专利名称：燃料电池系统及其电力控制方法
技术领域：
本发明涉及搭载于车辆的燃料电池系统，尤其是涉及具备两个DC-DC转换器的燃料电池系统。
背景技术：
作为搭载于车辆的燃料电池系统，开发有具备多个DC-DC转换器的系统。例如，在日本特开2007-209161号公报中公开有一种燃料电池系统，具备配置在蓄电装置与逆变器之间的第一 DC-DC转换器；及配置在燃料电池与逆变器之间的第二 DC-DC转换器。在该系统中，构成为，当目标电动机输出大于规定的阈值时，将第一 DC-DC转换器设定成断开状态，将第二 DC-DC转换器设定成直接连接状态，将输出大的燃料电池的输出电力优先于蓄电装置的输出电力向电动机供给。另外，当目标电动机输出小于阈值时，使第一 DC-DC转换器动作并从蓄电装置供给辅助电力，将第二 DC-DC转换器形成为直接电连接状态。通过此种结构，防止车辆的行驶性能下降的情况，并能够进行高效率的电力转换(专利文献1)。专利文献1 日本特开2007-209161号公报
发明内容
然而，在上述专利文献1的发明中，由于基于电动机输出电力对第一 DC-DC转换器及第二 DC-DC转换器进行切换，因此有时燃料电池的输出电压会高于逆变器的输入电压。 这种情况下，尽管无需对燃料电池的输出电压进行升压，但也会不必要地驱动DC-DC转换器(在专利文献1中为第二 DC-DC转换器)。即，浪费地消耗转换器的动作电力。因此，为了解决上述问题点，在本发明的优选的形态中，其目的在于提供一种通过禁止不必要的DC-DC转换器的动作而能够减少消耗电力的燃料电池系统及其电力控制方法。解决上述课题的燃料电池系统的一形态的特征在于，具备与负载装置连接的逆变器；连接在燃料电池与逆变器之间且设定燃料电池的输出电压的第一转换器；连接在蓄电装置与逆变器之间且设定逆变器的输入电压的第二转换器；及对第一转换器及第二转换器进行控制的控制装置，控制装置将燃料电池的必要输出电压及逆变器的必要输入电压中的大的一方的电压作为逆变器的输入电压而输出。根据上述结构，由于选择燃料电池的必要输出电压和逆变器的必要输入电压中的大的一方，因此避免燃料电池的输出电压高于逆变器的输入电压的情况。由此，能够禁止无用地使第一转换器动作的情况。具体而言，控制装置对燃料电池的必要输出电压与逆变器的必要输入电压进行比较，当判定为燃料电池的必要输出电压为逆变器的必要输入电压以上时，使第一转换器的
动作停止。S卩，本发明的燃料电池的另一形态具备与负载装置连接的逆变器；连接在燃料电池与逆变器之间且设定燃料电池的输出电压的第一转换器；及连接在蓄电装置与逆变器之间且设定逆变器的输入电压的第二转换器，所述燃料电池系统的特征在于，具备运算燃料电池的必要输出电压的燃料电池必要输出电压运算单元；运算逆变器的必要输入电压的逆变器必要输入电压运算单元；对燃料电池的必要输出电压与逆变器的必要输入电压进行比较的比较单元；及当判定为燃料电池的必要输出电压为逆变器的必要输入电压以上时， 使第一转换器的动作停止的转换器动作控制单元。另外，本发明的燃料电池用的电力控制方法的一形态中，该燃料电池系统具备与负载装置连接的逆变器；连接在燃料电池与逆变器之间且设定燃料电池的输出电压的第一转换器；及连接在蓄电装置与逆变器之间且设定逆变器的输入电压的第二转换器，所述电力控制方法的特征在于，具备运算燃料电池的必要输出电压的步骤；运算逆变器的必要输入电压的步骤；对燃料电池的必要输出电压与逆变器的必要输入电压进行比较的步骤； 及当判定为燃料电池的必要输出电压为逆变器的必要输入电压以上时，使第一转换器的动作停止的步骤。根据上述结构，在判定为燃料电池的必要输出电压在逆变器的必要输入电压以上时，由于第一转换器的动作成为禁止状态，因此能够抑制无用的电力转换动作。本发明根据希望能够选择性地附加以下的要素。(1)第一转换器优选在第一转换器的动作停止期间，维持为将燃料电池和逆变器电导通的状态。根据此种结构，在第一转换器的动作停止期间，逆变器的必要输入电压成为燃料电池的输出电压，能够向以来自蓄电装置的电力供给为中心的低效率运转状态移动。(2)优选当判定为燃料电池的必要输出电压为在逆变器的必要输入电压上加上第一延缓电压所得到的电压以上时，使第一转换器的动作停止。根据上述结构，在逆变器的必要输入电压上加上与停止时的容限相当的第一延缓电压所得到的电压以上时，第一逆变器的停止条件才开始齐备。因此，在燃料电池的必要输出电压成为逆变器的必要输入电压以上之后，等待直至经过若干的待机时间为止，因此能够可靠地在逆变器的输入电压高于燃料电池的输出电压后使第一转换器停止。由此，能够可靠地抑制无用的电力消耗。(3)优选当判定为燃料电池的必要输出电压低于在逆变器的必要输入电压上加上第二延缓电压所得到的电压低时，在经过了第二待机时间后使第一转换器的动作开始。根据上述结构，在判定为低于在逆变器的必要输入电压上加上与动作开始时的容限相当的第二延缓电压所得到的电压时，第一逆变器的动作开始条件才开始齐备。因此，在燃料电池的必要输出电压低于逆变器的必要输入电压之前使第一逆变器的动作开始，因此能够没有响应延迟地使燃料电池的电力转换开始。由此，能够抑制向负载装置供给的电力发生不足的情况。发明效果根据上述发明，由于将DC-DC转换器的不必要的驱动禁止，因此能够减少燃料电池系统的消耗电力。
图1是实施方式的FCHV系统的系统结构图。图2是执行本实施方式的燃料电池系统的电力控制的功能框图。
图3是表示燃料电池的电流-电压(I-V)特性f0和燃料电池要求功率Pkeq的等电力线的特性图。图4是表示燃料电池中的发电电力(Pfc)-输出端子电压(Vfc)特性fl和电动机的驱动电力(PM)-输入端子电压(Vinv)特性f2的特性图。图5是燃料电池必要输出电压VfcKEQ和逆变器必要输入电压VinvKEQ的时间变化例。图6是在图4的特性中适用了本发明时的逆变器输入单位电压Vinv的时间变化例。图7是本实施方式1的燃料电池系统的电力控制流程图。图8是本实施方式1中的第一转换器11的驱动控制命令CVf。的例子。图9是说明本实施方式2的第一转换器11切换的时间的波形图。图10是本实施方式2的燃料电池系统的电力控制流程图。
具体实施例方式接下来，参照附图，说明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，利用相同或类似的标号表示相同或类似的部分。但是，附图是示意性的图。因此，具体的特性等应参照以下的说明来判断。另外，在附图相互之间当然也包含相互的特性不同的部分。另外，在以下的实施方式中，记载了利用一个控制装置进行全部的处理的情况，但也包括多个控制部协作来完成本发明的控制处理的情况。(实施方式1)本实施方式1涉及本发明的基本形态的将燃料电池的必要输出电压及逆变器的必要输入电压中的大的一方的电压作为逆变器的输入电压而输出的发明。尤其是涉及一种电力控制方法，其特征在于，对燃料电池的必要输出电压和逆变器的必要输入电压进行比较，当判定为燃料电池的必要输出电压为逆变器的必要输入电压以上时，使第一转换器的
动作停止。(系统结构)图1是本实施方式1的搭载于车辆的燃料电池系统100的框图。此种车辆是混合动力型燃料电池车(FCHV :￡uel Cell Hybrid Vehicle) 燃料电池系统100构成为具备燃料电池10、第一转换器11、第二转换器12、蓄电池 13、逆变器14、电动机15、辅机逆变器18、高压辅机19及控制装置20。燃料电池10是将多个单元电池串联层叠而构成的发电单元。单元电池具有利用隔板将膜/电极接合体(MEA =Membrane Electrode Assembly)夹入的结构，该膜/电极接合体利用阳极及阴极将高分子电解质膜等的离子交换膜夹入而形成。阳极是将阳极用催化剂层设置在多孔质支承层上而成，阴极是将阴极用催化剂层设置在多孔质支承层上而成。经由隔板从未图示的燃料气体供给系统向各单元电池的阳极供给燃料气体(例如氢气)。经由隔板从未图示的氧化气体供给系统向各单元电池的阴极供给氧化气体(例如空气)。在隔板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，在阳极处产生(1)式的氧化反应，在阴极处产生(2)式的还原反应，作为燃料电池10整体产生⑶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将输出端子电压Vfc向输出端子输出。燃料电池10具有规定的电流-电压输出特性，对应于输出端子电压Vfc的变化，而输出电流及输出电力发生变化。第一转换器11是电压转换器，具备作为DC-DC转换器的结构。第一转换器11使用三相运转方式时，例如具备三相桥形转换器等电路结构。三相桥形转换器具备由电抗器、整流用的二极管、IGBTansulated Gate Bipolar ransistor 绝缘栅双极型晶体管)等构成的开关元件。通过将这些元件组合，而形成将输入的直流电压暂时转换成交流的类似逆变器的电路部分和对该交流再次进行整流而转换成不同的直流电压的部分。需要说明的是， 第一转换器11的电路结构并不局限于上述情况，而可以采用能够进行燃料电池10的输出端子电压Vfc的控制的所有的结构。第一转换器11在一次侧连接有燃料电池10的输出端子，在二次侧连接有逆变器 14的输入端子。第一转换器11构成为按照来自控制装置20的用于进行驱动的命令Cvf。， 来控制一次侧的端子电压(燃料电池10的输出端子电压Vfc)。即，通过该第一转换器11 控制成使燃料电池10的输出端子电压Vfc变为与目标输出对应的电压(S卩，目标输出端子电压Vfc)。而且第一转换器11以如下方式构成，即以使燃料电池10的输出端子电压Vfc 与逆变器14的输入端子电压Vinv匹配的方式对电压进行转换。另外，第一转换器11构成为在从控制装置20接受到使动作停止的命令CVf。时，使内部的开关元件的一部分形成为接通状态，而成为将一次侧和二次侧直接电连接的状态。蓄电池13是蓄电装置，作为由燃料电池10发电的电力中的剩余电力的贮藏源、再生制动时的再生能量贮藏源、伴随着燃料电池车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器而发挥功能。作为蓄电池13，利用例如镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。蓄电池13的输出端子电压Vbat成为第二转换器12的输入端子电压。第二转换器12是电压转换器，具备与第一转换器11同样的作为DC-DC转换器的结构。第二转换器12在一次侧连接有蓄电池13的输出端子，在二次侧连接有逆变器14的输入端子。第二转换器12构成为按照来自控制装置20的命令Cvinv来控制二次侧的端子电压(逆变器14的输入端子电压Vinv)。例如，在电动机15的要求电力发生变化时，第二转换器12使逆变器14的输入端子电压Vinv变化至所设定的目标输入电压。并且，逆变器14 的输入端子电压Vinv到达了目标输入电压后，第一转换器11以控制燃料电池10的输出端子电压Vfc的方式按阶梯进行控制。需要说明的是，第二转换器12的电路结构可以采用能够进行逆变器14的输入端子电压Vinv的控制的所有的结构。逆变器14是电力转换器，构成为将供给至输入端子的直流电流转换成交流电流而向电动机15供给。逆变器14的电路结构例如具备以脉冲宽度调制方式驱动的PWM逆变器电路。逆变器14构成为按照来自控制装置20的指示逆变器要求电压的命令Cvd而将具有规定的驱动电压Vd (有效值)的三相交流电力向电动机15供给。另外，构成为将在当前时刻输出的驱动电压(逆变器输出电压)Vd作为驱动电压信号Svd向控制装置20输出。电动机15是车辆行驶用的牵引式电动机，在供给驱动电力时对本车辆施加推动力，在减速时产生再生电力。差速器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，并使设有轮胎17的轴旋转。转速传感器23检测电动机15的转速而将转速信号、向控制装置20输出。辅机逆变器18是电力转换器，构成为将向输入端子供给的直流电流转换成交流电流而向高压辅机19供给。辅机逆变器18的电路结构与上述逆变器14相同。辅机逆变器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)的三相交流电力向高压辅机19供给。需要说明的是，高压辅机19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是对燃料电池系统100进行控制的计算机系统，例如具备CPU、RAM、 ROM等。控制装置20从油门开度传感器21输入与油门开度Acc对应的油门开度信号Sacco 另外，输入来自传感器组22的各种信号，并实施控制所需的各种运算。作为传感器组22，包括检测燃料电池10的输出电流的电流传感器、检测输出端子电压Vfc的电压传感器、检测燃料电池10的冷却液温度的温度传感器、检测空气压缩机、氢泵及冷却液泵等的转速的转速传感器等。另外，控制装置20输入来自检测电动机15的转速N的转速传感器23的转速
f η Sn ο控制装置20参照这些信号而控制系统整体。概略说明时，控制装置20基于油门开度Acc及电动机转速N来运算电动机要求转矩Τ·。然后，基于电动机要求转矩Tkeq和电动机转速N来运算电动机要求功率ΡΜ。接下来， 基于电动机要求功率Pm等来运算发电要求功率P·。然后，根据燃料电池10的电流-电压 (I-V)特性，来运算为了输出发电要求功率PrcK需的燃料电池10的输出端子电压Vfc即要求输出电压VfcKEQ。根据需要，控制装置20决定燃料电池10与蓄电池13的各自的输出电力的分配。并且，输出控制燃料电池10的输出端子电压Vfc的命令Cvf。，以成为求出的要求输出电压VfcKEQ。另外，为了将求出的蓄电池13的要求电力取出，而向第二转换器12输出命令Cvinv，控制逆变器14的输入端子电压Vinv。另外，控制装置20为了得到电动机要求转矩TKEQ，而向逆变器14输出命令Cvd，输出所希望的驱动电压Vd，控制电动机15的转矩。尤其是在本实施方式1中的特征在于，控制装置20输出命令Cvd，该命令Cvd是将燃料电池10的必要输出电压VfCkeq及逆变器14的必要输入电压VinvKEQ中的大的一方的电压作为逆变器14的输入端子电压Vinv而输出的命令。(功能块)图2表示通过本实施方式1的控制装置20所功能性地实现的、用于实现燃料电池系统100的电力控制的功能框图。控制装置20定期或不定期地调出执行本发明的控制处理(参照图8)的程序，从而功能性地实现这些功能块。需要说明的是，图2所示的功能块是便于区分功能的结构，未必非要像图2那样进行功能分离。只要是能够基于图2所列举的输入而控制逆变器14的输入端子电压Vinv的结构即可，也可以通过与图2不同的功能块来实现同样的功能。如图2所示，控制装置20构成为作为功能块具备电动机要求转矩运算单元201、电动机要求功率运算单元202、发电要求功率运算单元205、燃料电池必要输出电压运算单元 204、逆变器必要输入电压运算单元205、比较单元206及转换器动作控制单元207。电动机要求转矩运算单元201基于从油门开度信号取得的油门开度Acc及从转速信号、取得的电动机15的转速N，来运算输出要求转矩，并运算电动机15的要求转矩 TKEQ。作为电动机的一般的特性，在决定电动机的转速N及油门开度Acc时，决定根据转速而能够产生的转矩(以下将该特性称为“N-T特性”)。电动机要求转矩运算单元201基于油门开度Acc，参照此种N-T特性，运算电动机要求转矩TKEQ。电动机要求功率运算单元202是基于电动机要求转矩Tkeq来运算电动机要求功率的功能块。电动机要求功率Pm成为将电动机要求转矩Tkeq乘以转速N所得到的值(PM = NXW。发电要求功率运算单元203是基于电动机要求功率Pm来运算燃料电池的发电要求功率P·的功能块。发电要求功率Pkeq除了运算出的电动机要求功率Pm之外，还与电动机以外的负载装置的要求功率总计而进行运算。例如，算出在高压辅机19中所需的高压辅机功率Paux与电动机要求功率Pm相加所得到的值作为发电要求功率P·。燃料电池必要输出电压运算单元204基于求出的发电要求功率Pkeq来运算燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ。图3表示燃料电池10的输出电流-输出电压(I-V)特性f0和燃料电池要求功率 Peeq的等电力线。通常运转时，燃料电池10按照图3所示那样的燃料电池I-V特性来使所述燃料电池10的输出电流及输出电压变化。通过上述运算所求出的燃料电池要求功率Pkeq 在图3中成为由虚线所示那样的双曲线状的等电力线。燃料电池I-V特性f0与燃料电池要求功率Pkeq的交点成为本燃料电池系统100的动作点p0。因此，燃料电池必要输出电压运算单元204预先存储图3的燃料电池I-V特性 ， 求出发电要求功率Pkeq后，参照存储的燃料电池I-V特性f0，算出与求得的燃料电池要求功率Pkeq的交点。该交点是特定燃料电池10的要求输出电压VfCkeq和要求输出电流IfCkeq的动作点p0。需要说明的是，燃料电池10的要求输出电压VfcKEQ可以参照后述的图4中说明的燃料电池P-V特性fl，作为与燃料电池要求功率Pkeq对应的燃料电池输出电压而求出。逆变器必要输入电压运算单元205是运算逆变器14用的必要输入电压VinvKEQ的功能块。逆变器14的必要输入电压VinvKEQ作为为了将求出的电动机要求功率Pm向逆变器 14输出所需的逆变器14的输入端子电压Vinv而求出。图4表示燃料电池10中的发电电力(Pfc)-输出端子电压(Vfc)特性(燃料电池 P-V特性)fl和电动机15的驱动电力OV-逆变器14的输入端子电压(Vinv)特性(电动机输出特性)f2。在图4中，如燃料电池P-V特性fl所示，在燃料电池10中随着输出端子电压Vfc减少而发电功率上升。另外，在图4中，如电动机输出特性f2所示，随着电动机15 的驱动电力上升而相对于逆变器14的输入端子电压Vinv上升。在图4的电动机输出特性 f2中，电动机15的驱动电力对应于在上述运算中求出的电动机要求功率PM。逆变器14的输入端子电压Vinv对应于在上述运算中求出的逆变器14的要求输入电压Vinv·。逆变器必要输入电压运算单元205预先存储图4的电动机输出特性f2所示的电动机15的驱动电力逆变器14的输入端子电压(Vinv)特性。并且，基于求出的电动机要求功率PM，参照所存储的电动机输出特性f2，算出逆变器14的要求输入电压Vinv·。比较单元206是对求出的燃料电池10的必要输出电压VfCkeq与逆变器14的必要输入电压VinvKEQ进行比较的功能块。为了以电动机15所要求的功率(电动机要求功率Pm)来进行驱动，而必须将由图4的电动机输出特性f2特定的输入端子电压Vinv作为最低电压向逆变器14输入。在此， 在图4中，燃料电池P-V特性f 1和电动机输出特性f2在与电力阈值Pth对应的交点pi处交叉。在比该电力阈值Pth高的电力的区域B中，当燃料电池10向电动机15供给必要的电力时，燃料电池10的输出端子电压Vfc低于逆变器14的输入端子电压Vinv。因此，必须使燃料电池10的输出端子电压Vfc升压至必要的逆变器14的输入端子电压Vinv。进行该升压处理的装置是第一转换器11。另一方面，在图4所示的电力阈值Pth以下的电力的区域A中，燃料电池10的输出端子电压Vfc高于为了驱动电动机15所需的逆变器14的输入端子电压Vinv。由此，在区域A的动作中，不存在使燃料电池10的输出端子电压Vfc进一步升压的必要性。是也可以将燃料电池10的输出端子电压Vfc作为逆变器14的输入端子电压Vinv进行供给的情况。比较单元206对燃料电池10的必要输出电压VfCkeq和逆变器14的必要输入电压 Vinv·进行比较。该比较等于在与图4的电力阈值Pth的比较中检测是在区域A侧进行动作还是在区域B侧进行动作的情况。转换器动作控制单元207进行该判定。转换器动作控制单元207是在判定为燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ为逆变器14的必要输入电压Vinv·以上时使第一转换器11的动作停止的功能块。具体而言，转换器动作控制单元207将根据上述判定而使动作停止或继续的命令CVf。向第一转换器11 输出。第一转换器11在接受到使动作停止的命令CVf。时，使电压转换动作停止，并将第一转换器11的一次侧和二次侧直接电连接，即维持成导通的状态。由此，燃料电池10的输出端子电压Vfc与逆变器14的输入端子电压Vinv相等。通过上述的处理，将燃料电池10的必要输出电压VfCkeq及逆变器14的必要输入电压VinvKEQ中的大的一方的电压向逆变器14 输出。图5表示燃料电池10的必要输出电压VfCkeq和逆变器14的必要输入电压VinvKEQ 的时间变化例。在燃料电池车中，由于油门开度的变化等而负载条件时刻发生变化。若负载条件变化，则电动机要求功率Pm发生变动。每当电动机要求功率Pm变动时，如图4中说明所示，动作点向区域A侧移动或向区域B侧移动。在动作点向区域A移动期间，燃料电池 10的必要输出电压VfCkeq高于逆变器14的必要输入电压Vinv·。另一方面，在动作点向区域B移动期间，逆变器14的必要输入电压VinvKEQ高于燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ。 图5是利用时间轴来绘制此种必要输出电压VfcKEQ及逆变器14的必要输入电压Vinv·的变化的图。图6表示在本实施方式1的燃料电池系统100中，如图5的例子那样燃料电池10 的必要输出电压VfCkeq和逆变器14的必要输入电压Vinv·发生变化时的向逆变器14供给的输入端子电压Vinv的变化。在本燃料电池系统100中，通过上述比较单元206及转换器动作控制单元207的作用，将燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ及逆变器14的必要输入电压VirwKEQ中的大的一方的电压作为逆变器14的输入端子电压Vinv而输出。由此，如图6所示，在逆变器14的必要输入电压VinvKEQ大于燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ时，判断为动作点处于图4的区域B。由此，将第二转换器12输出的必要输入电压VinvKEQ向逆变器14输入。另一方面，在燃料电池10的必要输出电压VfCkeq大于逆变器14的必要输入电压Vinv·时，判断为动作点处于图4的区域A。由此，第一转换器11的动作停止而成为直接连接状态，其结果是，燃料电池10的输出端子电压Vfc(即燃料电池必要输出电压VfcKEQ)经由第一转换器11直接向逆变器14供给。需要说明的是，动作点存在于区域A时，第二转换器12也可以使蓄电池13的输出端子电压Vbat升压至燃料电池必要输出电压VfcKEQ，但也可以为切断状态。在形成为切断状态时，通过在第二转换器12中将开关元件全部形成为断开状态等的控制，而将第二转换器 12的一次侧和二次侧形成为电绝缘。通过形成为切断状态，而能够抑制因第二转换器12的动作所产生的电力消耗。(动作)接下来，参照图6的流程图说明利用上述功能块所实现的本实施方式1的燃料电池系统100的电力控制处理。以下的控制处理成为定期地或不定期地反复执行的处理。例如，在本实施方式中，以每规定的控制周期，调出(调用)执行图6所示那样的控制处理的软件程序。在步骤SlO中，控制装置20判定是否为每控制周期访问的控制时间。判定的结果是控制时间已到来时(是)，向步骤Sll移动，图2所示的电动机要求转矩运算单元201从油门开度传感器21读入油门开度信号Sa。。，从转速传感器23读入转速信号SN。并且基于油门开度信号SA。。所示的油门开度Acc和转速信号Sn所示的电动机转速N，来运算输出要求转矩，进而运算电动机要求转矩TKEQ。即，参照表示规定的N-T特性的数据表或关系式，而特定与油门开度Acc对应的转速N-电动机要求转矩特性TKEQ，并根据该N-T特性来运算与电动机转速N对应的电动机要求转矩TKEQ。接下来向步骤S12移动，图2所示的电动机要求功率运算单元202基于电动机要求转矩Tkeq来运算电动机要求功率Pm。具体而言，运算电动机要求转矩Tkeq乘以转速N所得到的值作为电动机要求功率PM( = NXTEEQ)。接下来，向步骤S13移动，图2所示的发电要求功率运算单元203将如下值作为发电要求功率Pkeq而算出，该值是将运算出的电动机要求功率Pm和在高压辅机19中所需的高压辅机功率Paux相加所得到的值。接下来向步骤S14移动，图2所示的燃料电池必要输出电压运算单元204参照图 3所示那样的燃料电池I-V特性f0。并且，特定求出的燃料电池要求功率Pkeq与燃料电池 I-V特性f0的交点，并运算燃料电池10的要求输出电压VfcKEQ。接下来向步骤S15移动，图2所示的逆变器必要输入电压运算单元205基于求出的电动机要求功率PM，参照图4所示的电动机输出特性f2，算出逆变器14的要求输入电压
Vinv圓。接下来在步骤S16中，图2所示的比较单元206对求出的燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ与逆变器14的必要输入电压VinvKEQ进行比较。其结果是，在判定为燃料电池 10的必要输出电压VfCkeq为逆变器14的必要输入电压VinvKEQ以上时(是)，向步骤S17移动。然后，图2所示的转换器动作控制单元207将使第一转换器11的动作停止的命令CVf。 向第一转换器11输出。接受到使动作停止的命令CVf。的第一转换器11使电压转换动作停止而将所述第一转换器11的一次侧和二次侧直接电连接。通过该动作，供给燃料电池10 的输出端子电压Vfc作为逆变器14的输入端子电压Vinv。另一方面，在步骤S16中，在判定为燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ低于逆变器14的必要输入电压VinvKEQ时(否)，向步骤S18移动。转换器动作控制单元207将使第一转换器11的动作继续的命令CVf。向第一转换器11输出。接受到该命令，第一转换器11 继续进行使燃料电池10的输出端子电压Vfc升压至由第二转换器12向逆变器14供给的输入端子电压Vinv的动作。需要说明的是，在步骤SlO中，判断为不是控制时间时(否)，不执行该控制处理而结束。图8表示通过上述电力处理而发生变化的向第一转换器11的驱动控制命令Cvfc 的例子。如图8所示，在燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ为逆变器14的必要输入电压 VinvEEQ以上时，向第一转换器11输出驱动的指令。另一方面，在判定为燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ低于逆变器14的必要输入电压VinvKEQ时，向第一转换器11输出驱动停止的指令。通过以上的处理，该电力处理关联中，向逆变器14输出燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ及逆变器14的必要输入电压VinvKEQ中的大的一方的电压。(本实施方式1中的优点)根据本实施方式1，具有以下的优点。(1)选择燃料电池10的必要输出电压VfCkeq及逆变器14的必要输入电压VinvKEQ 中的大的一方，因此避免燃料电池10的输出端子电压Vfc高于逆变器14的输入端子电压 Vinv的情况。由此，避免无用的第一转换器11的动作，能够抑制转换器动作的电力消耗。(2)在判定为燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ为逆变器14的必要输入电压 VinvEEQ以上时，使第一转换器11的动作停止，因此能够抑制无用的电力转换动作。(3)第一转换器11在被指令动作停止时维持成将一次侧和二次侧直接电连接的状态，因此通过使动作停止的命令Cvf。，能够容易地将燃料电池10的输出端子电压Vfc向逆变器14的输入端子电压Vinv供给。(4)对于第二转换器12，在使第一转换器11为动作停止状态期间形成为切断状态时，还能够抑制第二转换器12的消耗电力。(实施方式2)本实施方式2涉及通过对上述实施方式1的电力控制施加磁滞控制，而能够进行稳定且没有响应延迟的电力控制的燃料电池系统100的电力控制方法。在本实施方式2中，关于燃料电池系统100的结构，由于与基于图1 图6说明的上述实施方式1同样，因此使用相同的标号省略其说明。关于图2所示的功能框图的各结构，也与上述实施方式1相同。但是，在比较单元 206及转换器动作控制单元207中，向第一转换器11发送用于指示动作停止及动作开始的驱动控制命令CVf。的时间不同。图9表示说明本实施方式2的第一转换器11切换的时间的波形图。图9是将图 5所示那样的燃料电池必要输出电压VfcKEQ和逆变器必要输入电压VinvKEQ的时间变化的一部分放大的图。在上述实施方式1中，当判定为燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ为逆变器14 的必要输入电压VinvKEQ以上时，使第一转换器11的动作停止。另外，当判定为燃料电池10 的必要输出电压VfcKEQ低于逆变器14的必要输入电压VinvKEQ时，使第一转换器11的动作开始。相对于此，在本实施方式2中，即使燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ为逆变器 14的必要输入电压VinvKEQ以上，在该时刻也不使第一转换器11的动作停止。在必要输出电压Vf cKEQ与必要输入电压VinvKEQ之差进而成为作为容限的第一延缓电压AVl以上的差时才开始使第一转换器11的动作停止。即，在满足式(4)的关系时，使第一转换器11的动
作停止。必要输出电压VfcKEQ彡必要输入电压VinvKEQ+AVl…(4)另外，在本实施方式2中，为了使第一转换器11的动作开始，而不等到燃料电池10 的必要输出电压VfCkeq低于逆变器14的必要输入电压VinvKEQ为止。必要输出电压VfCkeq 接近必要输入电压VinvKEQ而两者之差进入到作为容限的第二延缓电压AV2以内时，提前进行指示第一转换器11的动作的再次开始。即，满足式(5)的关系时，使第一转换器11的动作开始。必要输出电压VfcKEQ彡必要输入电压VinvKEQ_AV2··· (5)接下来，参照图6的流程图，说明本实施方式2的燃料电池系统100的电力控制处理。步骤SlO 步骤S15与上述实施方式1同样，因此省略其说明。在步骤S21中，比较单元206对求出的燃料电池10的必要输出电压VfCkeq是否为逆变器14的必要输入电压VinvKEQ与第一延缓电压AVl的总计电压以上进行比较。其结果是，当判定为必要输出电压VfcKEQ在必要输入电压Vinv·+第一延缓电压Δ Vl以上时 (是)，向步骤S22移动。在步骤S22中，转换器动作控制单元207将使第一转换器11的动作停止的命令CVf。向第一转换器11输出。接受到使动作停止的命令CVf。的第一转换器11 使电压转换动作停止而将该第一转换器11的一次侧和二次侧直接电连接。通过该动作，将燃料电池10的输出端子电压Vfc作为逆变器14的输入端子电压Vinv供给。当判定为必要输出电压Vf Ckeq不在必要输入电压VinvKEQ+第一延缓电压Δ Vl以上时(否)，向步骤S23 移动。接下来，在步骤S23中，比较单元206对求出的燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ 是否从逆变器14的必要输入电压VinvKEQ进入到第二延缓电压AV2以内的范围进行比较。 其结果是，当判定为必要输出电压VfcKEQ为必要输入电压VinvKEQ-第二延缓电压AV2以下时(是)，向步骤SM移动。在步骤S24中，转换器动作控制单元207将使第一转换器11的动作停止的命令CVf。向第一转换器11输出。将使第一转换器11的动作继续的命令CVf。向第一转换器11输出。接受到该命令，第一转换器11继续进行使燃料电池10的输出端子电压Vfc升压至由第二转换器12向逆变器14供给的输入端子电压Vinv的动作。当判定为必要输出电压Vf Ckeq未进入必要输入电压VinvKEQ-第二延缓电压AV2以内的范围时(否)， 结束该电力控制处理。通过以上的处理，该电力处理关联中，燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ比逆变器14的必要输入电压VinvKEQ超出第一延缓电压Δ Vl后，使逆变器14停止。由此，如图9 所示，在从必要输出电压VfcKEQ与必要输入电压VinvKEQ相等的时刻tlO延迟了时间Atl的时刻tll，才开始停止第一转换器11的动作。另外，一旦，第一转换器11的动作停止后，在燃料电池10的必要输出电压Vf cKEQ从逆变器14的必要输入电压VinvKEQ进入到第二延缓电压ΔΥ2以内的范围时，再次开始逆变器14的动作。由此，如图9所示，在从必要输出电压 VfcKEQ与必要输入电压VinvKEQ相等的时刻t21提前了时间八t2的时刻t20，再次开始第一转换器11的动作。以上，根据本实施方式2，在燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ成为逆变器14的必要输入电压VinvKEQ以上后，等待到经过少许时间Atl为止。由此，在逆变器14的输入端子电压Vinv高于燃料电池10的输出端子电压Vfc后，能够可靠地使第一转换器11停止。 由此，能够可靠地抑制无用的电力消耗。另外，根据本实施方式2，在比燃料电池10的必要输出电压VfcKEQ低于逆变器14 的必要输入电压VinvKEQ提前少许时间Δ t2，使第一逆变器11的动作开始。由此，能够响应不延迟地使燃料电池10的电力转换开始，从而能够抑制向电动机15供给的电力不足的情况。(变形例)本发明并未限定为上述实施方式，而在不违反本发明的宗旨的范围内，能够适当变形来适用。例如，在上述实施方式中，在具备第一转换器11、第二转换器12及逆变器14的燃料电池系统100中适用了本发明，但并未限定为此种结构。对于具备一个或三个以上DC-DC 转换器的燃料电池系统，也能够适用本发明。另外，对于电动机15能够直流驱动、且不需要逆变器14的燃料电池系统也能够适用本发明。在此种燃料电池系统中，只要取代逆变器14的输入端子电压Vinv，而将电动机 15的驱动电压Vd作为第二逆变器12的控制对象电压即可。另外，负载装置未必是电动机。只要是该输入电压-消耗电力特性如图4所示那样与燃料电池P-V特性交叉的负载装置，就能够适用本发明。另外，在上述实施方式中，作为输出要求而输入了油门(加速踏板)开度Acc，但并未限定于此。例如，在载置型的燃料电池系统中，有与油门相当的操作单元不存在的情况。 在此种系统中，只要是利用与油门以外的输出要求相关的信息的构成即可。工业实用性本发明的燃料电池系统及其控制方法并不局限于车辆，也可以搭载于其他的移动体来适用。作为此种移动体，能够适用于火车、船舶、航空器、潜水艇等。另外，并未局限于车辆那样的移动体，也能够适用于定置型电源系统、便携型电源系统。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…逆变器、15··· 电动机、16···差速器、17···轮胎、18···辅机逆变器、19···高压辅机、20···控制装置、21···油门开度传感器、22···传感器组、23···转速传感器、100…燃料电池系统、201…电动机要求转矩运算单元、202…电动机要求功率运算单元、203…发电要求功率运算单元、204…燃料电池必要输出电压运算单元、205…逆变器必要输入电压运算单元、206…比较单元、207…转换器动作控制单元、Acc···油门开度、N···电动机转速、Paux…高压辅机功率、Pkeq…发电要求功率、Pm…电动机要求功率、Sa。。…油门开度信号、、…转速信号、Svd…驱动电压信号、Tkeq…电动机要求转矩、Vbat…蓄电池输出端子电压、Vd···驱动电压(逆变器14的输出电压)、Vd2··· 驱动电压(逆变器18的输出电压)、Vfc···燃料电池10的输出端子电压、Vinv···逆变器14的输入端子电压、VfcKHJ…燃料电池必要输出电压、VirwKEQ…逆变器必要输入电压、CVfc… 第一转换器11用的驱动控制命令、CVirw···第二转换器12用的驱动控制命令、Δν …第一延缓电压、AV2…第二延缓电压
权利要求
1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备 与负载装置连接的逆变器；连接在燃料电池与所述逆变器之间且设定所述燃料电池的输出电压的第一转换器； 连接在蓄电装置与所述逆变器之间且设定所述逆变器的输入电压的第二转换器；及对所述第一转换器及所述第二转换器进行控制的控制装置，所述控制装置将所述燃料电池的必要输出电压及所述逆变器的必要输入电压中大的一方的电压作为所述逆变器的输入电压而输出。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制装置对所述燃料电池的必要输出电压与所述逆变器的必要输入电压进行比较，当判定为所述燃料电池的必要输出电压为所述逆变器的必要输入电压以上时，使所述第一转换器的动作停止。
3.一种燃料电池系统，具备与负载装置连接的逆变器；连接在燃料电池与所述逆变器之间且设定所述燃料电池的输出电压的第一转换器；及连接在蓄电装置与所述逆变器之间且设定所述逆变器的输入电压的第二转换器，所述燃料电池系统的特征在于，具备运算所述燃料电池的必要输出电压的燃料电池必要输出电压运算单元；运算所述逆变器的必要输入电压的逆变器必要输入电压运算单元；对所述燃料电池的必要输出电压与所述逆变器的必要输入电压进行比较的比较单元；及当判定为所述燃料电池的必要输出电压为所述逆变器的必要输入电压以上时，使所述第一转换器的动作停止的转换器动作控制单元。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中，所述第一转换器在所述第一转换器的动作停止期间，维持为将所述燃料电池和所述逆变器电导通的状态。
5.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中，当判定为所述燃料电池的必要输出电压为在所述逆变器的必要输入电压上加上第一延缓电压所得到的电压以上时，使所述第一转换器的动作停止。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，当判定为所述燃料电池的必要输出电压低于在所述逆变器的必要输入电压上加上第二延缓电压所得到的电压时，使所述第一转换器的动作开始。
7.一种电力控制方法，其用于燃料电池系统，该燃料电池系统具备与负载装置连接的逆变器；连接在燃料电池与所述逆变器之间且设定所述燃料电池的输出电压的第一转换器；及连接在蓄电装置与所述逆变器之间且设定所述逆变器的输入电压的第二转换器，所述电力控制方法的特征在于，具备运算所述燃料电池的必要输出电压的步骤； 运算所述逆变器的必要输入电压的步骤；对所述燃料电池的必要输出电压与所述逆变器的必要输入电压进行比较的步骤；及当判定为所述燃料电池的必要输出电压为所述逆变器的必要输入电压以上时，使所述第一转换器的动作停止的步骤。
全文摘要
提供一种通过禁止不必要的DC-DC转换器的动作而能够减少消耗电力的燃料电池系统及其电力控制方法。一种燃料电池系统，其具备与负载装置连接的逆变器；连接在燃料电池与逆变器之间且设定燃料电池的输出电压的第一转换器；及连接在蓄电装置与逆变器之间且设定逆变器的输入电压的第二转换器，所述燃料电池系统具备运算燃料电池的必要输出电压的燃料电池必要输出电压运算单元(204)；运算逆变器的必要输入电压的逆变器必要输入电压运算单元(205)；对燃料电池的必要输出电压与逆变器的必要输入电压进行比较的比较单元(206)；及当判定为燃料电池的必要输出电压为逆变器的必要输入电压以上时使第一转换器的动作停止的转换器动作控制单元(207)。
文档编号H01M8/04GK102458905SQ20098015974
公开日2012年5月16日 申请日期2009年6月8日 优先权日2009年6月8日
发明者森裕晃, 马屋原健司 申请人:丰田自动车株式会社