专利名称：燃料电池系统及电动机驱动方法
技术领域：
本发明涉及搭载在车辆上的燃料电池系统，特别涉及从燃料电池和蓄电池向驱动车辆的电动机供给电力的混合动力型的燃料电池系统。
背景技术：
在搭载了燃料电池系统的车辆(以下称作“燃料电池车”。)中，为了从燃料电池及蓄电装置对电动机供给电力而使用了多个电力装置。DC-DC转换器是对燃料电池和变换器之间的电压进行转换的电力装置。变换器是将直流输入电压变换为交流电压而供给至电动机的电力装置。另外，在蓄电装置和变换器之间，还存在有一个设有DC-DC转换器的系统。在这样的燃料电池车中，在包括电动机在内的电力装置中会产生电力损失，因此希望抑制该电力损失。例如，在日本特开2005-348530号公报中公开了如下的发明通过将燃料电池的输出电压值设定在蓄电装置的电路电压的最大值和最小值之间的范围内，减少电压变换动作的执行频率，因而抑制电力损失的增大。专利文献1 日本特开2005-348530号公报
发明内容
然而，在燃料电池车中，在用于驱动电动机的变换器及电动机等中也产生电力损失。在上述专利文献1中，并没有考虑到变换器及电动机等中的电力损失。在产生电力损失的结构要素存在有多个的情况下，必须要将燃料电池系统控制成使得这些多个结构要素中的电力损失为最低。因此，为了解决上述课题，在本发明的优选方式中，提供一种在产生电力损失的结构要素存在有多个的情况下能够一边抑制系统整体的电力损失一边驱动电动机的燃料电池系统及电动机驱动方法。解决上述课题的燃料电池系统的一方式的特征在于，具备变换器，与电动机连接；第一转换器，连接在燃料电池和变换器之间，用于设定燃料电池的输出电压；第二转换器，连接在蓄电装置和变换器之间，用于设定变换器的输入电压；以及控制装置，用于控制第一转换器及第二转换器；在电动机所要求的工作条件下决定使电动机、第一转换器、第二转换器及变换器中至少一个的电力损失为最低的变换器的输入电压，并将使电力损失为最低的变换器的输入电压作为变换器的必要电压输出。解决上述课题的燃料电池系统的一方式具备变换器，与电动机连接；第一转换器，连接在燃料电池和变换器之间，用于设定燃料电池的输出电压；第二转换器，连接在蓄电装置和变换器之间，用于设定变换器的输入电压；以及控制装置，用于控制第一转换器及第二转换器，所述燃料电池系统的特征在于，具备最低损失电压决定单元，在电动机所要求的工作条件下决定使电动机、第一转换器、第二转换器及变换器中至少一个的电力损失为最低的变换器的输入电压；以及必要电压输出单元，将使电力损失为最低的变换器的输入电压作为变换器的必要电压输出。解决上述课题的电动机驱动方法的一方式用于燃料电池系统，所述燃料电池系统具备变换器，与电动机连接；第一转换器，连接在燃料电池和变换器之间，用于设定燃料电池的输出电压；第二转换器，连接在蓄电装置和变换器之间，用于设定变换器的输入电压；以及控制装置，用于控制第一转换器及第二转换器，所述电动机驱动方法的特征在于， 包括在电动机所要求的工作条件下决定使电动机、第一转换器、第二转换器及变换器中至少一个的电力损失为最低的变换器的输入电压的步骤；和将使电力损失为最低的变换器的输入电压作为变换器的必要电压输出的步骤。在燃料电池车中，电动机所要求的工作条件(例如实施方式中的电动机的转矩、 转速)是确定的。对于电动机、第一转换器、第二转换器及变换器的每一个，能够预先通过试验等与该电动机的工作条件相对应地确定使电力损失为最低的变换器的输入电压。根据该发明，决定使电动机、第一转换器、第二转换器及变换器中至少一个的电力损失为最低的变换器的输入电压，该电压被作为变换器的必要电压，因此，能够实现抑制了系统的电力损失的电动机驱动。优选对所有的电力装置(电动机、第一转换器、第二转换器及变换器)预先求出电力损失，但是存在电动机、第一转换器、第二转换器及变换器因其通过电力等而电力损失量不同的情况。在该情况下，即使只是对电力损失量特别大的一个或两个电力装置确定使电力损失为最低的变换器的输入电压，由于该电力损失量的降低发生较大的作用，因此作为系统整体能够削减电力损失量。此外，作为燃料电池系统的一方式，优选的是，在使电力损失为最低的变换器的输入电压小于提供电动机所要求的工作条件下的电动机的必要电压的变换器的输入电压的情况下，将提供电动机的必要电压的变换器的输入电压作为变换器的必要电压输出。同样，作为燃料电池系统的一方式，优选还具备下限设定单元，在使电力损失为最低的变换器的输入电压小于提供电动机所要求的工作条件下的电动机的必要电压的变换器的输入电压的情况下，所述下限设定单元将提供电动机的必要电压的变换器的输入电压作为变换器的必要电压输出。同样，作为电动机驱动方法的一方式，优选还包括如下步骤在使电力损失为最低的变换器的输入电压小于提供电动机所要求的工作条件下的电动机的必要电压的变换器的输入电压的情况下，将提供电动机的必要电压的变换器的输入电压作为变换器的必要电压输出。电动机存在有用于维持稳定的驱动所需的最低限度的必要电压。根据该结构，在使上述电力损失为最低的变换器的输入电压小于提供电动机的必要电压的变换器的输入电压的情况下，代替地将提供电动机的必要电压的变换器的输入电压作为变换器的必要电压输出，因此，不会超出需要地限制转矩，能够稳定地维持电动机的动作状态。本发明能够根据希望选择性地追加下述的要素。(1)也可以构成为，对于电动机、第一转换器、第二转换器及变换器中的至少一个， 参照相对于电动机的工作条件变化的使电力损失为最低的变换器的输入电压进行映射而得到的关系表，来决定使电力损失为最低的变换器的输入电压。根据该结构，针对电动机、第一转换器、第二转换器及变换器等电力装置中的至少一个，与电动机的工作条件相对应地测定表示最低电力损失的变换器的输入电压，并映射为关系表。参照该关系表，由此能够与电动机的工作条件相对应地容易地取得使电力损失为最低的变换器的输入电压。关系表也可以按照电力装置设置，但是也可以对多个电压交换器设定一个关系表。这样的关系表是与电动机的工作条件相对应地对使作为对象的电力装置的总计电力损失为最低的变换器的输入电压进行记录的表。(2)也可以构成为，在电动机所要求的工作条件下决定使电动机、第一转换器、第二转换器及变换器的总计电力损失为最低的变换器的输入电压。根据该结构，由于决定使电动机、第一转换器、第二转换器及变换器的总计的电力损失为最低的变换器的输入电压，因此，能够以在系统整体中电力损失最少的状态对电动机进行驱动。总计的电力损失能够通过求出使各个电力装置的电力损失为最低的变换器的输入电压并基于所求出的变换器的输入电压来确定。例如，在各电力装置中互相比较使电力损失为最低的变换器的输入电压，能够将最高的电压或最低的电压作为变换器的必要电压。另外，也可以是，在各电力装置中，求出使电压损失为最低的变换器的输入电压的平均值，或者进行与电力损失量相对应的加权平均等的运算，来决定变换器的必要电压。(3)也可以构成为，参照相对于电动机的工作条件变化的使电动机、第一转换器、 第二转换器及变换器的总计电力损失为最低的变换器的输入电压进行映射而得到的关系表，来决定使电力损失为最低的变换器的输入电压。根据该结构，针对电动机、第一转换器、第二转换器及变换器的全部，根据电动机的工作条件测定表示最低电力损失的变换器的输入电压，并映射为关系表。通过参照该关系表，能够容易地取得与电动机的工作条件相对应而使电力损失为最低的变换器的输入电压。关系表是与电动机的工作条件相对应地对使全部电力装置的总计的电力损失为最低的变换器的输入电压进行记录的表。(4)也可以构成为，参照相对于电动机的工作条件变化的提供电动机的必要电压的变换器的输入电压进行映射而得到的关系表，来决定变换器的必要电压。根据该结构，与电动机的工作条件相对应地预先测定提供电动机的必要电压的变换器的输入电压，并映射为关系表。通过参照该关系表，能够容易地取得提供与电动机的工作条件相对应的电动机的必要电压的变换器的输入电压。(5)也可以构成为，具备变换器，与电动机连接；第一转换器，连接在燃料电池和变换器之间，用于设定燃料电池的输出电压；第二转换器，连接在蓄电装置和变换器之间， 用于设定变换器的输入电压；以及控制装置，用于控制第一转换器及第二转换器，在电动机所要求的工作条件下，决定使电动机、第一转换器、第二转换器及变换器中至少一个的电力损失为最低且为电动机所要求的工作条件下的电动机的必要电压以上的变换器的输入电压，并作为变换器的必要电压输出。根据该结构，在确定了电动机所要求的工作条件的情况下，与该条件相对应地决定使电力装置的电力损失为最低且为电动机的必要电压以上的一个变换器的输入电压。因此，能够通过一次的运算或判断处理来输出变换器的必要电压。
(6)也可以构成为，参照相对于电动机的工作条件变化的使电动机、第一转换器、 第二转换器及变换器的总计电力损失为最低且为电动机的必要电压以上的变换器的输入电压进行映射而得到的关系表，来决定变换器的必要电压。根据该结构，对于全部的电力装置，与电动机的工作条件相对应地测定表示最低电力损失的变换器的输入电压，并且进行下限处理以使表示该最低电力损失的变换器的输入电压为提供电动机的必要电压的变换器的输入电压以上，并映射为关系表。通过参照该关系表，能够与电动机的工作条件相对应地唯一地确定变换器的必要电压，判断处理非常
各易ο关系表是与电动机的工作条件相对应，将使电力装置全部的总计电力损失为最低的变换器的输入电压下限处理成提供电动机的必要电压的变换器的输入电压以上，并进行记录的表。(7)也可以构成为，还具备与变换器并联地连接于第二转换器的辅机变换器，决定使电动机所要求的工作条件下的包括辅机变换器的电力损失在内的电力损失为最低的变换器的输入电压。根据该结构，以进而使辅机变换器的电力损失也为最低的方式来决定变换器的输入电压，因此，能够抑制还包括辅机变换器在内的综合的电力损失。发明效果根据本发明，即使在产生电力损失的结构要素存在有多个的情况下也能够一边综合地抑制电力损失一边驱动电动机。
图1是本实施方式一所涉及的FCHV系统的系统结构图。图2是进行本实施方式一所涉及的电动机驱动控制的功能框图。图3是根据电动机15的动作状态(电动机转矩T)变化的使第一转换器11的电力损失为最低的最低损失电压Vl的关系图。图4是根据电动机15的动作状态(电动机转矩T)变化的使第二转换器12的电力损失为最低的最低损失电压V2的关系图。图5是根据电动机15的动作状态(电动机转矩T)变化的使变换器14的电力损失为最低的最低损失电压V3的关系图。图6是电动机15的动作状态(电动机转矩T)与第一转换器11、第二转换器12及变换器14的总计最低电力损失的关系图。图7是电动机15的动作状态(电动机转矩T)与电动机必要电压Vmin的关系图。图8是本实施方式一所涉及的电动机驱动控制的流程图。图9是本实施方式二所涉及的、电动机15的动作状态(电动机转矩T)与电动机驱动电压Vd的关系图。图10是本实施方式二所涉及的电动机驱动控制的流程图。
具体实施例方式接着，参照
用于实施本发明的优选的实施方式。
在以下的附图的记载中，对于相同或类似的部分使用相同或类似的标号进行表示。其中，附图是示意图。因此，具体的特征等应该参照以下的说明进行判断。另外，当然在附图相互之间也包括相互的特性不同的部分。(实施方式一)本实施方式一是关于与各个电力装置相对应地保持用于求出最低电力损失的关系表的方式。(系统结构)图1是本实施方式一所涉及的搭载在车辆上的燃料电池系统100的框图。这样的车辆是混合动力型燃料电池车(FCHV:Euel Cell Hybrid Vehicle) 燃料电池系统100具备燃料电池10、第一转换器11、第二转换器12、蓄电池13、变换器14、电动机15、辅机变换器18及控制装置20而构成。燃料电池10是串联地层叠多个单元电池而构成的发电单元。单元电池具有用隔板夹着膜/电极接合体(MEA=Membrane Electrode Assembly)而成的构造，所述膜/电极接合体是在阳极和阴极夹入高分子电解质膜等的离子交换膜而成的。阳极是将阳极用催化剂层设在多孔质支撑层上，阴极是将阴极用催化剂层设在多孔质支撑层上。对各单元电池的阳极，经由隔板从未图示的燃料气体供给系统供给燃料气体(例如氢气)。对各单元电池的阴极，经由隔板从未图示的氧气供给系统供给氧化气体(例如空气)。在隔板上形成有冷却液的流路，从未图示的冷却液供给系统供给冷却液。在燃料电池10中，在阳极发生(1) 式的氧化反应，在阴极发生(2)式的还原反应，燃料电池10整体发生(3)式的起电反应。H2 — 2H++2e-…(1)(1/2) 02+2H++2e" — H2O... (2)H2+(1/2) O2 — H2O... (3)通过将多个单元电池串联连接，燃料电池10向输出端子输出输出电压Vfc。燃料电池10具有规定的电流-电压输出特性，对应于输出电压VfC的变化，输出电流及输出电力发生变化。第一转换器11是电力装置之一，具备作为DC-DC转换器的结构。第一转换器11 在使用三相运转方式的情况下，例如具备三相桥式转换器等的电路结构。三相桥式转换器具备由电抗器、整流用二极管、IGBTansulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极型晶体管)等构成的开关元件。通过组合这些元件，形成将输入的直流电压暂时变换成交流的类似变换器的电路部分、和再次对该交流进行整流而变换为不同的直流电压的部分。第一转换器11的电路结构不限于上述情况，能够采用可进行燃料电池10的输出电压Vfc的控制的所有结构。第一转换器11的一次侧与燃料电池10的输出端子连接，第一转换器11的二次侧与变换器14的输入端子连接。第一转换器11构成为按照来自控制装置20的命令CVfc来控制一次侧的端子电压(燃料电池10的输出电压Vfc)。即，通过该第一转换器11，将燃料电池10的输出电压Vfc控制成与目标输出相对应的电压(即目标输出电压Vfc)。此外，第一转换器11构成为以对燃料电池10的输出电压Vfc和变换器14的输入电压Vin进行匹配的方式来转换电压。蓄电池13是蓄电装置，作为在燃料电池10所发电的电力之中剩余电力的储藏源、再生制动时的再生能量储藏源、伴随燃料电池车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器来发挥功能。作为蓄电池13，例如使用镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等的二次電池。蓄电池13的输出电压Vbat成为第二转换器12的输入电压。第二转换器12是电力装置之一，具备与第一转换器11 一样的作为DC-DC转换器的结构。第二转换器12的一次侧与蓄电池13的输出端子连接，第二转换器12的二次侧与变换器14的输入端子连接。第二转换器12构成为，按照来自控制装置20的命令CVin来控制二次侧的端子电压(变换器14的输入电压Vin)。例如，在电动机15的要求电力急剧变化时(以下假定为增加的情况)，第二转换器12控制变换器14的输入电压Vin直到成为所设定的目标输入电压为止。另外，第一转换器11控制燃料电池10的输出电压Vfc直到达到所设定的目标输出电压为止。第二转换器12的电路结构能够采用可实现变换器14的输入电压Vin的控制的所有结构。变换器14是电力之一，构成为将供给至输入端子的直流电流变换为交流电流而供给至电动机15。变换器14的电路结构例如具备以脉冲宽度调制方式被驱动的PWM电路。 变换器14构成为将与被第二转换器12控制的输入电压Vin对应的三相交流的驱动电压Vd 供给至电动机15。电动机15是电力装置(负载装置)之一，是车辆行驶用的牵引电动机，在被供给驱动电力的情况下对本车辆施加推进力，在被减速的情况下产生再生电力。差动器16是减速装置，构成为以规定的比率对电动机15的高速旋转进行减速，使设有轮胎17的轴旋转。 在轴上设有未图示的车轮速度传感器等，能够检测车辆的车速。辅机变换器18是电力装置之一，构成为将被供给至输入端子的直流电流变换为交流电流而供给至高电压辅机19。辅机变换器18的电路结构与上述变换器14相同。辅机变换器18构成为按照来自控制装置20的命令CVd2将具有规定的驱动电压Vd2 (有效值) 的三相交流电流供给至高电压辅机19。高电压辅机19是负载装置(电力装置)之一，是用于使本燃料电池系统100发挥功能的、未图示的加湿器、空气压缩机、氢泵及冷却液泵等的总称。控制装置20是控制燃料电池系统100的计算机系统，例如具备CPU、RAM、ROM等。 控制装置20输入来自各种传感器组21的信号(例如表示油门开度的信号、表示车速的信号、表示燃料电池10的输出电流、输出电压的信号等)，实施进行控制所需的各种运算。例如，控制装置20对系统的要求电力进行运算。系统的要求电力是车辆行驶电力和辅机电力的总计值。车辆行驶电力是被供给至电动机15的电力。辅机电力中包括有车载辅机类所消耗的电力、车辆行驶所需要的装置所消耗的电力、设置在乘员空间内的装置所消耗的电力等。车载辅机类是指，例如加湿器、空气压缩机、氢泵及冷却液泵等。车辆行驶所需要的装置是指，例如变速器、车轮控制装置、转向装置及悬架装置等。设置在乘员空间内的装置是指，例如空调装置、照明设备及音响等。求出系统的要求电力后，控制装置20决定燃料电池10和蓄电池13的各自的输出电力的分配，运算与各自的要求电力相对应的发电指令值。然后，为了获得所求出的燃料电池10的要求电力，对第一转换器11输出命令CVfc，控制燃料电池10的输出电压Vfc。另夕卜，为了取得所求出的蓄电池13的要求电力，对第二转换器12输出命令CVin，控制变换器 14的输入电压Vin。然后，控制装置20为了获得与油门开度相对应的目标转矩T及目标转速N，对变换器14输出命令CVd，而输出希望的驱动电压Vd，控制电动机15的转矩及转速。(功能块)控制装置20在运算上述变换器14的输入电压Vin时，能够执行本发明所涉及的电动机驱动方法。即，发挥功能，使得在电动机15所要求的工作条件(即目标转矩T及目标转速N)下决定使得电动机15、第一转换器11、第二转换器12及变换器14的电力损失为最低的变换器14的输入电压，并将该输入电压作为变换器的必要电压Vin进行指令。具体地通过以下的功能块来实现。图2示出了在控制装置20中用于进行功能性地实现的电动机驱动控制的功能框图。如图2所示，本发明所涉及的电动机驱动控制具备最低损失电压决定单元201、必要电压输出单元202、下限设定单元203、最低损失电压关系表204及电动机必要电压关系表 205。最低损失电压决定单元201是在电动机15所要求的工作条件(目标转矩T及目标转速N)下决定使电动机15、第一转换器11、第二转换器12及变换器14的电力损失为最低的变换器的输入电压的功能块。此时，最低损失电压决定单元201参照相对于电动机15 的工作条件变化的使电力损失为最低的变换器的输入电压进行映射而得到的最低损失电压关系表204。必要电压输出单元202是将所决定的使电力损失为最低的变换器的输入电压作为变换器的必要电压Vin以命令CVin的形式进行输出的功能块。下限设定单元203是如下所述功能块在进行上述决定时，在使电力损失为最低的变换器14的输入电压小于提供电动机15所要求的工作条件下的电动机的必要电压的变换器14的输入电压Vinmin的情况下，将提供电动机的必要电压的变换器的输入电压 Vinmin作为变换器14的必要电压Vin来输出。此时，下限设定单元203参照相对于电动机 15的工作条件变化的提供电动机15的必要电压的变换器14的输入电压Vinmin进行映射而得到的电动机必要电压关系表205。下限设定单元203在使电动机15所要求的工作条件 (目标转矩T及目标转速N)下的电力损失为最低的变换器14的输入电压小于提供电动机的必要电压的变换器14的输入电压Vinmin的情况下，将提供该电动机15的必要电压的变换器14的输入电压Vinmin作为变换器14的必要电压Vin来输出。即，相对于最低损失电压Vloss，设定将电动机15的必要电压Vmin作为下限的极限。以下，有时将提供电动机的必要电压的变换器14的输入电压称为“下限电压”。(动作)接着，参照图8的流程图来说明利用上述功能块实现的本实施方式一的电动机驱动方法。在步骤SlO中，首先，控制装置20输入从传感器组21供给的各种信号(例如表示油门开度的信号、表示车速的信号、表示燃料电池10的输出电流、输出电压的信号等)。然后，对系统的要求电力及作为电动机15所要求的工作条件的目标转矩T及目标转速N进行运算。接着，转移到步骤S11，控制装置20判断上述运算的结果、电动机15的动作点即目标转矩T或目标转速N是否发生了变更。如果判断的结果为电动机15的动作点发生了变更(是)，则转移至步骤S12，控制装置20的最低损失电压决定单元201参照最低损失电压关系表204。最低损失电压关系表204中，针对各电力装置(电动机15、第一转换器11、第二转换器12及变换器14)的每一个，使电力损失为最低的变换器14的输入电压与电动机 15的工作条件相对应地进行映射。图3是根据电动机15的动作状态(目标转矩T及目标转速N)变化的使第一转换器11的电力损失为最低的变换器14的输入电压即最低损失电压Vl的关系图。如图3所示，随着电动机15的目标转矩T变大，使第一转换器11的电力损失为最低的变换器14的输入电压(最低损失电压VI)按照规定的关系曲线进行变化。另外，随着电动机15的目标转速N变大，关系曲线移动。例如，在目标转矩为Treq的情况下，如果目标转速为Na，则参照关系曲线fNa特定最低损失电压Via。如果目标转速为Nb，则参照关系曲线fNb特定最低损失电压Vlb。如果目标转速为Ne，则参照关系曲线fNc特定最低损失电压Vic。图4是根据电动机15的动作状态(目标转矩T及目标转速N)变化的使第二转换器12的电力损失为最低的变换器14的输入电压即最低损失电压V2的关系图。如图4所示，随着电动机15的目标转矩T变大，使第二转换器12的电力损失为最低的变换器14的输入电压(最低损失电压V2)按照规定的关系曲线进行变化。另外，随着电动机15的目标转速N变大，关系曲线移动。例如，在目标转矩为Treq的情况下，如果目标转速为Na，则参照关系曲线fNa特定最低损失电压V2a。如果目标转速为Nb，则参照关系曲线fNb特定最低损失电压V2b。如果目标转速为Ne，则参照关系曲线fNc特定最低损失电压V2c。图5是根据电动机15的动作状态(目标转矩T及目标转速N)变化的使变换器 14的电力损失为最低的变换器14的输入电压即最低损失电压V3的关系图。如图5所示， 随着电动机15的目标转矩T变大，使变换器14的电力损失为最低的变换器14的输入电压 (最低损失电压V3)按照规定的关系曲线进行变化。另外，随着电动机15的目标转速N变大，关系曲线移动。例如，在目标转矩为Treq的情况下，如果目标转速为Na，则参照关系曲线fNa特定最低损失电压V3a。如果目标转速为Nb，则参照关系曲线fNb特定最低损失电压V3b。如果目标转速为Ne，则参照关系曲线fNc特定最低损失电压V3c。最低损失电压关系表204中，图3 图5所示的关系曲线作为数据表进行映射而存储。如果能够以关系式对上述关系曲线进行近似，则也可以通过代替利用关系表而利用关系式的运算来使用使电力损失为最低的变换器14的输入电压。关于电动机15的最低损失电压关系表也可以如上述一样考虑。接着，转移至步骤S13，最低损失电压决定单元201基于如上述那样特定的多个电力装置的最低损失电压Vl V3，决定使整体的电力损失为最低的一个最低损失电压 Vinloss0例如，能够相互比较最低损失电压V1、V2及V3，将最低损失电压Vl V3中最高的电压决定为最低损失电压Vinloss。另外，也可以将最低损失电压Vl V3中最低的电压作为最低损失电压Vinloss。进而，也可以求出最低损失电压Vl V3的平均值并将该平均值决定为最低损失电压Vinloss。如果是最低损失电压的平均值，则能够期待基本上在哪个电力装置中都成为接近于最低的电力损失的损失。此外，也可以是，根据各电力装置中的电力损失量，对各最低损失电压Vl V3进行加权平均，将计算出的加权平均值决定为最低损失电压Vinloss。在电力装置中，对应于电力装置的电力容量而存在电力损失的差异。若为对这样的电力损失量进行加权平均而求出的电压，则由于对电力损失量较大的电力装置的电压施加较大比重的权重，因此能够决定使系统整体的电力损失为最低的电压。也可以是，代替使用将图3 图5所示的关系曲线分别进行映射而得到的关系表， 而参照使各电力装置的总计的电力损失为最低的电压进行映射而得到的关系表，来决定使电力损失为最低的变换器14的输入电压。另外，如果能够以关系式对上述关系曲线进行近似，则也可以通过代替利用关系表而利用关系式的运算来使用使电力损失为最低的变换器14的输入电压。图6示出了电动机15的动作状态(目标转矩T及目标转速N)与第一转换器11、 第二转换器12及变换器14的总计最低电力损失之间的关系图。图6所示的最低损失电压关系表204与电动机15的动作状态相对应、表示将第一转换器11、第二转换器12及变换器 14的电力损失总计而得到的关系曲线。如图6所示，在对多个电力装置的电力损失进行了总计的情况下也是随着电动机 15的目标转矩T变大，使总计后的电力损失为最低的变换器14的输入电压(最低损失电压 Vinloss)按照规定的关系曲线进行变化。该关系曲线随着电动机15的目标转速N变大而移动。例如，在目标转矩为Treq的情况下，如果目标转速为Na，则参照关系曲线fNa特定最低损失电压Via。如果目标转速为Nb，则参照关系曲线fNb特定最低损失电压Vlb。如果目标转速为Ne，则参照关系曲线fNc特定最低损失电压Vic。 接着，转移至步骤S14，控制装置20的下限设定单元203参照电动机必要电压关系表205。电动机必要电压关系表205中，与电动机15的工作条件相对应地将必须对电动机 15进行最低限度供给的变换器下限电压Vinmin进行映射。该变换器下限电压Vinmin是稳定地驱动电动机15所需的最低电压。电动机必要电压关系表205中对图7所示的关系图进行映射。图7示出了电动机15的动作状态(目标转矩T及目标转速N)与变换器下限电压Vinmin之间的关系图。如图7所示，随着电动机15的目标转矩T变大，变换器下限电压 Vinmin也按照规定的关系曲线进行变化。该关系曲线随着电动机15的目标转速N变大而移动。例如，在目标转矩为Treq的情况下，如果目标转速为Na，则参照关系曲线fNa特定变换器下限电压Vinmina。如果目标转速为Nb，则参照关系曲线fNb特定变换器下限电压 Vinminb0如果目标转速为Ne，则参照关系曲线fNc特定变换器下限电压Vinminc。如果能够通过关系式来特定上述变换器14的下限电压Vinmin的下限条件，则也可以是，通过代替利用上述关系表而利用关系式的运算来特定变换器下限电压Vinmin。转移至步骤S15，下限设定单元203参照对图7所示的关系图进行映射而得到的电动机必要电压关系表205。并且，转移至步骤S16，比较步骤S13中决定的最低损失电压 Vinloss和步骤S14中特定的下限电压Vinmin。在比较的结果为最低损失电压Vinloss小于下限电压Vinmin的情况下(是)，转移至步骤S17，将变换器14的必要电压Vin设定为下限电压Vinmin。另一方面，在最低损失电压Vinloss为下限电压Vinmin以上的情况下(否)，转移至步骤S19，将变换器14的必要电压Vin设定为最低损失电压Vinloss。由于能够确保电动机15的稳定动作所需的下限电压Vinmin，因此为能够设定最低损失电压Vinloss的情况。
最后，转移至步骤S 18，控制装置20的必要电压输出单元202输出命令CVin，控制第二转换器12，将必要电压Vin输出至变换器14。通过该处理，在最低损失电压Vinloss 为下限电压inVmin以上的情况下，最低损失电压Vinloss被输入至变换器14，系统整体的电力损失大幅度地得以抑制。另一方面，在最低损失电压Vinloss小于下限电压Vinmin的情况下，下限电压Vinmin被输入至变换器14，电动机15的稳定性优先地得以确保。(本实施方式一的优点)根据本实施方式一，具有下述优点。(1)根据本实施方式一，构成为在电动机所要求的工作条件(目标转矩T及目标转速N)下，决定使电动机15、第一转换器11、第二转换器12及变换器14的电力损失为最低的最低损失电压Vinloss。能够实现限制系统整体的电力损失的电动机15的驱动。(2)根据本实施方式一，在最低损失电压Vinloss小于下限电压Vinmin的情况下， 将下限电压Vinmin作为变换器14的输入电压Vin输出，因此，能够稳定地维持电动机的动作状态。(3)根据本实施方式一，构成为参照图3 图5所示的与各电力装置相对应的最低损失电压关系表204，因此，能够根据电动机15的工作条件容易地取得使电力损失为最低的变换器14的输入电压。(4)根据本实施方式一，在电动机所要求的工作条件下决定使电动机15、第一转换器11、第二转换器12及变换器14的总计电力损失为最低的变换器14的输入电压20，因此，能够以系统整体中电力损失最少的状态驱动电动机15。(5)根据本实施方式一，构成为参照图6所示的使各电力装置的总计电力损失为最低的电压进行映射而得到的最低损失电压关系表204，因此，能够根据电动机15的工作条件容易地取得使电力损失为最低的变换器14的输入电压。(6)根据本实施方式一，构成为参照图7所示的电动机必要电压关系表205来决定电动机15的驱动电压Vd,因此，能够容易地取得与电动机的工作条件相对应的电动机15 的必要电压Vmin。(实施方式二)本实施方式二是关于保持有能够唯一地求出各电力装置中的最低电力损失及提供电动机必要电压的变换器输入电压的关系表的方式。在本实施方式二中，对于燃料电池系统100的结构，由于与上述实施方式一相同， 因此使用相同的标号并省略其说明。在上述实施方式一中，如图2所示，进行了如下所述两个阶段的判断，S卩利用最低损失电压关系表204 (参照图3 图6)等来决定最低损失电压Vinloss的阶段和利用电动机必要电压关系表(参照图7)来决定变换器的必要电压Vin的阶段。在本实施方式二中， 将最低损失电压关系表204和电动机必要电压关系表205总括在一个关系表中，这一点不同于上述实施方式一。图9示出了本实施方式二中使用的电动机15的动作状态(目标转矩T及目标转速N)与变换器14的必要电压Vin之间的关系图。图9所示的关系曲线是通过对与电动机 15的动作状态相对应地求出的最低损失电压Vinloss进行下限制限，进一步利用与电动机 15的动作状态相对应地确定的提供电动机15的必要电压的变换器14的下限电压Vinmin来进行下限制限而得到的。因此，如果参照对该图9所示的特性曲线进行映射而得到的电动机驱动电压关系表，则能够根据电动机15的动作状态直接地特定与电动机15相适的变换器必要电压Vin。如图9所示，即使在将上述实施方式一中的2个关系表合成的情况下也是，随着电动机15的目标转矩T变大，变换器必要电压Vin按照规定的关系曲线进行变化。该关系曲线随着电动机15的目标转速N变大而移动。例如，在目标转矩为Treq的情况下，如果目标转速为Na，则参照关系曲线fNa特定必要电压Vina。如果目标转速为Nb，则参照关系曲线 fNb特定必要电压Vinb。如果目标转速为Ne，则参照关系曲线fNc特定必要电压Vine。如果比较图6的最低损失电压Vinloss的特性曲线、图7的变换器14的下限电压Vinmin及图9的变换器14的必要电压Vin的特性曲线，则显然可知，在最低损失电压Vinloss小于下限电压Vinmin的电动机15的工作条件的范围内优先必要电压Vinmin，在除此之外的范围内优先最低损失电压Vinloss，从而来决定必要电压Vin。如果能够通过关系式来特定与上述电动机15的驱动条件相对应的必要电压Vin， 那么也可以通过代替利用上述关系表而利用关系式的运算来特定变换器14的必要电压 Vin。接着，参照图10的流程图来说明本实施方式二中的电动机驱动方法。在步骤S20中，控制装置20首先输入从传感器组21供给的各种信号(例如表示油门开度的信号、表示车速的信号、表示燃料电池10的输出电流、输出电压的信号等)。并且，对系统的要求电力及作为电动机15所要求的工作条件的目标转矩T及目标转速N进行运算。接着，转移至步骤S21，控制装置20判断上述运算的结果、电动机15的动作点即目标转矩T或目标转速N是否发生了变更。如果判断的结果为电动机15的动作点发生了变更(是)，则转移至步骤S22，控制装置20参照图9中说明的变换器必要电压关系表。接着，转移至步骤S23，控制装置20根据变换器必要电压关系表直接地特定变换器14的必要电压Vin。并且，转移至步骤S24，控制装置20输出命令CVin，从第二转换器12 向变换器14输出必要电压Vin。通过该处理，在最低损失电压Vinloss为提供电动机必要电压的变换器下限电压Vinmin以上的范围内，最低损失电压Vinloss被供给至变换器14， 系统整体的电力损失大幅度地得以抑制。另一方面，在最低损失电压Vinloss低于提供电动机必要电压的变换器下限电压Vinmin的范围内，变换器下限电压Vinmin被供给至变换器14，优先地确保电动机15的稳定性。以上，根据本实施方式二，参照使各电力装置(11、12、14、15)的电力损失为最低且为提供电动机15的必要电压的变换器下限电压Vinmin以上的变换器必要电压Vin进行映射而得到的变换器必要电压关系表。因此，通过一次的运算或判断处理就能够决定最合适的变换器必要电压Vin，判断处理极其容易。在本实施方式二中，在不产生矛盾的范围内沿袭了上述实施方式一中的作用效果，这是显而易见的。(变形例)本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够适当地变形来适用。
例如，在上述实施方式中，将电动机15、第一转换器11、第二转换器12及变换器 14作为考虑电力损失的电力装置进行了示例，但是，也可以构成为考虑其他结构要素的电力损失。例如，也可以构成为，对于图1所示的辅机变换器18也与其他电力装置并列地进行处理，将使辅机变换器18的电力损失为最低的电压也包括在内来决定最低损失电压 Vinloss0如果这样构成，则在相对而言不能够忽视辅机变换器18的电力损失量的情况下， 能够将辅机变换器18也考虑在内地决定适当的最低损失电压Vloss，能够进一步抑制系统整体的电力损失。另外，在上述实施方式中，针对电动机15、第一转换器11、第二转换器12及变换器14的全部考虑了电力损失，但是也可以是，从这些多个电力装置中选择几个来决定使电力损失为最低的变换器的输入电压。例如，也可以在第一转换器11与电动机15、第二转换器12及变换器14相比电力损失量大幅增大的情况下，将仅针对第一转换器11使电力损失为最低的电压决定为整体的最低损失电压Vinloss。另外，在变换器14的电压损失量比其他的电力装置小的情况下，也可以忽略变换器14的电力损失来决定整体的最低损失电压 Vinloss。这是因为，如果能够优先地降低电力损失量相对大的即权重大的电力装置的电压损失，就也能够抑制系统整体的电力损失。工业实用性本发明的燃料电池系统及电动机驱动方法不限于车辆，能够搭载在其他移动体上进行适用。作为这样的移动体，能够适用于火车、船舶、飞机、潜水艇等。此外，不限于车辆这样的移动体，也能够适用于固定式电源系统、便携式电源系统。标号说明10…燃料电池、11···第一转换器、12…第二转换器、13…蓄电池、14…变换器、15··· 电动机、16···差动器、17···轮胎、18···辅机变换器、19···高电压辅机、20···控制装置、21··· 传感器组、100…燃料电池系统、201…最低损失电压决定单元、202…驱动电压输出单元、 203…驱动电压下限设定单元、204…最低损失电压关系表、205…电动机必要电压关系表、 CVcU CVd2、CVfc, CVin…命令、N…目标转速、fNa、fNb、fNc…关系曲线、T…电动机转矩、 Treq-目标转矩、VI、Via、Vlb, Vic、V2、V2a、V2b、V2c、V3、V3a、V3b、V3c…最低损失电压、 Vbat…蓄电池输出电压、VcUVd2···驱动电压、Vda、Vdb、Vdc…驱动电压、Vfc…燃料电池输出电压、Vin…变换器输入电压、Via、Vlb、Vic···最低损失电压、Vloss…最低损失电压、Vmin, Vmina> Vminb>Vminc—
权利要求
1.一种燃料电池系统，其中，具备 变换器，与电动机连接；第一转换器，连接在燃料电池和所述变换器之间，用于设定所述燃料电池的输出电压；第二转换器，连接在蓄电装置和所述变换器之间，用于设定所述变换器的输入电压；以及控制装置，用于控制所述第一转换器及所述第二转换器；在所述电动机所要求的工作条件下决定使所述电动机、所述第一转换器、所述第二转换器及所述变换器中至少一个的电力损失为最低的所述变换器的输入电压，并将使所述电力损失为最低的所述变换器的输入电压作为所述变换器的必要电压输出。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在使所述电力损失为最低的所述变换器的输入电压小于提供所述电动机所要求的工作条件下的所述电动机的必要电压的所述变换器的输入电压的情况下，将提供所述电动机的必要电压的所述变换器的输入电压作为所述变换器的必要电压输出。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，对于所述第一转换器、所述第二转换器及所述变换器中的至少一个，参照相对于所述电动机的工作条件变化的使电力损失为最低的所述变换器的输入电压进行映射而得到的关系表，来决定使所述电力损失为最低的变换器的输入电压。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在所述电动机所要求的工作条件下决定使所述电动机、所述第一转换器、所述第二转换器及所述变换器的总计电力损失为最低的所述变换器的输入电压。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，参照相对于所述电动机的工作条件变化的使所述电动机、所述第一转换器、所述第二转换器及所述变换器的总计电力损失为最低的所述变换器的输入电压进行映射而得到的关系表，来决定使所述电力损失为最低的所述变换器的输入电压。
6.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，参照相对于所述电动机的工作条件变化的提供所述电动机的必要电压的所述变换器的输入电压进行映射而得到的关系表，来决定所述变换器的必要电压。
7.一种燃料电池系统，其中，具备 变换器，与电动机连接；第一转换器，连接在燃料电池和所述变换器之间，用于设定所述燃料电池的输出电压；第二转换器，连接在蓄电装置和所述变换器之间，用于设定所述变换器的输入电压；以及控制装置，用于控制所述第一转换器及所述第二转换器，在所述电动机所要求的工作条件下，决定使所述电动机、所述第一转换器、所述第二转换器及所述变换器中至少一个的电力损失为最低且为所述电动机所要求的工作条件下的所述电动机的必要电压以上的所述变换器的输入电压，并作为所述变换器的必要电压输出ο
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中，参照相对于所述电动机的工作条件变化的使所述电动机、所述第一转换器、所述第二转换器及所述变换器的总计电力损失为最低且为所述电动机的必要电压以上的所述变换器的输入电压进行映射而得到的关系表，来决定所述变换器的必要电压。
9.如权利要求1 8中任一项所述的燃料电池系统，其中，还具备与所述变换器并联地连接于所述第二转换器的辅机变换器，决定使所述电动机所要求的工作条件下的包括所述辅机变换器的电力损失在内的所述电力损失为最低的所述变换器的输入电压。
10.一种燃料电池系统，具备变换器，与电动机连接；第一转换器，连接在燃料电池和所述变换器之间，用于设定所述燃料电池的输出电压；第二转换器，连接在蓄电装置和所述变换器之间，用于设定所述变换器的输入电压；以及控制装置，用于控制所述第一转换器及所述第二转换器，所述燃料电池系统的特征在于，具备最低损失电压决定单元，在所述电动机所要求的工作条件下决定使所述电动机、所述第一转换器、所述第二转换器及所述变换器中至少一个的电力损失为最低的所述变换器的输入电压；以及必要电压输出单元，将使所述电力损失为最低的所述变换器的输入电压作为所述变换器的必要电压输出。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，还具备下限设定单元，在使所述电力损失为最低的所述变换器的电压小于提供所述电动机所要求的工作条件下的所述电动机的必要电压的所述变换器的输入电压的情况下，所述下限设定单元将提供所述电动机的必要电压的所述变换器的输入电压作为所述变换器的必要电压输出。
12.—种电动机驱动方法，用于燃料电池系统，所述燃料电池系统具备变换器，与电动机连接；第一转换器，连接在燃料电池和所述变换器之间，用于设定所述燃料电池的输出电压；第二转换器，连接在蓄电装置和所述变换器之间，用于设定所述变换器的输入电压； 以及控制装置，用于控制所述第一转换器及所述第二转换器，所述电动机驱动方法的特征在于，包括在所述电动机所要求的工作条件下决定使所述电动机、所述第一转换器、所述第二转换器及所述变换器中至少一个的电力损失为最低的所述变换器的输入电压的步骤；和将使所述电力损失为最低的所述变换器的输入电压作为所述变换器的必要电压输出的步骤。
13.如权利要求12所述的电动机驱动方法，其中，所述电动机驱动方法还包括如下步骤在使所述电力损失为最低的所述变换器的输入电压小于提供所述电动机所要求的工作条件下的所述电动机的必要电压的所述变换器的输入电压的情况下，将提供所述电动机的必要电压的所述变换器的输入电压作为所述变换器的必要电压输出。
全文摘要
在产生电力损失的装置有多个的情况下，能够在抑制系统整体的电力损失的同时驱动电动机。具备与电动机(15)连接的变换器(14)、连接在燃料电池(10)和变换器(14)之间且用于设定燃料电池(10)的输出电压Vfc的第一转换器(11)、连接在蓄电装置(13)和变换器(14)之间且用于设定变换器(14)的输入电压Vin的第二转换器(12)、以及控制第一转换器(11)及第二转换器(12)的控制装置(20)。在电动机(15)所要求的工作条件(转矩、转速)下决定使电动机(15)、第一转换器(11)、第二转换器(12)及变换器(14)中至少一个的电力损失为最低的变换器的输入电压，并作为变换器的必要电压Vin输出。
文档编号B60L11/18GK102470768SQ20098016037
公开日2012年5月23日 申请日期2009年7月9日 优先权日2009年7月9日
发明者马屋原健司 申请人:丰田自动车株式会社