专利名称：电源装置的启动方法
技术领域：
本发明涉及电源装置的启动方法。本申请基于2009年12月I日在日本申请的特愿2009-273332号主张优先权，将其内容引用于此。
背景技术：
以往，已知例如包括连接于燃料电池的第一 DC-DC变换器与连接于蓄电装置的第二 DC-DC变换器，从两个第一及第二 DC-DC变换器对车辆驱动用电动机等负载供应电力的电源系统(例如参照专利文献I)。现有技术文献 专利文献专利文献I :日本特开2007-318938号公报
发明内容
发明要解决的问题在上述以往技术所涉及的电源系统中，针对多个电源(即燃料电池以及蓄电装置)的每个包括DC-DC变换器，由此使电源系统的构成所需要的费用变高，并且使电源系统的尺寸增大。因此，希望实现费用的削减和尺寸的小型化。另外，在包括多个电源(即燃料电池以及蓄电装置)的电源系统的起动时，尤其是在起动了 DC-DC变换器时，希望防止意外的过大电流在电路系统中流过。本发明所涉及的方式的目的在于提供能够削减构成所需要的费用，并且使尺寸小型化，以及防止起动时过大电流流过的电源装置的启动方法。用于解决问题的手段在本发明所涉及的一方式的电源装置的启动方法中，所述电源装置包括第一线、第二线、以及第三线，电位以依次降低的趋势不同；电池电路，由燃料电池堆与蓄电装置串联连接而成；以及DC-DC变换器，由串联连接有具备各续流二极管的第一开关元件及第二开关元件的开关电路、以及电抗器构成，其中，所述电池电路的两端连接于所述第一线与所述第三线；所述电池电路的所述燃料电池堆与所述蓄电装置的连接点连接于所述第二线；所述开关电路的所述第一开关元件侧的端部连接于所述第一线，所述开关电路的所述第二开关元件侧的端部连接于所述第三线；所述电抗器的一端连接于所述第一及所述第二开关元件的相互连接点，另一端连接于所述第二线；该电源装置的启动方法包括在所述电源装置启动时，在使所述第二开关元件的接通时间以增大趋势变化的同时，执行在禁止所述第一开关元件的接通的状态下仅将所述第二开关元件交替切换为接通与断开的单侧开关模式的步骤；以及执行交替切换所述第一开关元件的接通与所述第二开关元件的接通的交替开关模式的步骤。在上述方式中，能够追加采用如下启动方法，即在所述单侧开关模式的执行时电流在所述第二开关元件的开关周期内连续流至所述电抗器的情况下，从所述单侧开关模式的执行切换为所述交替开关模式的执行。在上述方式中，能够追加采用如下启动方法，即在所述单侧开关模式的执行时在所述第二开关元件的一个开关周期中流至所述电抗器的三角波状的电流的终端与所述开关周期的末端一致的情况下，从所述单侧开关模式的执行切换为所述交替开关模式的执行。在上述方式中，能够追加采用如下启动方法，即在所述单侧开关模式的执行时流至所述电抗器的电流在所述第二开关元件的开关周期的一半期间中单调增加的情况下，视为电流在所述开关周期内连续流至所述电抗器。发明的效果
根据本发明所涉及的方式中的电源装置的启动方法，在执行交替开关模式之前执行单侧开关模式，由此，第一开关元件断开并且第二开关元件接通，电抗器被直流励磁。据此，即使在交替开关模式下第一开关元件接通并且第二开关元件断开，也能够防止从燃料电池堆或蓄电装置流过过大的电流。另外，能够防止由于过大的电流而对各开关元件等产生损坏。并且，对于串联连接燃料电池堆与蓄电装置而成的电池电路，仅包括单一的DC-DC变换器就能够切换多个动作模式，例如与针对燃料电池堆与蓄电装置的每个单独包括DC-DC变换器的情况相比，能够削减构成所需要的费用，并且能够使尺寸小型化。根据追加的方式所涉及的启动方法，在单侧开关模式的开关周期内电流连续流至电抗器的情况下，能够防止意外的过大的电流在电路系统中流过，能够稳定地进行从单侧开关模式到交替开关模式的切换转移。根据追加的方式所涉及的启动方法，例如在第一开关元件断开并且第二开关元件接通，电抗器被直流励磁的期间中，流至电抗器的电流单调增加，接着，在第一开关元件以及第二开关元件断开，电抗器中积蓄的磁能被消耗的期间中，流至电抗器的电流单调减少，由此使流至电抗器的电流呈三角波状。在此状态下，在三角波状的电流的终端与开关周期的末端一致的情况下，能够防止意外的过大的电流在电路系统中流过，能够稳定地进行从单侧开关模式到交替开关模式的切换转移。根据追加的方式所涉及的启动方法，在将第一开关元件维持为断开的状态下，在开关周期的每半个期间时将第二开关元件切换为接通与断开，由此使流至电抗器的电流变为等腰三角波状的情况下，仅在开关周期的半个期间中进行流至电抗器的电流的检测，就能够基于该检测结果判定电流是否在开关周期内连续流至电抗器。据此，能够迅速地判定是否可以进行从单侧开关模式到交替开关模式的切换转移。
图I是包括电源装置的燃料电池车辆的电源系统的构成图。图2是表示电源装置启动时的单侧开关模式执行时的上臂接通时间、下臂接通时间、电抗器电流IL、开关占空比(DUTY)、以及栅极输出许可标志f_prm的一例的图。图3是表示电源装置启动时的单侧开关模式执行时的各开关周期T内的电抗器电流IL的时间序列数据的一例的图。
图4是表示电源装置启动时的单侧开关模式执行时与交替开关模式执行时的电抗器电流IL的变化的一例的图。图5A是表示燃料电池堆的工作点的一例的图。图5B是表示蓄电池的工作点的一例的图。图6是表示与驱动电动机的驱动时的DC-DC变换器的开关占空比的变化相应的电源装置的工作模式的变化和燃料电池堆及蓄电池的电流及电压的变化的一例的图。图7是表示电源装置的启动方法的流程图。图8是图7所示的波形判定处理的流程图。图9是图7所示的上臂接通许可判定处理的流程图。图10是图7所示的栅极输出处理的流程图。
具体实施例方式以下，参照
本发明所涉及的实施方式中的电源装置。本实施方式中的电源装置10例如如图I所示包括构成第一电源的燃料电池堆(燃料电池，FC) 11、构成第二电源的蓄电池(蓄电装置)12、DC-DC变换器13、充气泵转换器(API) 14、以及连接于由CAN (Control Ier Area Network,控制器局域网络)通信线构成的动力设备CAN15的变换器E⑶(电子控制装置)16及综合E⑶(电子控制装置)17。并且，燃料电池堆11与蓄电池12串联连接以构成电池电路18。电源装置10例如由燃料电池车辆的电源系统20所具备，燃料电池车辆的电源系统20例如包括电源装置10、rou(动力驱动单元)21、车辆驱动用的电动机22、以及充气泵(AP)23。燃料电池堆11通过层叠多组燃料电池单元而构成，其中燃料电池单元用一对隔离体夹持电解质电极结构体而成，该电解质电极结构体通过用由阳极催化剂及气体扩散层构成的燃料极(阳极)和由阴极催化剂及气体扩散层构成的氧极(阴极)夹持由阳离子交换膜等构成的固体高分子电解质膜而成。由一对端板从层叠方向的两侧将燃料电池单元的层叠体夹持于其中。从充气泵23对燃料电池堆11的阴极供应作为包含氧的氧化剂气体(反应气体)的空气，从例如高压的氢罐(省略图示)对阳极供应包含氢的燃料气体(反应气体)。在阳极的阳极催化剂上利用催化剂反应进行了离子化的氢经由适度地进行了加湿的固体高分子电解质膜向阴极移动。伴随着该移动而产生的电子被取出到外部电路，作为直流的电能被利用。此时在阴极，氢离子、电子、以及氧发生反应而生成水。此外，充气泵23例如从车辆外部取得空气并压缩，将该空气作为反应气体供应给燃料电池堆11的阴极。驱动充气泵23的泵驱动用电动机(省略图示)的转速基于从综合ECU17输出的控制指令，例如通过充气泵转换器14进行控制，该充气泵转换器14由基于脉冲宽度调制(PWM)的PWM转换器等构成。此外，在电源装置10中，也可以代替蓄电池12，作为蓄电装置包括例如由双电层电容器或电解电容器等构成的电容器。
DC-DC变换器13例如是斩波型的DC-DC变换器，包括具备各续流二极管31a、31b的第一及第二开关兀件(例如 IGBT :Insulated Gate Bipolar mode Transistor,绝缘栅双极型晶体管)31、32串联连接而成的开关电路33 ;由扼流圈构成的电抗器34 ;以及平滑电容器35。开关电路33由从变换器E⑶16输出并输入到各开关元件31、32的栅极的进行了脉冲宽度调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动。例如，在交替开关模式下，交替切换如下两种状态，即=DC-DC变换器13的构成高侧臂(上臂)的第一开关元件31接通并且构成低侧臂(下臂)的第二开关元件32断开的状态、与构成高侧臂的第一开关元件31断开并且构成低侧臂的第二开关元件32接通的状态。另外，例如在单侧开关模式下，维持为DC-DC变换器13的构成高侧臂(上臂)的 第一开关元件31断开的状态，交替切换为构成低侧臂(下臂)的第二开关元件32接通的状态与断开的状态。三根线L1、L2、L3具有依次降低的不同的电位。例如，LI的电位最高，L3的电位最低，L2的电位位于二者中间。开关电路33的第一开关元件31侧的端部连接于第一线LI，开关电路33的第二开关元件32侧的端部连接于第三线L3。另外，平滑电容器35连接于第一线LI与第三线L3。另外，电抗器34的一端连接于第一及第二开关元件31、32的相互连接点(例如集电极与发射极之间)，另一端连接于第二线L2。在DC-DC变换器13中，例如在电动机22的驱动时等情况下的从一次侧到二次侧的升压动作时，首先，高侧臂的第一开关元件31断开，并且低侧臂的第二开关元件32接通。通过从一次侧输入的电流，电抗器34被直流励磁而积蓄磁能。在高侧臂的第一开关元件31接通并且低侧臂的第二开关元件32断开时，流至电抗器34的电流被断开。其结果是，为了阻碍磁通量的变化，在电抗器34的两端之间产生电动势(感应电压)，由在电抗器34中积蓄的磁能所产生的感应电压与一次侧的输入电压相力口，从而使比一次侧的输入电压高的升压电压施加到二次侧。伴随着该切换动作产生的电压变动被平滑电容器35进行平滑化，升压电压从二次侧输出。另一方面，例如在电动机22的再生时等情况下的从二次侧到一次侧的再生动作时，首先，高侧臂的第一开关元件31断开，并且低侧臂的第二开关元件32接通。通过从二次侧输入的电流，电抗器34被直流励磁而积蓄磁能。在高侧臂的第一开关元件31接通并且低侧臂的第二开关元件32断开时，流至电抗器34的电流被切断。其结果是，为了阻碍磁通量的变化，在电抗器34的两端之间产生电动势(感应电压)。由在该电抗器34中积蓄的磁能所产生的感应电压与高侧臂的第一开关元件31的接通/断开的比率相对应地成为二次侧的输入电压被降压了的降压电压，降压电压施加到一次侧。DC-DC变换器13由从变换器E⑶16输出并输入到各开关元件31、32的栅极的进行了脉冲宽度调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动。对应于例如作为PWM信号的一个周期中的高侧臂的第一开关元件31的接通比率定义的开关占空比(DUTY)，切换高侧臂的第一开关元件31与低侧臂的第二开关元件32的接通/断开。此外，开关占空比(DUTY)例如根据第一开关元件31的接通时间Tlon与第二开关元件32的接通时间T2on，设定为DUTY = Tlon/ (Tlon+T2on)。
此外，禁止高侧臂的第一开关元件 31与低侧臂的第二开关元件32在接通/断开的切换时同时接通。另外，设置第一开关元件31以及第二开关元件32同时断开的适宜的空载时间(dead time)。燃料电池堆11经由配置于正极侧及负极侧并由综合E⑶17切换通断(接通/断开)的各接触器IlaUlb和电容器11c，连接于第二线L2和第三线L3。蓄电池12经由配置于正极侧及负极侧并由综合E⑶17切换通断(接通/断开)的各接触器12a、12b以及配置于正极侧并由综合E⑶17控制动作的电流限制电路12c，连接于第一线LI和第二线L2。据此，在第一线LI与第三线L3之间，燃料电池堆11与蓄电池12在连接点18a处串联连接而形成电池电路18。另外，为了从第一线LI及第三线L3对作为负载的电动机22输出电力，第一线LI与第三线L3连接于TOU21。另外，作为充气泵23的驱动电路的充气泵转换器14连接于第一线LI与第二线L2。构成三相电动机22的驱动电路的PDU21例如包括基于脉冲宽度调制(PWM)的PWM转换器，包括多个开关兀件(例如IGBT :Insulated Gate Bipolar mode Transistor,绝缘栅双极型晶体管)桥接而成的三相桥接电路。桥接电路中，例如在各相的每一相中成对串联连接的多个高侧及低侧开关元件进行桥接。该TOU21例如由从电动机ECU(省略图示)输出并输入到桥接电路的各开关元件的栅极的进行了脉冲宽度调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动。例如在电动机22的驱动时，切换在各相的每一相中成对的各开关元件的接通(导通)/断开(切断)状态。据此，从电源装置10输出的直流电力被变换为三相交流电力。对电动机22的三相定子绕组(省略图示)的通电依次换向，由此交流的U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw在各相的定子绕组中通电。另一方面，例如在电动机22的再生时，将从电动机22输出的三相交流电力变换为直流电力并供应给DC-DC变换器13，进行蓄电池12的充电以及对连接于DC-DC变换器13的负载的供电等。此外，例如从在H)U21与电动机22之间检测三相的各相电流的相电流传感器(省略图示)和检测电动机22的转子的转动角(即，相对于指定的基准转动位置的转子磁极的转动角度，电动机22的转动轴的转动位置)的角度传感器(省略图示)的各传感器输出的检测信号被输入到电动机ECU中。此外，电动机22例如是利用永久磁铁作为磁场的永久磁铁式的三相交流同步电动机。利用从rou2i供应的三相交流电力进行驱动控制，并且在车辆减速时驱动力从驱动轮侧传导至电动机22侧时，电动机22作为发电机发挥作用，产生所谓的再生制动力，将车体的动能作为电能回收。变换器E⑶16与综合E⑶17进行协调，同时控制DC-DC变换器13的动作。此外，例如从检测流至电抗器34的电流(电抗器电流IL)的电流传感器41、检测燃料电池堆11的输出电流IfC的输出电流传感器43等各传感器输出的检测信号被输入到综合ECU17中。
变换器E⑶16首先在电源装置10的启动时，执行在禁止第一开关元件31的接通(上臂接通)的状态下仅将第二开关元件32交替切换为接通与断开的单侧开关模式。在该单侧开关模式下，例如如图2所示，使每个指定的开关周期T中第二开关元件32的接通时间T2on(下臂接通时间)从零开始以增大趋势变化。此外，变换器E⑶16例如通过变更开关占空比(DUTY)使第二开关元件32的接通时间T2on变化，使开关占空比(DUTY)从相当于接通时间T2on(下臂接通时间)为零的100 %开始以减小趋势逐渐变化。在该单侧开关模式下，在第 一开关元件31断开(上臂接通的禁止)并且第二开关元件32接通(下臂接通的执行)从而电抗器34被直流励磁的期间中，电抗器电流IL单调增加。并且，在第一开关元件31及第二开关元件32断开从而积蓄在电抗器34中的磁能被消耗的期间中电抗器电流IL单调减少。据此，电抗器电流IL变为三角波状(例如等腰三角波状(电抗器34被直流励磁的期间与电抗器34的磁能被消耗的期间相等))。在依次反复的每个开关周期T中第二开关元件32的接通时间Τ2οη (下臂接通时间)变长，因此三角波状的电抗器电流IL的最大值(三角波的顶点的电流值)以增大趋势变化。综合ECU17在单侧开关模式执行时，以指定周期从电流传感器41取得由电流传感器41检测出的电抗器电流IL的检测结果，并将该电抗器电流IL的检测结果发送给变换器ECU16。变换器E⑶16对于从综合E⑶17接收的电抗器电流IL，例如如图3所示，执行缓冲器处理以及滤波器处理。变换器ECU16作为缓冲器处理例如在每个指定的开关周期中，将在开关周期T内从综合ECU17依次接收的电抗器电流IL的时间序列数据针对各数据独立地存储到环形缓冲器等存储部。例如在图3所示的缓冲器处理中，利用任意的自然数η、Μ，在第η个开关周期T (η)内，在每个指定周期At的各时刻tnO、…、tnM时，从综合E⑶17依次接收的电抗器电流ILnO,…、ILnM被相互独立地存储到环形缓冲器RB中。并且，变换器ECU16针对存储部中存储的各数据的每个，独立地执行指定的滤波器处理。例如在图3所示的滤波器处理中，针对各电抗器电流ILnO、…、ILnM的每个，独立地执行滤波器处理，通过各滤波器处理得到的各电抗器电流ILnO’、…、ILnM’重新相互独立地存储到环形缓冲器RB中。变换器ECU16基于执行滤波器处理得到的电抗器电流IL的时间序列数据，判定在开关周期T内电抗器电流IL是否连续流过。在该判定结果为“是”的情况下，对连续判定标志f_jdg的标志值设定“I”。此外，在该判定处理中，例如在一个开关周期T中三角波状的电抗器电流IL的终端与开关周期T的末端一致的情况下，换言之，在第二开关元件32的接通/断开的时机与电抗器电流IL的上升/下降的时机以开关周期T同步，第二开关元件32在开关周期T的一半期间(T/2)中接通的期间内电抗器电流IL单调增加的情况下，判定为在开关周期T内电抗器电流IL连续流过。在连续的指定次数的开关周期T中对连续判定标志f_jdg的标志值设定了“I”的情况下，对栅极输出许可标志f_prm的标志值设定“1”，该栅极输出许可标志f_prm表示许可指示第一开关元件31的接通的栅极信号的输出。在栅极输出许可标志f_prm的标志值变为“ I”时，变换器E⑶16许可第一开关元件31的接通(上臂接通)，即许可交替开关模式的执行开始，停止单侧开关模式的执行，开始交替开关模式的执行。另外，综合ECU17基于从电流传感器41输出的电抗器电流IL的检测结果，执行电流的反馈处理，从而使电抗器电流IL收敛为零。据此，例如如图4所示，在单侧开关模式的执行开始的时刻ta以后，伴随着开关占空比(DUTY)的降低(即第二开关元件32的接通时间T2on (下臂接通时间)的增大)，电抗器电流IL以增大趋势变化。并且，在停止单侧开关模式的执行并开始交替开关模式的执行的时刻tb以后，对应于电流的反馈处理，电抗器电流IL的实效值收敛于零。综合E⑶17在交替开关模式的执行时，作为电源装置10的通常时的动作，计算由电源装置10供应电力的负载的总消耗电力。并且，例如在电动机22的驱动时，基于燃料电池堆11的状态(例如与发电指令对应的燃料电池堆11的状态变化的变化率等)和蓄电池 12的剩余容量SOC等，设定形成电源装置10的电池电路18的燃料电池堆11与蓄电池12的电力分配，也就是使负载的总消耗电力为从燃料电池堆11输出的电力与从蓄电池12输出的电力相加得到的值时的分配的目标值(目标电力分配)。例如，电动机22的驱动时的电力分配为与DC-DC变换器13的开关占空比(即PWM信号的一个周期中的高侧臂的开关元件的接通的比率)相对应的值，开关占空比(DUTY)例如如下述数式⑴所示，由燃料电池堆11的端子间电压VFC(Vl)与蓄电池12的端子间电压VB(V2)记述。数式IDUTY(% ) = 100XV1/(V1+V2)— (I)据此，例如如下述数式(2)所示，通过开关占空比(DUTY)，记述燃料电池堆11的端子间电压VFC(Vl)与蓄电池12的端子间电压VB(V2)的比。数式2V2/V1 = (100-DUTY)/DUTY …(2)燃料电池堆11的端子间电压VFC(Vl)与蓄电池12的端子间电压VB (V2)例如如图5A及图5B所示，分别与燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)及电力和蓄电池12的电流(Ib)及电力具有指定的对应关系。据此，通过开关占空比(DUTY)，记述燃料电池堆11的工作点(例如电压、电流、或电力)与蓄电池12的工作点(例如电压、电流、或电力)的比。另外，综合E⑶17例如在电动机22的再生时，基于燃料电池堆11的状态(例如与发电指令对应的燃料电池堆11的状态变化的变化率等)、蓄电池12的剩余容量S0C、以及电动机22的再生电力等，设定燃料电池堆11与H)U21的电力供应侧的电力分配，以及蓄电池12与负载的电力接收侧的电力分配。例如在电动机22的驱动时，利用开关占空比(DUTY)，记述燃料电池堆11的工作点(例如电压、电流、或电力)与蓄电池12的工作点(例如电压、电流、或电力)的比。综合E⑶17参照表示燃料电池堆11的工作点、蓄电池12的工作点、DC-DC变换器13的开关占空比(DUTY)、以及负载的总消耗电力的对应关系的指定图，取得对于燃料电池堆11的输出电流Ifc的目标电流。
另外，综合ECU17例如在电动机22的再生时，对应于各电力分配，作为燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的目标电流输出零或正值。另外，综合E⑶17为了使燃料电池堆11与蓄电池12的实际的电力分配(实际电力分配)与目标电力分配一致，例如进行包含PID(比例积分微分)动作等的反馈处理，从而使例如从输出电流传感器43输出的燃料电池堆11的输出电流Ifc的检测值与输出电流Ifc的目标电流一致。并且，将该反馈处理的运算结果的信号发送给变换器E⑶16。
变换器E⑶16根据从综合E⑶17接收的信号控制DC-DC变换器13的开关占空比，生成对DC-DC变换器13的各开关元件31、32进行接通/断开驱动的栅极信号(即PWM信号)。并且，通过栅极信号由DC-DC变换器13进行同步开关。据此，例如如图6所示，电源装置10的动作模式连续地得到控制。例如，在第一 DC-DC变换器13的升压比为2 3左右的值的状态下，开关占空比最大的电源装置10的动作模式例如如时刻tl 时刻t2的期间所示，是仅蓄电池12的输出被供应到PDU21及充气泵转换器(API) 14的EV模式。从EV模式起，伴随着开关占空比以降低趋势变化，电源装置10的动作模式例如如时刻t2 时刻t5的期间所不,依次推移为第一 第三(FC+蓄电池)模式。在第一(FC+蓄电池)模式中，蓄电池12的输出被供应到PDU21及API14，并且燃料电池堆11的输出被供应到roU21，蓄电池12的电流(Ib)比燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)大。在第二(FC+蓄电池)模式中，蓄电池12的输出被供应到PDU21及API14，并且燃料电池堆11的输出被供应到roU21，蓄电池12的电流(Ib)等于燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)与通电至API14的电流(IAP)之和。在第三(FC+蓄电池)模式中，蓄电池12及燃料电池堆11的输出被供应到TOU21及API14，蓄电池12的电流(Ib)比燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)小。与此相伴，蓄电池12的电流(Ib)以减小趋势变化，燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)以及目标电流(Ifc指令)以增大趋势变化。并且，PDU21的一次侧的输入电压(VPIN)几乎维持为恒定，同时蓄电池12的电压(VB)以增大趋势变化，燃料电池堆11的电压(VFC)以减少趋势变化。另外，从第三(FC+蓄电池)模式起，开关占空比以向最小值降低的趋势变化，与此相伴，电源装置10的动作模式例如如时刻t5以后所示，依次推移为第一、第二 FC模式。在第一 FC模式中，仅燃料电池堆11的输出被供应到PDU21及API14。在第二 FC模式中，仅燃料电池堆11的输出被供应到TOU21、API14、以及蓄电池12，蓄电池12被充电。与此相伴，蓄电池12的电流(Ib)以减少的趋势从零开始向负值变化，燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)以及目标电流(IfC指令)以增大趋势变化。并且，PDU21的一次侧的输入电压(VPIN)几乎维持为恒定，同时蓄电池12的电压(VB)以增大趋势变化，燃料电池堆11的电压(VFC)以减少趋势变化。另外，综合ECU17例如在电动机22的再生时，进行反馈控制以使燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的检测值与目标电流(零或正值)一致，并且通过进行再生电压的反馈控制，控制DC-DC变换器13的开关占空比。
例如，使燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的目标电流为零的电源装置10的动作模式是利用PDU21的再生电力对蓄电池12进行充电的再生模式。另外，例如使燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的目标电流为正值的电源装置10的动作模式是将TOU21的再生电力以及燃料电池堆11的输出供应到API14及蓄电池12，蓄电池12被充电(再生+由FC进行的蓄电池充电)的模式。此外，综合E⑶17例如基于燃料电池车辆的驾驶状态、对燃料电池堆11的阳极供应的反应气体中包含的氢的浓度以及从燃料电池堆11的阳极排出的排出气体中包含的氢的浓度、燃料电池堆11的发电状态、例如各多个燃料电池单元的端子间电压、燃料电池堆11的电压VFC、燃料电池堆11的输出电流Ifc及燃料电池堆11的内部温度等，作为对于燃料电池堆11的发电指令，输出对于供应给燃料电池堆11的反应气体的压力及流量的指令值，控制燃料电池堆11的发电状态。另外，综合E⑶17根据燃料电池堆11的发电状态等切换各接触器IlaUlb的接通/断开，控制燃料电池堆11与第二线L2及第三线L3的连接。另外，综合E⑶17根据蓄电池12的剩余容量SOC等切换各接触器12a、12b及电流限制电路12c的接通/断开，控制蓄电池12与第一线LI及第二线L2的连接。根据本实施方式的电源装置10包括上述结构，接着说明该电源装置10的动作，特别是电源装置10的启动方法。首先，例如在图7所示的步骤SOl中，作为预充电的动作，使蓄电池12的电流限制电路12c为连接状态，对平滑电容器35进行通电。并且，作为初始化判定处理，判定在表示检测流至电抗器34的电流(电抗器电流IL)的电流传感器41、以及检测燃料电池堆11的输出电流Ifc的输出电流传感器43等各传感器的初始化已完成的传感器初始化完成标志的标志值中是否设定了 “I”。在该判定结果为“否”的情况下，反复执行步骤SOl的初始化判定处理。另一方面，在该判定结果为“是”的情况下，进入步骤S02。接着，在步骤S02中，判定在表示燃料电池堆11的各接触器IlaUlb与蓄电池12的各接触器12a、12b及电流限制电路12c已变为连接状态的接触器接通完成标志的标志值中是否设定了 “I”。在该判定结果为“否”的情况下，反复执行步骤S02的判定处理。另一方面，在该判定结果为“是”的情况下，进入步骤S03。
接着，在步骤S03中，通过对开关占空比(DUTY)的指定的初始值(例如，相当于第二开关元件32的接通时间T2on(下臂接通时间)为零的100%等)，开始在禁止第一开关元件31的接通(上臂接通)的状态下仅使第二开关元件32交替切换为接通与断开的单侧开关模式的执行。接着，在步骤S04中，利用电流传感器41检测流至电抗器34的电流(电抗器电流IL)，对该检测结果执行缓冲器处理以及滤波器处理。接着，在步骤S05中，基于利用缓冲器处理以及滤波器处理得到的各电抗器电流IL(例如各电抗器电流ILnO’、…、ILnM’)，执行后述的波形判定处理。接着，在步骤S06中，执行后述的上臂接通许可判定处理。接着，在步骤S07中，执行后述的栅极输出处理。
接着，在步骤S08中，判定是否许可第一开关元件31的接通(上臂接通)，即是否许可交替开关模式的执行开始。在该判定结果为“否”的情况下，返回到上述的步骤S04。另一方面，在该判定结果为“是”的情况下，进入步骤S09。在步骤S09中，停止单侧开关模式的执行，开始交替开关模式的执行。在步骤SlO中，在交替开关模式的执行时，基于从电流传感器41输出的电抗器电流IL的检测结果，执行电流的反馈处理以使电抗器电流IL收敛于零，进入结束步骤。
以下对上述步骤S05中的波形判定处理进行说明首先，例如作为图8所示的初始化处理，在步骤S21中，根据指定的开关周期T内的由电流传感器41进行的电抗器电流IL的检测次数M(即每个开关周期T内的电抗器电流IL的时间序列数据的个数)，计算开关周期T的一半周期中的由电流传感器41进行的电抗器电流IL的检测次数m = M/2。接着，在步骤S22中，对任意的自然数参数i设定“1”，进行参数i的初始化。接着，在步骤S23中，对电抗器电流IL的时间序列数据中随着时间经过电抗器电流IL以连续增大趋势变化的数据个数ct_int设定“0”，进行数据个数ct_int的初始化。接着，作为波形分析处理，在步骤S24中，判定参数i是否在检测次数M以下。在该判定结果为“是”的情况下，进入步骤S25。另一方面，在该判定结果为“否”的情况下，进入后述的步骤S29。接着，在步骤S25中，判定在电抗器电流IL的时间序列数据中，第(i_l)个电抗器电流ILn’ (i-1)是否在第⑴个电抗器电流ILn’⑴以下。在该判定结果为“是”的情况下，进入步骤S25。在该步骤S25中，进行数据个数ct_int的递增。另一方面，在该判定结果为“否”的情况下，进入步骤S26，在该步骤S26中，对数据个数ct_int设定零。在步骤S28中，进行参数i的递增。接着，作为判定处理，在步骤S29中，判定数据个数ct_int是否在(m_l)以上且(m+1)以下。在该判定结果为“否”的情况下，对连续判定标志f_jdg的标志值设定“0”，进入返
回步骤。另一方面，在该判定结果为“是”的情况下，判断为在开关周期T的一半周期中电抗器电流IL 一直单调增加,进入步骤S31,在该步骤S31中,对连续判定标志f_jdg的标志值设定“1”，进入返回步骤。以下，对上述步骤S06中的上臂接通许可判定处理进行说明。首先，例如在图9所示的步骤S41中，判定是否对连续判定标志f_jdg的标志值设定了 “I”。在该判定结果为“否”的情况下，进入步骤S42，在该步骤S42中，对连续判定数ct_jdg设定零。在该判定结果为“是”的情况下，进入步骤S43，在该步骤S43中，进行连续判定数ct_jdg的递增。
在步骤S44中，判定连续判定数ct_jdg是否到达了指定的判定阈值CT_JDG_TH。在该判定结果为“否”的情况下，进入返回步骤。另一方面，在该判定结果为“是”的情况下，进入步骤S45，在该步骤S45中，对栅极输出许可标志f_prm的标志值设定“1”，进入返回步骤。以下对上述步骤S07中的栅极输出处理进行说明。首先，例如在图10所示的步骤S51中，根据开关占空比(DUTY)计算第二开关元件32的接通时间T2on(下臂接通时间)。接着，在步骤S52中，判定是否对栅极输出许可标志f_prm的标志值设定了 “I”。
在该判定结果为“否”的情况下，进入步骤S53，在该步骤S53中，使开关占空比(DUTY)减少指定值，由此使下臂接通时间增大指定时间，进入返回步骤。另一方面，在判定结果为“是”的情况下，进入步骤S54，在该步骤S54中，许可第一开关元件31的接通(上臂接通)，进入返回步骤。如上所述，根据本发明所涉及的实施方式的电源装置10的启动方法，在执行交替开关模式之前执行单侧开关模式，由此，第一开关元件31断开并且第二开关元件32接通，电抗器34被直流励磁。据此，即使在交替开关模式下第一开关元件31接通并且第二开关元件32断开，也能够防止从燃料电池堆11或蓄电池12流过过大的电流。并且，能够防止由于过大的电流而对各开关元件31、32等产生损坏。例如对于如图I所示在电动机22的驱动时的通常时流经电源装置10的各个位置的各电流IL、IcU Ic2、Imot> Ifc、Ib,例如能够防止由于回流至第二开关元件32以及电抗器34的过大的电流而对第一开关元件31产生损坏。而且，不需要在电源装置10启动时检测燃料电池堆11的端子间电压VFC(Vl)以及蓄电池12的端子间电压VB(V2)的各电压传感器，能够简化装置结构。此外，在电抗器电流IL在单侧开关模式的开关周期T内连续流过的情况下，即在开关周期T内不存在电抗器电流IL为零的期间的情况下，即使第一开关元件31接通并且第二开关元件32断开，电池电路18的输出电压与DC-DC变换器13的二次侧的电压也是平衡的。据此，能够防止意外的过大的电流在电路系统中流过，能够稳定地进行从单侧开关模式到交替开关模式的切换转移。此外，在单侧开关模式执行时三角波状的电抗器电流IL的终端与开关周期T的末端一致的情况下，能够判断为电抗器电流IL在开关周期T内连续流过，能够防止意外的过大的电流在电路系统中流过，能够稳定地进行从单侧开关模式到交替开关模式的切换转移。此外，在将第一开关元件31维持为断开的状态下，在开关周期T的每半个期间(T/2)时将第二开关元件32切换为接通与断开，由此使电抗器电流IL变为等腰三角波状的情况下，仅在开关周期T的半个期间(T/2)中进行电抗器电流IL的检测，就能够基于该检测结果判定电抗器电流IL是否在开关周期T内连续流过。据此，能够迅速地判定是否可以进行从单侧开关模式到交替开关模式的切换转移。 并且，对于串联连接燃料电池堆11与蓄电池12而成的电池电路18，仅包括单一的DC-DC变换器13就能够切换多个动作模式，例如与针对燃料电池堆11与蓄电池12的每个单独包括DC-DC变换器的情况相比，能够削减构成所需要的费用，并且能够使尺寸小型化。
此外，在上述实施方式中，蓄电池12连接于第一线LI与第二线L2，燃料电池堆11连接于第二线L2与第三线L3，但并不限定于此。也可以是燃料电池堆11连接于第一线LI与第二线L2，蓄电池12连接于第二线L2与第三线L3。此外，在上述实施方式中，综合E⑶17为了使燃料电池堆11与蓄电池12的实际电力分配与目标电力分配一致，进行反馈控制以使例如燃料电池堆11的电流(输出电流IfC)的检测值与目标电流一致，由此控制DC-DC变换器13的开关占空比，但并不限定于此。例如也可以代替燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)，进行反馈控制以使蓄电池12的电流(Ib)与目标值一致。另外，也可以代替电流，进行反馈控制以使燃料电池堆11的电压(VFC)或蓄电池12的电压(VB)的检测值与目标值一致，或者对开关占空比进行反馈控制以使燃料电池堆11与蓄电池12的输出比与目标值一致。另外，例如在电动机22的再生时，可以代替燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)，进行反馈控制以使燃料电池堆11的输出与目标值一致。此外，在上述实施方式中，利用串联连接的第一及第二开关元件31、32构成了DC-DC变换器13的开关电路33，但并不限定于此。也可以利用三相的桥接电路(即在各相的每一相中成对串联连接的多个高侧及低侧开关元件进行桥接而得到的电路)构成。在此情况下，并不限定于单一的电抗器34,例如可以在三相的每一相中均包括电抗器。符号说明10电源装置11燃料电池堆(燃料电池，第一电源)12蓄电池(蓄电装置，第二电源)13DC-DC 变换器16变换器 ECU17 综合 ECU18电池电路2IPDU31第一开关元件32第二开关元件33开关电路34电抗器
权利要求
1.一种电源装置的启动方法，其特征在于 所述电源装置包括 第一线、第二线、以及第三线，其电位以依次降低的趋势不同； 电池电路，其由第一电源与第二电源串联连接而成；以及 DC-DC变换器，其由串联连接有具备各续流二极管的第一开关元件及第二开关元件的开关电路、以及电抗器构成，其中， 所述电池电路的两端连接于所述第一线与所述第三线； 所述电池电路的所述第一电源与所述第二电源的连接点连接于所述第二线； 所述开关电路的所述第一开关元件侧的端部连接于所述第一线，所述开关电路的所述第二开关元件侧的端部连接于所述第三线； 所述电抗器的一端连接于所述第一开关元件及所述第二开关元件的相互连接点，另一端连接于所述第二线； 该电源装置的启动方法包括 在所述电源装置启动时，在使所述第二开关元件的接通时间以增大趋势变化的同时，执行在禁止所述第一开关元件的接通的状态下仅将所述第二开关元件交替切换为接通与断开的单侧开关模式的步骤；以及 执行交替切换所述第一开关元件的接通与所述第二开关元件的接通的交替开关模式的步骤。
2.根据权利要求I所述的电源装置的启动方法，其特征在于 所述第一电源为燃料电池，所述第二电源为蓄电装置。
3.根据权利要求I所述的电源装置的启动方法，其特征在于 在所述单侧开关模式的执行时电流在所述第二开关元件的开关周期内连续流至所述电抗器的情况下，从所述单侧开关模式的执行切换为所述交替开关模式的执行。
4.根据权利要求3所述的电源装置的启动方法，其特征在于 在所述单侧开关模式的执行时在所述第二开关元件的一个开关周期中流至所述电抗器的三角波状的电流的终端与所述开关周期的末端一致的情况下，从所述单侧开关模式的执行切换为所述交替开关模式的执行。
5.根据权利要求3所述的电源装置的启动方法，其特征在于 在所述单侧开关模式的执行时流至所述电抗器的电流在所述第二开关元件的开关周期的一半期间中单调增加的情况下，视为电流在所述开关周期内连续流至所述电抗器。
6.一种车辆，其特征在于包括电源装置，以及通过权利要求I至5中任一项所述的电源装置的启动方法启动所述电源装置的系统。
全文摘要
第一电源(11)与第二电源(12)串联连接的电池电路(18)的两端连接于第一、第三线(L1、L3)，第一电源(11)与第二电源(12)的连接点(18a)连接于第二线(L2)，开关电路(33)的两端连接于第一、第三线(L1、L3)，电抗器(34)的一端连接于第一、第二开关元件(31、32)的连接点，另一端连接于第二线(L2)。电源装置(10)在启动时，在使第二开关元件(32)的接通时间以增大趋势变化的同时执行在禁止第一开关元件(31)的接通的状态下仅将第二开关元件(32)交替切换为接通与断开的动作，然后执行交替切换各开关元件(31、32)的接通的动作。
文档编号H01M8/04GK102648108SQ201080054188
公开日2012年8月22日 申请日期2010年11月1日 优先权日2009年12月1日
发明者三松尚亨, 曾根利浩 申请人:本田技研工业株式会社