专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，特别是涉及通过燃料电池的发电电压驱动电动机的燃料电池系统。
背景技术：
近年，将通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池作为能量源的燃料电池系统受到关注。燃料电池系统向燃料电池的阳极供给来自燃料罐的高压燃料气 体，并且向阴极加压供给作为氧化气体的空气，并使这些燃料气体和氧化气体发生电化学 反应，产生电动势。在这样的燃料电池系统中，由于抑制对燃料电池的老化进行的促进，进行在规定 条件下抑制燃料电池的电压变为规定的阈值以上的控制(以下称为“高电位回避控制”) (例如参照专利文献1)专利文献1 日本特开2007-109569号公报然而，在燃料电池系统中，在将燃料电池系统作为车辆的车载用发电系统使用的 情况下，使牵引电动机(行驶电动机)的控制方式(例如PWM电流控制、矩形波电压控制、过 调制电流控制)根据车速(或电动机转速)及控制该牵引电动机的变换器电压进行切换。在这样的燃料电池系统中适用上述高电位回避控制的情况下，燃料电池的输出电 压因该高电位回避控制的开/关的切换而变动，与此相伴，控制牵引电动机的变换器电压 也变动。并且，牵引电动机的控制方式伴随着变换器电压的变动而切换时，牵引电动机的控 制误差变大。在该情况下，采用将剩余电力向二次电池充电的构成时可能招致二次电池的过度 充电，所述剩余电力是通过辅机不能消耗完高电位回避控制中的燃料电池的发电电力时的 剩余电力。特别是，在向二次电池的电力再生中容易招致过度充电。进而，上述控制误差可 能招致二次电池的过度放电。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够抑制电动机的控制误差扩大的燃料电池系统。本发明的燃料电池系统，具备燃料电池，通过燃料气体和氧化气体的电化学反应 进行发电；蓄电部，将上述燃料电池的发电电力予以充电；电动机，由上述燃料电池的发电 电力和充电到上述蓄电部的电力中的至少一种电力进行驱动；变换器，以在规定条件下切 换的多种控制方式来控制上述电动机；转换器，可使从上述蓄电部输入的电压升压而经由 上述变换器向上述电动机输出，并且可使从上述燃料电池输入的电压降压而向上述蓄电部 输出；及控制部，对转换器指令电压及变换器指令电压进行控制，上述控制部进行如下所述 的高电位化回避控制通过将上述转换器指令电压维持为比上述燃料电池的开路电压低的 高电位回避电压来抑制上述燃料电池的总电压变为规定的高电位回避电压阈值以上，另一方面，在上述电动机的控制方式发生切换的条件下禁止上述高电位化回避控制。根据该构成，即使在电动机的控制方式发生切换的条件下，作为强制性地禁止实施高电位化回避控制的结果，伴随着高电位回避控制的开/关动作的燃料电池的输出电压 的变动被抑制。因此，不会存在电动机的控制方式在该影响下发生切换的情况，能够抑制电 动机的控制误差扩大。上述电动机的控制方式也可以构成为根据例如上述电动机的转速、转矩，进而上述变换器指令电压进行切换。在该情况下，上述控制部也可以在电动机的转速为规定转速以上(但是该规定转速根据变换器指令电压变动)时禁止上述高电位化回避控制。另外，在车载该燃料电池系 统的情况下，上述控制部也可以在规定的车速以上时禁止上述高电位化回避控制。根据本发明的燃料电池系统，能够抑制由燃料电池的发电电压驱动的电动机的控制误差扩大。
图1是概略地表示本发明的一实施方式的燃料电池系统的系统构成图。图2是变换器指令电压为规定的第一电压Va的情况下的该燃料电池系统的牵引电动机的控制切换用的控制映射图。图3是变换器指令电压为规定的第二电压Vb (但是Vb > Va)的情况下的该燃料电池系统的牵引电动机的控制切换用的控制映射图。图4是表示该燃料电池系统的变换器指令电压、电动机控制方式和蓄电池功率的关系的时间图中与变换器指令电压相关的时间图。图5是表示该燃料电池系统的变换器指令电压、电动机控制方式和蓄电池功率的关系的时间图中与电动机控制方式相关的时间图。图6是表示该燃料电池系统的变换器指令电压、电动机控制方式和蓄电池功率的关系的时间图中与蓄电池功率相关的时间图。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本实施方式的燃料电池系统100的主要部分的构成图。在本实施方式中，设想搭载于燃料电池汽车(FCHV ；Fuel Cell HybridVehicle)、电动汽车、混合动力汽 车等的车辆上的燃料电池系统，但是不仅是车辆，也可应用于各种移动体(例如二轮车、船 舶、机器人等)中。进而，不限于搭载在移动体上的燃料电池系统，也可应用于定置型的燃 料电池系统、便携型的燃料电池系统中。该车辆以经由减速齿轮而与车轮63L、63R连接的牵引电动机61为驱动源行驶。牵引电动机61的电源是电源系统1。从电源系统1输出的直流通过变换器60变换为三相交 流而供给到牵引电动机61。牵引电动机61也能够在制动时作为发电机起作用。电源系统 1由燃料电池40、蓄电池(蓄电部)20、DC/DC转换器(转换器)30等构成。燃料电池40是由所供给的反应气体(燃料气体及氧化气体)产生电力的单元，可以利用固体高分子型、磷酸型、熔融碳酸盐型等各种类型的燃料电池。燃料电池40具备由通过氟类树脂等形成的质子传导性的离子交换膜等构成的高分子电解质膜41，在高分子电 解质膜的表面涂布有钼催化剂(电极催化剂)。在高分子电解质膜41上涂布的催化剂不限于钼催化剂，也可适用钼钴催化剂(以 下简称为催化剂)等。构成燃料电池40的各单体电池具备在高分子电解质膜41的两面通 过网板印刷等形成阳极42和阴极43的膜/电极接合体44。燃料电池40具有串联地层积 多个单体电池的堆叠构造。该燃料电池40的输出电压(以下称为FC电压)及输出电流(以下称为FC电流) 分别由电压传感器92及电流传感器93检测出。从燃料气体供给源70向燃料电池40的燃 料极(阳极)供给氢气等的燃料气体，另一方面从氧化气体供给源80向氧极(阴极)供给 空气等的氧化气体。
燃料气体供给源70例如由氢罐、各种阀等构成，通过调整阀开度、开/关时间等， 控制供给到燃料电池40的燃料气体量。氧化气体供给源80例如由空气压缩机、驱动空气压缩机的电动机、变换器等构 成，通过调整该电动机的转速等调整供给到燃料电池40的氧化气体量。蓄电池20是可充放电的二次电池，例如由镍氢蓄电池等构成。当然，也可以设置 二次电池以外的可充放电的所有的蓄电器(例如电容器)来代替蓄电池20。该蓄电池20 介于燃料电池40的放电路径上，与燃料电池40并联连接。蓄电池20和燃料电池40与牵 引电动机用的变换器60并联连接，在蓄电池20和变换器6之间设置DC/DC转换器30。变换器60例如由多个开关元件构成，根据从控制装置10给予的控制指令将从燃 料电池40或蓄电池20输出的直流电力变换为三相交流电力并向牵引电动机61供给。牵 引电动机61是用于驱动车轮63L、63R的电动机，通过变换器60控制该电动机的转速。并且，控制装置10如图2至图6所示，根据变换器指令电压和牵引电动机61的转 速及转矩，使变换器60的控制方式随着牵引电动机61的转速变高而从PWM控制向过调制 控制、从过调制控制向矩形控制切换。更具体而言，只要变换器指令电压相同，牵引电动机61的转速为规定以上，换言 之车速为规定以上时，控制方式按照从低车速侧的第一区域Zl即PWM控制向较高车速侧的 第二区域Z2即过调制控制及向更高车速侧的第三区域Z3即矩形控制这样的顺序切换。另外，即使牵引电动机61的转速及转矩相同(参照图2、3的动作点(N1，T1))，当 变换器指令电压为规定以上时，控制方式按照从PWM控制向过调制控制及矩形控制这样的 顺序切换。并且，伴随着图4所示的变换器指令电压的上升，控制方式如图5所示切换时，在 控制方式每次切换时控制误差扩大，因此蓄电池功率如图6所示过度上升/下降，招致过度 充放电。对于避免该不合适的具体的方法在后面详述。DC/DC转换器30是例如由四个功率晶体管和专用的驱动电路(均省略图示)构 成的全桥转换器。DC/DC转换器30具备使从蓄电池20输入的DC电压升压或降压而输出 到燃料电池40侧的功能；及使从燃料电池40等输入的DC电压升压或降压而输出到蓄电池 20侧的功能。另外，通过DC/DC转换器30的功能实现蓄电池20的充放电。在蓄电池20和DC/DC转换器30之间连接有车辆辅机、FC辅机等的辅机类50。蓄 电池20成为这些辅机类50的电源。所谓车辆辅机是指车辆的运转时等使用的各种的电力设备(照明设备、空调设备、油压泵等)，所谓FC辅机是指燃料电池40的运转使用的各种电 力设备(用于供给燃料气体、氧化气体的泵等)。上述各要素的运转通过控制装置(控制部)10进行控制。控制装置10作为内部 具备CPU、ROM、RAM的微机而构成。控制装置10基于所输入的各传感器信号对设于燃料气体通路的调压阀71、设于 氧化气体通路的调压阀81、燃料气体供给源70、氧化气体供给源80、蓄电池20、DC/DC转换 器30、变换器60等系统各部进行控制。向该控制装置10输入例如由压力传感器91检测出的燃料气体的供给压力、由电 压传感器92检测出的燃料电池40的FC电压、由电流传感器93检测出的燃料电池40的FC 电流、由SOC传感器21检测出的表示蓄电池20的充电状态S0C(State Of Charge)的SOC 值等各种传感器信号。在本实施方式中，即使在蓄电池20的充电量被限制的情况下，例如通过使DC/DC 转换器30的开关频率上升，使在该DC/DC转换器的能量损失增大，从而可靠地避免燃料电 池40的电压变为比该燃料电池40的开路电压低的规定的高电位化回避电压阈值以上。
接着，对由控制装置10间歇性地执行高电位化回避控制处理进行说明。控制装置10算出对于燃料电池40的要求电力。作为要求电力，例如是用于驱动 牵引电动机61、辅机类50的电力。并且，控制装置10利用表示未图示的I-V特性及I-P特 性的特性映射来算出与要求电力相对应的燃料电池40的输出电压。该特性映射预先通过 试验等求得，在制造出厂时等存储在控制装置10的内部存储器11中。该特性映射值也可 以是固定值，但是也可以是可依次改写的值。并且，控制装置10判断是否需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低。具体 而言，控制装置10对输出电压和高电位化回避目标阈值电压(以下，阈值电压Vth)进行比 较，在输出电压超过阈值电压Vth的情况下，判断为需要强制性地使燃料电池40的输出电 压降低，另一方面，在输出电压为阈值电压Vth以下的情况下，判断为不需要强制性地使燃 料电池40的输出电压降低。该阈值电压Vth是比燃料电池40的开路电压低的电压，预先通过试验等求出，在 制造出厂时等存储在控制装置10的内部存储器11中。另外，阈值电压Vth也可以是固定 值，但是例如也可以是根据周围环境(外部气体温度、燃料电池温度、湿度、运转模式等)可 依次改写的值。控制装置10在上述判断中判断为不需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低 的情况下，由于不需要避免燃料电池40的高电位化的控制，因此结束该处理。另一方面，控制装置10在上述判断中判断为需要强制性地使燃料电池40的输出 电压降低的情况下，进行使该燃料电池40的输出电压强制性地降低到低于阈值电压Vth的 值的控制。此时，对于强制性地使燃料电池40的输出电压降低到怎样的值可任意设定。并 且，控制装置10判断是否可通过蓄电池20吸收剩余电力(即，是否可在蓄电池20蓄电)。 详细表述即为，控制装置10根据由SOC传感器21检测出的SOC值进行检测，把握蓄电池20 的剩余容量等来判断是否能够通过蓄电池20吸收剩余电力。控制装置10在判断为能够通过蓄电池20吸收剩余电力的情况下，在通过蓄电池 20吸收剩余电力(蓄电于蓄电池20)后，结束处理。另一方面，控制装置10在判断为不能通过蓄电池20吸收剩余电力的情况下，例如将DC/DC转换器30的开关频率设定得较高，并 使DC/DC转换器30的能量损失增大，从而吸收剩余电力，然后结束处理。然而，在牵引电动机61的向蓄电池20的电力再生中，当高电位化回避控制从开 切换为关或从关切换为开时，燃料电池40的输出电压变动，存在在该影响下牵引电动机61 的控制方式切换的情况。在该情况下，牵引电动机61的控制误差乃至驱动再生电力误差变 大，蓄电池20可能产生过度充放电。因此，控制装置10，在牵引电动机61产生控制切换的条件下、例如在规定的车速 区域禁止高电位化回避控制。具体而言，在图2中，对于与处于在第一区域Z1、且靠近第二 区域Z2的规定车速ν相对应的转速m以上的高车速区域，预先禁止高电位化回避控制。另 一方面，对于低于规定车速V的低中车速区域允许高电位化回避控制。在牵引电动机61的 电力再生中，进行这样的高电位化回避控制的允许判断，从而能够抑制蓄电池20的过度充 H1^ ο根据上述本实施方式的燃料电池系统100，对于牵引电动机61产生控制切换的规 定车速V以上的车速区域禁止高电位化回避控制，因此在牵引电动机61产生控制切换的车 速区域中，能够通过禁止高电位化回避控制来抑制燃料电池40的输出电压的变动，消除牵 引电动机61的控制方式在该影响下发生切换的情况。由此，可抑制牵引电动机61的控制误差的扩大，能够防止蓄电池20的过度充电， 特别是能够防止电力再生时的蓄电池20的过度充电。禁止高电位化回避控制的规定车速 V也可以根据变换器指令电压而变动。
权利要求
一种燃料电池系统，具备燃料电池，通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电；蓄电部，将上述燃料电池的发电电力予以充电；电动机，由上述燃料电池的发电电力和充电到上述蓄电部的电力中的至少一种电力进行驱动；变换器，以在规定条件下切换的多种控制方式来控制上述电动机；转换器，能够使从上述蓄电部输入的电压升压而经由上述变换器向上述电动机输出，并且能够使从上述燃料电池输入的电压降压而向上述蓄电部输出；及控制部，对转换器指令电压及变换器指令电压进行控制，上述控制部进行如下所述的高电位化回避控制通过将上述转换器指令电压维持为比上述燃料电池的开路电压低的高电位回避电压来抑制上述燃料电池的总电压变为规定的高电位回避电压阈值以上，另一方面，在上述电动机的控制方式发生切换的条件下禁止上述高电位化回避控制。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，上述电动机的控制方式根据上述电动机的转速及转矩进行切换。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，上述电动机的控制方式还根据上述变换器指令电压进行切换。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的燃料电池系统，其中，上述控制部在上述电动机的转速为规定转速以上时禁止上述高电位化回避控制。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的燃料电池系统，是一种车载燃料电池系统，其中，上述控制部在规定的车速以上时禁止上述高电位化回避控制。
全文摘要
提供一种燃料电池系统，能够抑制电动机的控制误差的扩大。包括燃料电池(40)，通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电；电动机(61)，通过燃料电池(40)的发电电力进行驱动；及控制部(10)，对燃料电池(40)的发电状态进行控制，控制部(10)进行抑制燃料电池(40)的总电压变为规定的高电位回避电压阈值以上的高电位化回避控制，并且在产生电动机(61)的控制切换的车速区域禁止上述高电位化回避控制。
文档编号H01M8/00GK101803089SQ20088010622
公开日2010年8月11日 申请日期2008年9月4日 优先权日2007年10月29日
发明者吉田道雄, 马屋原健司 申请人:丰田自动车株式会社