FC系统30的输出电压和2次电源20的输出电压进行测量。
具体地，当两者通常基本相同时，判定为FC开关32为接通，处理进行到后面所述的步骤S125。另一方面，当两者不一致时，判定为FC开关32为断开，处理进行到步骤S122。
在步骤S122中，控制部300判断所设置的连接标志是否为ON，当连接标志为OFF时，也就是在不可连接的场合下，处理进入后续步骤S130(图7)。另一方面，当连接标志为ON时，也就是可连接时，处理进入步骤S123。
在步骤S123中，控制部300判断2次电源电压是否比FC开路电压OCV高。如果判定2次电源电压比FC系统开路电压OCV高，处理进入步骤S124。在步骤S124中，控制部300使FC开关32接通，使FC系统30和混合电源系统100相连。另一方面，当判定2次电源电压不比FC开路电压OCV高时，处理进入后续步骤S130(图7)。
一方面，在步骤S125中，与步骤S122中相同，控制部300判断所设置的连接标志是否为ON，当连接标志为OFF时，立即将FC开关32断开，将FC系统30从混合电源系统100断开，处理进入步骤S130。另一方面，当连接标志为ON时，则不将FC系统30从混合电源系统100断开，处理进入步骤S130。在步骤S130中，控制部300具有的电压司令部310(图4)确定DC-DC变换器21的指令电压。
图9是示出DC-DC变换器电压指令的逻辑的流程图。在步骤S131，电压司令部310与在步骤S121中同样地判定FC开关32是接通还是断开。当判定为FC开关32为接通时，处理进行到步骤S135。在步骤S135进行前面所述的正常控制。另一方面，当判定为FC开关32为断开时，处理进行到步骤S132。
在步骤S132中，电压司令部310判断所设置的连接标志是ON还是OFF。当连接标志为OFF时，也就是在不可连接的场合下，处理进入步骤S133。在步骤S133，电压司令部310进行调整以使得DC-DC变换器21的指令电压与2次电源23的输出电压一致。这是为了在将FC系统30断开的状态下提高DC-DC变换器21的变换效率并有效地运行2次电源系统20。
另一方面，当连接标志为ON时，也就是可连接时，处理进入步骤S134。在步骤S134中，电压司令部310将DC-DC变换器21的指令电压设定为比FC系统开路电压OCV高的电压。如此，使得在步骤S120中FC系统30可以连接(步骤S123、S124)。
如此，在将作为燃料电池的FC系统30连接至电源布线时，使得与FC系统30并联连接的2次电源系统20的两端电压上升超过在正常运行时可取得的值，所以可以抑制当FC系统30与电源系统连接时发生的来自燃料电池的过大电流。
C本发明第2实施例中的混合电源系统的结构图10是具有本发明第2实施例的混合电源系统的电动汽车的大致结构图。该电动汽车与第1实施例的车辆系统(图1)的区别如下将2次电源系统20和控制部300分别更换为2次电源系统20a和控制部300a，同时取消了第1实施例中串联在燃料电池系统30和电源布线12之间的FC开关32。
图11是示出2次电源系统20a的结构的说明图。2次电源系统20a包括双向DC-DC变换器电路21a和能够充电的2次电池23a。当充电率大于等于规定数值时，在供应假想的驱动电路所要求电力的最大值电力时，2次电池23a构成得能够以比FC系统30的开路电压OCV还高的电压供应电力。而且在本实施例中，假想驱动电路所要求电力的最大值相当于权利要求书中的“规定电力”。
双向DC-DC变换器电路21a包括2次电池侧串联电路、负荷侧串联电路、电感L、电容器C。2次电池侧串联电路包括开关Q1和Q2。负荷侧串联电路包括开关Q3和Q4。而且在本实施例中，作为4个开关Q1、Q2、Q3、Q4而使用MOS-FET。
2次电池侧串联电路的2个开关Q1和Q2如下述那样连接在2次电池23a侧上。开关Q1的一端和开关Q2的一端在连接点J1相连。开关Q1的另一端和2次电池23a的阴极相连。开关Q2的另一端与2次电池23a的阳极相连。2个开关Q1、Q2的栅极端子与控制部300a相连。
负荷侧串联电路的2个开关Q3和Q4如下述那样连接在负荷200则上。开关Q3的一端和开关Q4的一端在连接点J2相连。开关Q3的另一端和负荷200的阴极相连。开关Q4的另一端与负荷200的阳极相连。2个开关Q3、Q4的栅极端子与控制部300a相连。
而且，电感L连接在连接点J1和连接点J2之间。2次电池23a的阳极与负荷200的阳极相连。
双向DC-DC变换器电路21a可以在2个模式下双向工作，也就是从2次电池侧串联电路向负荷侧串联电路供给电力的模式、从负荷侧串联电路向2次电池侧串联电路供给电力的模式。这种工作由控制部300a对4个开关Q1、Q2、Q3、Q4进行适合的开闭动作而实现。
D本发明第2实施例中混合电源的工作图12是示出本发明第2实施例中混合电源系统100a的控制内容的流程图。在步骤S210中，控制部300a判断FC系统30可否输出。该判断也可以是判断是否可使FC系统30输出电力。在本实施例中，可以是与第1实施例中可否连接的判断相同内容的判断。一旦判断FC系统30可以输出，控制部300a将输出标志设置为“ON”，而且，输出标志初期状态是“OFF”。
在步骤S220中，具有控制部300a的电压司令部310a(图11)确定DC-DC变换器21a的控制指令的内容。DC-DC变换器21a具有正常控制模式和短路模式2种工作模式。
正常控制模式是在与第1实施例的DC-DC变换器21相同范围内输出任意电压的直流电的工作模式。短路模式是使2次电池23a和驱动电路40短路从而控制DC-DC变换器21a中热损失的工作模式。下文详细介绍所述短路模式。
图13是示出DC-DC变换器控制指令的逻辑的流程图。在步骤S222中，电压司令部310a判断所设置的输出标志是“ON”还是“OFF”。当输出标志是“OFF”也就是不可输出时，则进入步骤S224。另一方面，当输出标志是“ON”也就是可输出时，则进入步骤S226。
在步骤S226，电压司令部310a进行正常控制。也就是与第1实施例相同，电压司令部310a对应于2次电池23a的充电状态，对DC-DC变换器21a的指令电压进行调整。
图14是用时序图表示在正常控制模式下在电力供给时控制部300a在4个开关Q1、Q2、Q3、Q4的各个栅极端子上施加的电压的时间图。通过这样施加电压，进行4个开关Q1、Q2、Q3、Q4的接通断开控制(开闭)，由此，来自2次电池23a的直流电力升压，并供应到负荷200。
图15是示出在向负荷200供给电力时双向DC-DC变换器电路21a的操作状态的说明图。具体地说，由4个开关Q1、Q2、Q3、Q4的接通断开控制，进行下述电压变换操作。
(1)在时间t10(图14)，2个开关Q1、Q4接通，2个开关Q2、Q3断开(图15(a))，由此，电感L连接到2次电源3一侧。此时，在电感L积聚磁能。
(2)在时间t11，2个开关Q1、Q4断开，2个开关Q2、Q3接通(图15(b))，由此，电感L连接到负荷200一侧，此时积聚在电感L上的磁能作为电力供应到负荷200侧。
供应到负荷200侧的电力的电压可以由控制部300a调整占空比(デュ一ティ比)(接通-断开比)而进行控制。如果增大占空比，可以提高供给到负荷200侧电力的电压。如果减小占空比，可以降低供给到负荷200侧的电力的电压。如果进一步减小占空比，可以从负荷200侧向2次电池23a供应电力，可以向2次电池23a充电。
此时，占空比(接通-断开比)中的“接通”和“断开”按照如下进行定义。“接通”是指2个开关Q1、Q4接通，2个开关Q2、Q3断开的状态(图15(a))。“断开”是指2个开关Q1、Q4断开，2个开关Q2、Q3接通的状态(图15(b))。
因此与第1实施例中双向DC-DC变换器电路21相同，为了以由FC系统30和2次电池23a适合分担的方式向负荷200侧供应电力，双向DC-DC变换器电路21a进行电压变换操作。
一方面，在步骤S224(图13)中，控制部300a以使工作模式变为短路模式的方式对DC-DC变换器21a进行控制。
图16是示出在双向DC-DC变换器电路21a的短路模式下操作状态的说明图。控制部300a将2个开关Q1、Q3固定在接通状态，同时将2个开关Q2、Q4固定在断开状态。通过该控制，负荷200侧和2次电池23a侧通过电感L以不进行开关操作的方式相连。
图17是示出在短路模式下混合电源系统100a的操作状态的说明图。如图17所示，负荷200和2次电池23a仅由电线和电感L而连接，由于电线和电感L几乎不产生电力损失，在双向DC-DC变换器电路21a中开关损耗和其它电力损耗几乎为0。
双向DC-DC变换器电路21a处于短路模式下时，FC系统30不输出电力。这是因为，双向DC-DC变换器电路21a的短路模式的输出电压与比FC系统30的开放端电压高的2次电池23a的输出电压相等。
在步骤S230(图12)中，控制部300a对驱动电路的要求电力进行指令。在本实施例中考虑混合电源系统100a能够输出的电力而确定驱动电路的要求电力。
图18是示出用于确定驱动电路的要求电力的指令内容的处理的一个示例的流程图。所述处理是，在双向DC-DC变换器电路21a的工作模式为短路模式时，将所述要求电力控制为混合电源系统100a能够输出的电力也就是2次电池23a能够输出的电力的处理。这是因为，混合电源系统100a能够输出的电力在短路模式下等于2次电池23a能够输出的电力。
而且如上所述，在本实施例中，2次电池23a构成得当充电率大于等于规定数值时，在供应假想驱动电路要求电力的最大值的电力时，能够以比FC系统30的开路电压OCV高的电压供应电力。
在步骤S231中，与第1实施例相同，控制部300a对应于来自图中未示出的加速装置的输入而推定驱动电路的要求电力。
在步骤S232中，控制部300a判断双向DC-DC变换器电路21a的工作模式是短路模式还是正常控制模式。从而，当工作模式是正常控制模式时，所述处理进入步骤S233，当工作模式是短路模式时，所述处理进入步骤S234。
在步骤S233中，控制部300a不进行调整地将在步骤S231所推定的要求电力确定为驱动电路的要求电力。另一方面，在步骤S234中，控制部300a推定2次电池23a能够输出的电力。这是因为，2次电池23a能够输出的电力对应于2次电池23a的充电状态而变化。
图19是示出2次电池23a的恒定电力放电曲线的图形。所谓的额定电力放电曲线是示出使一定电力输出时电压和充电率之间的关系的曲线。如图所示，由于在充电率接近0％和接近100％这2个位置，2次电池23a的内部阻抗变化较大，在充电率接近0％和接近100％时，通过由电压计22测量上述变化，能够对其进行推定。
在2次电池23a处于其它充电率状态时，以到达充电率接近0％和接近100％这2个位置中任一个位置时为基准，对充放电的电流值进行时间积分，可以推断充电率。
在步骤S235中，控制部300a判断驱动电路的要求电力是否不超过2次电池23a能够输出的电力。例如也可以在以驱动电路的要求电力供应电力时，2次电池23a的输出电压在预定的规定时间内是否不小于等于FC系统30开放端电压为基准来进行这种判断。在(判断为)不超过时，则将在步骤S231所推定的要求电力原封不动地确定作为驱动电路的要求电力(步骤S233)，当超过时，处理进入步骤S236。
在步骤S236中，控制部300a对应于2次电池23a能够输出的电力对所要求电力进行调整。在本实施例中，通过在规定时间内将2次电池23a的输出电压控制成不小于等于FC系统30的开放端电压而实施上述调整。这是因为，如果这样控制，不会无意地引起从处于不能输出状态下的FC系统30输出电力。
由此在第2实施例中，2次电池23a构成得当充电率大于等于规定数值时，不受限于驱动电路要求电压，能够以比FC系统30的开路电压OCV高的电压供给电力，同时当2次电池23a的充电率下降时，以使输出电压在规定时间内不小于等于FC系统30的开放端电压的方式对驱动电路要求电力进行调整。由此能够一边遏制来自FC系统30的意外的输出，一边不通过开关地将FC系统30装备在混合电源系统内。
在本实施例中，当FC系统30不能输出电力时，混合电源系统100a具有能够避免双向DC-DC变换器电路21a中的开关损耗、高效率供电的优点。
而且，驱动电路要求电力是否不超过2次电池23a能够输出的电力的判断基准可以不限于以上所述，能够对应于被称作燃料电池和2次电池的特性的系统特性进行确定。而且也可以构成为对2次电池23a的输出电压进行监视，同时对应于其下降立即对驱动电路要求电力实施限制。
而且“2次电池”能够充电即可，但是，2次电池不限于蓄电池，也可以包括电容器。
E变型例而且，本发明并不局限于上述实施例或实施方式，在不脱离本发明的实质精神范围内，可以实施各种形态，例如可以进行下述变形。
E-1在第1实施例中，将FC系统30和混合电源系统100相连时，虽然2次电源系统20的两端电压比FC系统30的开路电压高，但是例如也可以构成为使2次电源系统20的两端电压上升到开路电压附近(小于开路电压)为止。这是因为，将FC系统30和混合电源系统100相连时，只要2次电源系统20的两端电压升高，即使没有达到开路电压，仅通过升高部分，就能遏制来自燃料电池也就是FC系统30的过大电流。
E-2在第1实施例中，虽然采用作为DC-DC变换器的回扫描方式或称作接通-断开(ON-OFF)方式，但是例如也可以采用正向方式或推挽式方式。而且在上述实施例中，虽然使用采用了变压器的DC-DC变换器21，但是也可以使用不采用变压器的DC-DC变换器。
E-3在第1实施例中，虽然在电源布线12和FC系统30之间设置了逆流防止用二极管D1，但是例如也可以是为了防止电流向FC系统30逆流流动而进行接通断开控制的开关。此时，所述开关相当于权利要求书中的“逆流防止器件”。
E-4在第2实施例中，虽然将2次电池构成得在输出规定电力(假想的驱动电路要求电力的最大值)时两端电压比燃料电池开放时的两端电压高，但是也可以构成得比燃料电池开放时的两端电压低。这是因为，即使构成得由DC-DC变换器升压，也可以实现使2次电源系统的两端电压比燃料电池开放时的两端电压高的特定控制模式。但是如果采用前一结构，则具有在DC-DC变换器工作模式为短路模式时，可以实现特定控制模式的优点。
E-5在第2实施例中，在DC-DC变换器中，由升压或降压中使用的4个开关Q1、Q2、Q3、Q4的接通断开组合，使2次电池与负荷和燃料电池之间出现短路，但是例如也可以在2次电池和燃料电池或负荷之间设置短路用开关而实现短路模式。但是如果利用4个开关Q1、Q2、Q3、Q4的接通断开组合而实现短路模式，则具有能够省略短路用开关并实现简单且可靠性高的系统的优点。
工业实用性本发明适用于具有燃料电池的电源系统。
权利要求
1.一种用于向负荷供应电力的电源系统，其特征在于包括用于和所述负荷相连的第1和第2电源布线；具有连接在所述第1和第2电源布线之间的燃料电池的燃料电池系统；与上述燃料电池并联在所述第1和第2电源布线之间的2次电源系统；用于开闭所述燃料电池和所述第1电源布线之间的连接的开关；和用于控制所述2次电源系统和所述开关的控制部，其中，在将所述燃料电池和所述第1电源布线相连时，所述控制部对所述2次电源系统进行控制，以使所述2次电源系统的两端电压上升。
2.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于，还包括连接在所述燃料电池和所述第一电源布线之间的逆流防止器件，其中，在将所述燃料电池和所述第1电源布线相连时，所述控制部使所述2次电源系统的两端电压上升到大于等于所述燃料电池开路时的两端电压的第1电压。
3.如权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，在将所述燃料电池和所述第1电源布线相连后，所述控制部使所述2次电源系统的两端电压下降到比所述燃料电池开路时的两端电压低的第2电压。
4.如权利要求1～3中任一项所述的电源系统，其特征在于，响应于所述燃料电池从所述第1电源布线的断开，所述控制部使所述2次电源系统的两端电压下降至比所述燃料电池开路时的两端电压低的电压。
5.如权利要求4所述的电源系统，其特征在于，所述2次电源系统包括能够充电的2次电池、和能够对从所述2次电池输入的直流输入电力的电压进行升降而输出直流电的DC-DC变换器，其中，响应于所述燃料电池与所述第1电源布线的断开，所述控制部开始进行控制，以使所述DC-DC变换器的输出电压比所述燃料电池开路时的两端电压接近所述2次电池的输出电压。
6.如权利要求4所述的电源系统，其特征在于，上述2次电源系统包括能够充电的2次电池、和能够对从所述2次电池输入的直流输入电力的电压进行升降而输出直流输出电力的DC-DC变换器，其中，响应于所述燃料电池从所述第1电源布线的断开，所述控制部开始进行控制，以使所述DC-DC变换器的输出电压接近所述2次电池的输出电压。
7.如权利要求1～6中任一项所述的电源系统，其特征在于，所述控制部构成得当所述燃料电池处于不能供应规定大小的电力时，使所述燃料电池从所述第1电源布线断开。
8.一种控制用于向负荷供应电力的电源系统的控制装置，所述电源系统包括用于和所述负荷相连的第1和第2电源布线；具有连接在所述第1和第2电源布线之间的燃料电池的燃料电池系统；与上述燃料电池并联在所述第1和第2电源布线之间的2次电源系统；和用于开闭所述燃料电池和所述第1电源布线之间的连接的开关；其中，所述控制装置对上述开关进行控制，在将所述燃料电池和所述第1电源布线相连时，对所述2次电源系统进行控制，以使所述2次电源系统两端电压上升。
9.一种用于向负荷供应电力的方法，包括(a)准备工序，用以准备用于和所述负荷相连的第1和第2电源布线；具有连接在所述第1和第2电源布线之间的燃料电池的燃料电池系统；与上述燃料电池并联在所述第1和第2电源布线之间的2次电源系统；用于开闭所述燃料电池和所述第1电源布线之间的连接的开关，和(b)对所述2次电源系统和所述开关进行控制的控制工序，其中，上述工序(b)包括控制上述开关，在将所述燃料电池和所述第1电源布线相连时，对所述2次电源系统进行控制，以使所述2次电源系统的两端电压上升的工序。
10.一种用于向负荷供应电力的电源系统，其特征在于，包括燃料电池系统，该燃料电池系统具有其一端与所述负荷的一端相连的逆流防止器件、连接在所述负荷的另一端和所述逆流防止器件的另一端之间的燃料电池；与所述燃料电池并联连接的2次电源系统；和对所述2次电源系统进行控制的控制部，其中，控制部具有使所述2次电源系统的两端电压大于等于所述燃料电池开路时的两端电压而使所述燃料电池的输出停止的特定控制模式。
11.如权利要求10所述的电源系统，其特征在于，在所述燃料电池处于包含所述燃料电池的起动或所述燃料电池的异常中至少之一的特定状态下时，所述控制部实施上述特定控制模式。
12.如权利要求10或11所述的电源系统，其特征在于，所述2次电源系统包括能够充电的2次电池、能够对从所述2次电池输入的直流输入电力的电压进行升降而输出直流电力的DC-DC变换器，所述2次电池构成得在输出规定电力时的两端电压大于等于所述燃料电池开路时的两端电压，所述DC-DC变换器具有使所述2次电池和所述燃料电池短路的工作模式即短路模式，上述特定控制模式是使所述DC-DC变换器的工作模式成为上述短路模式的控制模式。
13.如权利要求12所述的电源系统，其特征在于，所述2次电池具有第1电源电极和第2电源电极，上述DC-DC变换器包括第1负荷电极；第2负荷电极；第2电源侧串联电路，是第1开关的一端和第2开关的一端在第1连接点串联连接的串联电路，其中，所述第1开关的另一端连接在所述第1电源电极上，同时所述第2开关的另一端连接在所述第2电源电极上；负荷侧串联电路，是第3开关的一端和第4开关的一端在第2连接点串联连接的串联电路，其中，所述第3开关的另一端连接在所述第1负荷电极上，同时所述第4开关的另一端连接在所述第2负荷电极上；连接在所述第1连接点和所述第2连接点之间的电感，其中，所述第2电源电极与所述第2负荷电极相连，上述短路模式是上述控制部使所述第1开关和所述第3开关关闭同时打开上述连接控制开关、所述第2开关和所述第4开关的工作模式。
14.一种安装有燃料电池的燃料电池汽车，其特征在于，包括权利要求10～13所述的电源系统；和根据从所述电源系统供应的电力来驱动车轮转动的驱动部，其中，上述控制部包括推定所述2次电源系统能够供应的电力即能够供应的电力的2次电源监视部；和根据上述推定的能够供应的电力，限制所述驱动部的要求电力的要求电力确定部。
15.如权利要求14所述的燃料电池汽车，其特征在于，所述2次电源系统监视部对所述2次电源系统供给的电力的电压进行测量，所述要求电力确定部还根据上述测量的电压对所述驱动部的要求电力进行限制。
16.一种用于控制电源系统以向负荷供应电力的控制装置，所述电源系统包括燃料电池系统，该燃料电池系统具有其一端与所述负荷的一端相连的逆流防止器件、连接在所述负荷的另一端和所述逆流防止器件的另一端之间的燃料电池；与所述燃料电池并联连接的2次电源系统；其中，所述控制装置具有对所述2次电源系统进行控制，以使所述2次电源系统的两端电压大于等于所述燃料电池开路时的两端电压的特定控制模式。
17.一种对负荷供给电力的方法，其特征在于，包括(a)准备燃料电池的工序，该燃料电池具有其一端与所述负荷的一端相连的逆流防止器件、连接在所述负荷的另一端和所述逆流防止器件的另一端之间的燃料电池；和(b)对所述2次电源系统进行控制的工序，其中，所述工序(b)具有使所述2次电源系统的两端电压大于等于燃料电池开路时的两端电压的特定控制模式。
全文摘要
本发明是一种用于向负荷供应电力的电源系统。本电源系统包括用于和负荷相连的第1和第2电源布线、具有连接在第1和第2电源布线之间燃料电池的燃料电池系统、与上述燃料电池并联在第1和第2电源布线之间的2次电源系统、用于开闭燃料电池和第1电源布线之间连接的开关、和用于控制2次电源系统和开关的控制部。其中，在将燃料电池和第1电源布线相连时，该控制部对2次电源系统进行控制，以使2次电源系统的两端电压上升。
文档编号B60L11/18GK1726609SQ20038010623
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月3日 优先权日2002年12月16日
发明者石川哲浩, 矢野刚志, 松本只一, 西山克彦, 吉田宽史 申请人:丰田自动车株式会社