专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及具备燃料电池和与该燃料电池连接的负载的燃料电池系统。
背景技术：
作为具备燃料电池和与该燃料电池连接的负载的燃料电池系统，已知有利用第一 DC/DC转换器使燃料电池的输出电压升高而向负载输出，并且在负载需要的电力仅依靠燃料电池的输出的话不足时将该不足量从蓄电装置经由第二 DC/DC转换器向所述负载输出， 在燃料电池的输出电力超过负载的电力时经由所述第一 DC/DC转换器及第二 DC/DC转换器从燃料电池向蓄电装置供给电力而对蓄电装置充电的系统(例如，参照专利文献1)。下述专利文献1所记载的燃料电池系统中的控制装置算出作为负载的电动机的目标电力，根据该目标电力来算出电动机的目标电压，算出燃料电池的目标输出电流，将该目标输出电流作为第一 DC/DC转换器的目标电流而进行反馈控制，并将电动机的目标电压作为第二 DC/DC转换器的目标电压进行反馈控制。专利文献1 日本特开2007-318938号公报上述专利文献1所记载的技术根据目标电力算出目标电压及目标电流而进行反馈控制，因此假定在作为升压转换器的第一 DC/DC转换器与第二 DC/DC转换器或逆变器之间流动有大电流。在此种燃料电池系统中，存在包含第二 DC/DC转换器及逆变器而构成作为PCU(PoWerControl Unit)，并通过电缆将第一 DC/DC转换器与PCU之间连接的情况。这种情况下，可能流动有超过电力线(电缆)的容许电流的大电流。
发明内容
本发明鉴于此种课题而作出，其目的在于提供一种以免超过从燃料电池到逆变器之间的电力线的容许电流的电流流动的燃料电池系统。为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统具备燃料电池和与所述燃料电池连接的负载，其特征在于，具备连接在所述燃料电池与所述负载之间，对所述燃料电池的输出电压进行升压而向所述负载输出的转换器；将从所述转换器输出的直流电力转换成交流电力而向所述负载输出的逆变器；对所述燃料电池、所述转换器及所述逆变器进行控制的控制部，并且具备对在所述转换器与所述逆变器之间流动的电流进行检测的电流传感器，所述控制部以如下的方式进行控制在所述电流传感器检测到的电流超过规定的电流阈值时，使所述逆变器的目标输出电压上升。根据本发明，由于具备对在转换器与逆变器之间流动的电流进行检测的电流传感器，因此能够检测对燃料电池的输出电压进行升压的从转换器到逆变器之间的电流，能够检测流过从燃料电池到逆变器之间的电力线的电流。控制部在电流传感器检测到的电流超过规定的电流阈值时，以使逆变器的目标输出电压上升的方式进行控制，因此即使在从燃料电池到逆变器之间的电力线流过过大的电流的情况下，通过使逆变器的目标输出电压上升，也能够控制该电流。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统具备燃料电池和与所述燃料电池连接的负载，其特征在于，具备连接在所述燃料电池与所述负载之间，对所述燃料电池的输出电压进行升压而向所述负载输出的转换器；将从所述转换器输出的直流电力转换成交流电力而向所述负载输出的逆变器；对所述燃料电池、所述转换器及所述逆变器进行控制的控制部，并且具备对所述转换器与所述逆变器之间的电力线的温度进行检测的温度传感器， 所述控制部以如下的方式进行控制在所述温度传感器检测到的温度超过规定的温度阈值时，使所述逆变器的目标输出电压上升。根据本发明，由于具备对转换器与逆变器之间的电力线的温度进行检测的温度传感器，因此能够检测对燃料电池的输出电压进行升压的从转换器到逆变器之间的温度，能够检测从燃料电池到逆变器之间的电力线的实际温度。控制部在温度传感器检测到的温度超过规定的温度阈值时，以使逆变器的目标输出电压上升的方式进行控制，因此例如在环境温度低而电力线的容许电流高的情况下，也能够维持逆变器的目标输出电压的运转。另一方面，在从燃料电池到逆变器之间的电力线流过过大的电流而电力线的温度上升的情况下，能够通过使逆变器的目标输出电压上升来抑制该电流，因此能够对应于电力线的状态而进行效率优先的运转。发明效果根据本发明，能够提供一种防止超过从燃料电池到逆变器之间的电力线的容许电流的电流流过的燃料电池系统。
图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的结构的图。图2是关于图1所示的燃料电池系统的目标电压控制的流程图。图3是关于考虑了 FC升压转换器的损失的目标电压控制的流程图。图4是关于考虑了牵引电动机的驱动的目标电压控制的流程图。图5是关于考虑了温度的目标电压控制的流程图。图6是用于说明图2所示的目标电压控制中的目标电压的图。图7是用于说明图4所示的目标电压控制中的目标电压的图。符号说明FCS:燃料电池系统FC:燃料电池ASS 氧化气体供给系统ASl 过滤器AS2 空气压缩器AS3 氧化气体流路AS4 氧化废气流路AS5 加湿器A3 背压调整阀CS 冷却系统CSl 散热器
CS2 冷却液泵CS3 冷却液去路CS4 冷却液回路FSS 燃料气体供给系统FSl 燃料气体供给源FS2 喷射器FS3 燃料气体流路FS4 循环流路FS5 循环泵FS6:排气排水流路Hl 截止阀H2 调节器H3 截止阀H4 截止阀H5 排气排水阀ES:电力系统ESl DC/DC 转换器ES2:蓄电池ES3:牵引逆变器ES4:牵引电动机ES5 辅机类ES6 =FC升压转换器EC 控制器Si:电压传感器S2 电流传感器S3: SOC 传感器S4、S6:压力传感器S5 水温传感器ACC:油门开度信号IG:起动信号VC 车速信号
具体实施例方式以下，参照附图，说明本发明的实施方式。为了容易理解说明，而在各附图中对同一结构要素尽可能标注相同的符号，省略重复的说明。首先，参照图1，说明本发明的实施方式的搭载于燃料电池车辆的燃料电池系统 FCS。图1是表示作为燃料电池车辆的车载电源系统发挥功能的燃料电池系统FCS的系统结构的图。燃料电池系统FCS可以搭载于燃料电池机动车(FCHV)、电力机动车、混合动力机
动车等车辆。
燃料电池系统FCS具备燃料电池FC、氧化气体供给系统ASS、燃料气体供给系统 FSS、电力系统ES、冷却系统CS、控制器EC。燃料电池FC接受反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而进行发电。氧化气体供给系统ASS是用于将作为氧化气体的空气向燃料电池 FC供给的系统。燃料气体供给系统FSS是用于将作为燃料气体的氢气向燃料电池FC供给的系统。电力系统ES是用于控制电力的充放电的系统。冷却系统CS是用于对燃料电池FC 进行冷却的系统。控制器EC(控制部)是对燃料电池系统FCS整体进行总括控制的控制器。燃料电池FC构成作为将多个单电池(具备阳极、阴极及电解质的单一的电池(发电体))串联层叠而成的固体高分子电解质型的电池堆。在燃料电池FC中，在通常的运转中，在阳极处发生(1)式的氧化反应，在阴极处发生(2)式的还原反应。作为燃料电池FC 整体而产生(3)式的起电反应。H2 — 2H++2e"(1)(l/2)02+2H++2e" ^ H2O(2)H2+(1/2) O2 — H2O(3)氧化气体供给系统ASS具有氧化气体流路AS3和氧化废气流路AS4。氧化气体流路AS3是向燃料电池FC的阴极供给的氧化气体所流动的流路。氧化废气流路AS4是从燃料电池FC排出的氧化废气所流动的流路。在氧化气体流路AS3设有空气压缩器AS2和加湿器AS5。空气压缩器AS2是用于经由过滤器ASl从大气中取入氧化气体的压缩器。加湿器AS5是用于对由空气压缩器AS2 加压的氧化气体进行加湿的加湿器。在氧化废气流路AS4设有压力传感器S6、背压调整阀A3、加湿器AS5。背压调整阀 A3是用于调整氧化气体供给压力的阀。加湿器AS5被设置作为用于在氧化气体(干气)与氧化废气(湿气)之间进行水分交换的设备。燃料气体供给系统FSS具有燃料气体供给源FS1、燃料气体流路FS3、循环流路 FS4、循环泵FS5、排气排水流路FS6。燃料气体流路FS3是从燃料气体供给源FSl向燃料电池FC的阳极供给的燃料气体所流动的流路。循环流路FS4是用于使从燃料电池FC排出的燃料废气向燃料气体流路FS3返回的流路。循环泵FS5是将循环流路FS4内的燃料废气向燃料气体流路FS3压力输送的泵。排气排水流路FS6是与循环流路FS4分支连接的流路。燃料气体供给源FSl例如由高压氢罐或氢吸留合金等构成，并存储高压(例如， 35MPa 70MPa)的氢气。若打开截止阀Hl，则从燃料气体供给源FSl向燃料气体流路FS3 流出燃料气体。燃料气体通过调节器H2或喷射器FS2，例如减压至200kPa左右，而向燃料电池FC供给。在燃料气体流路FS3设有截止阀HI、调节器H2、喷射器FS2、截止阀H3、压力传感器S4。截止阀Hl是用于截止或容许来自燃料气体供给源FSl的燃料气体的供给的阀。调节器H2调整燃料气体的压力。喷射器FS2控制向燃料电池FC的燃料气体供给量。截止阀 H3是用于截止向燃料电池FC的燃料气体供给的阀。调节器H2是将其上游侧压力(一次压)调压成预先设定的二次压的装置，例如， 由对一次压进行减压的机械式的减压阀等构成。机械式的减压阀具有将背压室和调压室隔开隔膜形成的壳体，通过背压室内的背压在调压室内将一次压减压成规定的压力而形成二次压。通过在喷射器FS2的上游侧配置调节器H2，而能够有效地减少喷射器FS2的上游侧压力。喷射器FS2是利用电磁驱动力直接以规定的驱动周期对阀芯进行驱动而使该阀芯从阀座隔离，由此能够调整气体流量或气压的电磁驱动式的开闭阀。喷射器FS2具备具有喷射燃料气体等气体燃料的喷射孔的阀座；将该气体燃料供给引导至喷射孔的喷嘴体； 被收纳保持成能够相对于该喷嘴体沿着轴线方向(气体流动方向)移动且对喷射孔进行开闭的阀芯。喷射器FS2的阀芯由作为电磁驱动装置的螺线管驱动，通过从控制器EC输出的控制信号而能够控制喷射器FS2的气体喷射时间及气体喷射时期。喷射器FS2为了向其下游供给要求的气体流量，而变更在喷射器FS2的气体流路设置的阀芯的开口面积(开度)及开放时间的至少一方，由此来调整向下游侧供给的气体流量(或氢摩尔浓度)。在循环流路FS4设有截止阀H4，并连接有排气排水流路FS6。在排气排水流路FS6 设有排气排水阀H5。排气排水阀H5是用于根据来自控制器EC的指令而工作，由此将循环流路FS4内的包含杂质在内的燃料废气和水分向外部排出的阀。通过排气排水阀H5的开阀，而循环流路FS4内的燃料废气中的杂质的浓度下降，并能够提高在循环系统内循环的燃料废气中的氢浓度。经由排气排水阀H5排出的燃料废气与在氧化废气流路AS4中流动的氧化废气混合，由稀释器(未图示)稀释。循环泵FS5通过电动机驱动而将循环系统内的燃料废气向燃料电池FC循环供给。 电力系统ES具备DC/DC转换器ES1、蓄电池ES2、牵引逆变器ES3、牵引电动机ES4、 辅机类ES5、FC升压转换器ES6。燃料电池系统FCS构成作为将DC/DC转换器ESl和牵引逆变器ES3并联地与燃料电池FC连接的并联混合动力系统。DC/DC转换器ESl和牵引逆变器ES3构成PCU (Power Control Unit 动力控制单元)。FC升压转换器ES6是具有提高燃料电池FC的输出电压而朝向牵引逆变器ES3及牵引电动机ES4输出的功能的DC/DC转换器。DC/DC转换器ESl具有提高从蓄电池ES2 供给的直流电压而向牵引逆变器ES3输出的功能；降低燃料电池FC发出的直流电力或通过再生制动而牵引电动机ES4回收的再生电力，向蓄电池ES2充电的功能。通过DC/DC转换器ESl的这些功能，来控制蓄电池ES2的充放电。而且，通过DC/DC转换器ESl进行的电压转换控制，来控制燃料电池FC的运转点(输出端子电压、输出电流)。在燃料电池FC安装有电压传感器Sl和电流传感器S2。电压传感器Sl是用于检测FC升压转换器ES6对燃料电池FC的输出端子电压进行升压后的电压的传感器。电流传感器S2是用于检测燃料电池 FC的输出电流的传感器。而且，在升压转换器ES6与牵引逆变器ES3之间安装有用于检测电力线的温度的温度传感器S7。蓄电池ES2作为剩余电力的储藏源、再生制动时的再生能量储藏源、与燃料电池车辆的加速或减速相伴的负载变动时的能量缓冲器发挥功能。作为蓄电池ES2，例如， 优选镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。在蓄电池ES2安装有用于检测 SOC (State of charge 充电状态)的 SOC 传感器 S3。牵引逆变器ES3例如是利用脉冲宽度调制方式驱动的PWM逆变器。牵引逆变器 ES3按照来自控制器EC的控制指令，将从燃料电池FC或蓄电池ES2输出的直流电压转换成三相交流电压，而控制牵引电动机ES4的旋转转矩。牵引电动机ES4例如是三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动力源。辅机类ES5是在燃料电池系统FCS内的各部分配置的各电动机(例如，泵类等动力源)、用于对这些电动机进行驱动的逆变器类、以及各种车载辅机类(例如，空气压缩器、 喷射器、冷却水循环泵、散热器等)的总称。冷却系统CS具有散热器CSl、冷却液泵CS2、冷却液去路CS3、冷却液回路CS4。散热器CSl是对用于冷却燃料电池FC的冷却液进行散热并冷却的部件。冷却液泵CS2是用于使冷却液在燃料电池FC与散热器CSl之间循环的泵。冷却液去路CS3是将散热器CSl 和燃料电池FC连结的流路，设有冷却液泵CS2。通过对冷却液泵CS2进行驱动，而冷却液从散热器CSl通过冷却液去路CS3向燃料电池FC流动。冷却液回路CS4是将燃料电池FC和散热器CSl连结的流路，并设有水温传感器S5。通过对冷却液泵CS2进行驱动，而对燃料电池FC进行了冷却的冷却液向散热器CSl回流。控制器EC (控制部)是具备CPU、ROM、RAM及输入输出接口的计算机系统，对燃料电池系统FCS的各部进行控制。例如，控制器EC接收到从点火装置开关输出的起动信号IG 时，开始燃料电池系统FCS的运转。然后，控制器EC基于从油门传感器输出的油门开度信号ACC、从车速传感器输出的车速信号VC等，求出燃料电池系统FCS整体的要求电力。燃料电池系统FCS整体的要求电力是车辆行驶电力与辅机电力的总值。在此，辅机电力包括车载辅机类(加湿器、空气压缩器、氢泵及冷却水循环泵等) 所消耗的电力、车辆行驶所需的装置(变速器、车轮控制装置、转向装置及悬架装置等)所消耗的电力、配设在乘员空间内的装置(空调装置、照明器具及音频设备等)所消耗的电力寸。并且，控制器EC决定燃料电池FC和蓄电池ES2的各自的输出电力的分配。控制器EC以燃料电池FC的发电量与目标电力一致的方式控制氧化气体供给系统ASS及燃料气体供给系统FSS。而且，控制器EC向DC/DC转换器ESl输出指示信号，执行由DC/DC转换器 ESl进行的转换器控制，并控制燃料电池FC的运转点(输出端子电压、输出电流)。而且， 控制器EC为了得到与油门开度对应的目标转矩，例如，将U相、V相及W相的各交流电压指令值作为开关指令向牵引逆变器ES3输出，并控制牵引电动机ES4的输出转矩及转速。而且，控制器EC控制冷却系统CS而将燃料电池FC控制成适当的温度。接着，参照图2，说明牵引逆变器ES3的目标电压控制。在步骤SO1中，利用电流传感器S2来检测FC升压转换器ES6的出口电流。在接着步骤SOl的步骤S02中，判断在步骤SOl中检测出的出口电流是否超过容许电流。在本实施方式中，FC升压转换器ES6与PCU之间通过电力线(电缆)连结，因此容许电流由该电力线决定。若出口电流超过容许电流，则向步骤S03的处理前进，若出口电流未超过容许电流，则向步骤S04的处理前进。在步骤S03中，提升牵引逆变器ES3的目标电压值。通过提升牵引逆变器ES3的目标电压值，结果是流过FC升压转换器ES6与PCU的间的电力线的电流下降，能够形成为电力线的容许电流以下。如图6所示，在表示FC升压转换器ES6的输出与FC升压转换器的出口电流的关系时，若升高牵引逆变器ES3的目标电压值(例如，图6的VI)，则相对于相同输出的出口电流下降，若降低牵引逆变器ES3的目标电压值(例如，图6的V3)则相对于相同输出的出口电流上升。如此，根据FC升压转换器ES6与PCU之间的电力线的容许电流来决定牵引逆变器ES3的目标电压值。在步骤S04中，将牵引逆变器ES3的目标电压值设定成牵引电动机ES4的驱动电压目标值，执行通常的控制。在牵引逆变器ES3的目标电压控制时，优选考虑FC升压转换器ES6的损失。关于考虑了 FC升压转换器ES6的损失的牵引逆变器ES3的目标电压控制，参照图3进行说明。在步骤Sll中，检测燃料电池FC的输出。在接着步骤Sll的步骤S12中，检测牵引逆变器ES3的输出。在接着步骤S12的步骤S13中，基于牵引逆变器ES3的输出和燃料电池FC的输出，而算出FC升压转换器ES6的损失。在接着步骤S13的步骤S14中，根据燃料电池FC的输出而算出FC升压转换器ES6 的输出。接着，将FC升压转换器ES6的输出除以牵引逆变器ES3的输出电压而算出FC升压转换器ES6的出口电流。在接着步骤S14的步骤S15中，判断在步骤S14中算出的出口电流是否超过容许电流。在本实施方式中，由于FC升压转换器ES6与PCU之间由电力线(电缆)连结，因此容许电流由该电力线决定。若出口电流超过容许电流，则向步骤S16的处理前进，若出口电流未超过容许电流，则向步骤S17的处理前进。在步骤S17中，提升牵引逆变器ES3的目标电压值。通过提升牵引逆变器ES3的目标电压值，结果是流过FC升压转换器ES6与PCU之间的电力线的电流下降，能够形成为电力线的容许电流以下。在步骤S18中，将牵引逆变器ES3的目标电压值设定成牵引电动机ES4的驱动电压目标值，执行通常的控制。需要说明的是，在参照图3说明的目标电压控制中，通过执行考虑了 FC升压转换器ES6的损失的控制而提高了精度，但即使不考虑FC升压转换器ES6的损失进行控制也能够实现电力线的保护。具体而言，优选将燃料电池FC的输出除以牵引逆变器ES3的输出电压所得到的值看作FC升压转换器ES6的出口电流，通过将该出口电流与容许电流进行比较而选择性地执行上述的步骤S17和步骤S18的处理。无论如何，可以进行不使用电流传感器而变更目标电压的控制，从而能够保护电力线。在牵引逆变器ES3的目标电压控制时，也优选考虑牵引电动机ES4的驱动。关于考虑了牵引电动机ES4的驱动的牵引逆变器ES3的目标电压控制，参照图4进行说明。在步骤S21中，检测牵引电动机ES4的转速。在接着步骤S21的步骤S22中，检测牵引电动机ES4的转矩。需要说明的是，步骤S21和步骤S22也可以并行执行。在步骤S23中，基于在步骤S21中检测的牵引电动机ES4的转速和在步骤S22中检测到的牵引电动机ES4的转矩，而算出FC升压转换器ES6的出口输出。在接着步骤S23的步骤S24中，将FC升压转换器ES6的出口输出除以牵引逆变器 ES3的输出电压来求出FC升压转换器ES6的出口电流，并判断是否超过容许电流。在本实施方式中，由于FC升压转换器ES6与PCU之间由电力线(电缆)连结，因此容许电流由该电力线决定。若出口电流超过容许电流，则向步骤S^的处理前进，若出口电流未超过容许电流，则向步骤S25的处理前进。在步骤S25中，牵引逆变器ES3的输出电压大于牵引电动机ES4所要求的驱动电压，系统损失变得最低，以出口电流不超过容许电流的方式设定牵引逆变器ES3的目标电压值。具体而言，基于图7所示的映射进行设定，在图7所示的例子中将目标电压值设定为 V5 或 V4。在步骤幻6中，以牵引逆变器ES3的目标电压值成为最大电压的方式进行设定。在图7所示的映射中，为V4。在牵引逆变器ES3的目标电压控制时，也优选考虑从FC升压转换器ES6到PCU的电力线的温度。关于考虑了从FC升压转换器ES6到PCU的电力线的温度的牵引逆变器ES3 的目标电压控制，参照图5进行说明。在步骤S31中，通过温度传感器S7来检测FC升压转换器ES6与P⑶之间的电力线的温度。在接着步骤S31的步骤S32中，判断在步骤S31中检测到的温度是否超过容许温度。在本实施方式中，由于FC升压转换器ES6与PCU之间由电力线(电缆)连结，因此容许温度由该电力线决定。若检测到的温度超过容许温度，则向步骤S33的处理前进，若出口电流未超过容许电流，则向步骤S34的处理前进。在步骤S33中，提升牵引逆变器ES3的目标电压值。通过提升牵引逆变器ES3的目标电压值，结果是流过FC升压转换器ES6与PCU之间的电力线的电流下降，能够形成为电力线的容许温度以下。在步骤S34中，将牵引逆变器ES3的目标电压值设定成牵引电动机ES4的驱动电压目标值，执行通常的控制。
权利要求
1.一种燃料电池系统，具备燃料电池和与所述燃料电池连接的负载，其特征在于，具备连接在所述燃料电池与所述负载之间，对所述燃料电池的输出电压进行升压而向所述负载输出的转换器；将从所述转换器输出的直流电力转换成交流电力而向所述负载输出的逆变器； 对所述燃料电池、所述转换器及所述逆变器进行控制的控制部， 并且具备对在所述转换器与所述逆变器之间流动的电流进行检测的电流传感器， 所述控制部以如下的方式进行控制在所述电流传感器检测到的电流超过规定的电流阈值时，使所述逆变器的目标输出电压上升。
2.一种燃料电池系统，具备燃料电池和与所述燃料电池连接的负载，其特征在于，具备连接在所述燃料电池与所述负载之间，对所述燃料电池的输出电压进行升压而向所述负载输出的转换器；将从所述转换器输出的直流电力转换成交流电力而向所述负载输出的逆变器； 对所述燃料电池、所述转换器及所述逆变器进行控制的控制部， 并且具备对所述转换器与所述逆变器之间的电力线的温度进行检测的温度传感器， 所述控制部以如下的方式进行控制在所述温度传感器检测到的温度超过规定的温度阈值时，使所述逆变器的目标输出电压上升。
全文摘要
燃料电池系统FCS具备燃料电池FC和与燃料电池FC连接的电动机ES4，并且具备提高燃料电池FC的输出电压而向电动机ES4输出的FC升压转换器ES6、逆变器ES3、电流传感器S2、控制燃料电池FC、FC升压转换器ES6及逆变器ES3的控制器EC，控制器EC以如下的方式进行控制在电流传感器S2检测到的电流超过规定的电流阈值时，使逆变器ES3的目标输出电压上升。
文档编号H01M8/10GK102473941SQ200980160580
公开日2012年5月23日 申请日期2009年7月29日 优先权日2009年7月29日
发明者马屋原健司 申请人:丰田自动车株式会社