燃料电池系统的制作方法

本发明涉及一种燃料电池系统。

背景技术：

近年来，已经注意到一种燃料电池车辆，在该燃料电池车辆上，安装了使用燃料电池和二次电池单体(蓄电池)作为电源的燃料电池系统。由燃料电池系统供给的功率被供给至包括行驶马达和辅助机器(例如，散热器风扇、冷却剂泵、灯等)的电负载。

当二次电池的温度下降时，二次电池的充电和放电特性下降。例如，当低温锂离子电池单体被充电时，锂(li)在负极上析出。结果，发生诸如电池单体容量降低的性能降级。因此，当电池单体的温度低时，需要迅速地升高电池单体的温度。

在日本专利申请公开no.2012-135085(jp2012-135085a)中，公开了一种用于二次电池的升压系统，并且，该升压系统包括：电压转换器；连接到电压转换器的输入侧的二次电池；以及连接到电压转换器的输出侧的电容器。在该系统中，重复进行二次电池和电容器之间的充电和放电，并且使用与充电和放电共同产生的热来升高二次电池的温度。

技术实现要素：

因为能够存储在电容器中的电量是小的，所以通过二次电池和电容器之间的电力的充电和放电获得的发热值也是小的。因此，通过如上所述的升高二次电池的温度的方法，二次电池的温度可能不会以有利的速度升高。

本发明提供了一种迅速升高燃料电池系统中的二次电池的温度的技术。

本发明的第一方面包括驱动马达、燃料电池、辅助机器、二次电池、温度传感器、电流传感器和控制部。驱动马达产生移动体的驱动力以及将移动体的动能再生成电能。燃料电池向驱动电机供给驱动电力。辅助机器用于由燃料电池进行的发电。二次电池将驱动电力供给至驱动电机和辅助机器。温度传感器测量二次电池的温度。电流传感器测量二次电池的放电电流。控制部被构造成当由温度传感器测量到的温度低于规定值时，通过驱动驱动马达或驱动辅助机器来执行二次电池的放电以及通过由燃料电池进行的发电或由驱动马达进行的再生来执行二次电池的充电。此外，在由电流传感器测量到的放电电流的积分值小于规定的上限值并且然后在执行放电时积分值达到该规定的上限值的情形中，控制部停止放电并且执行充电。此外，在由电流传感器测量到的放电电流的积分值超过规定的下限值并且然后在执行充电时积分值达到该规定的下限值的情形中，控制部停止充电并且执行放电。

根据本发明的第一方面，在燃料电池系统中，控制部控制二次电池以用于通过驱动驱动马达或辅助机器来放电以及通过由燃料电池进行的发电或由驱动马达进行的再生来充电。结果，能够获得比通过在二次电池和电容器之间的电力的充电和放电而获得的发热值大的发热值。因此，能够在燃料电池系统中迅速地升高二次电池的温度。

本发明的第一方面包括速度传感器，该速度传感器获取移动体的速度的测量值。控制部可以控制放电和充电，使得随着由速度传感器测量到的速度增大，每单位时间的放电量和充电量减小。

在本发明的第一方面中，二次电池的要求功率的波动可以被设定为使得随着由速度传感器测量到的速度增大，二次电池的要求功率的波动减小。

在本发明的第一方面中，控制部可以根据由温度传感器测量到的二次电池的温度来确定每单位时间的放电量和充电量，并且控制放电和充电。

在本发明的第一方面中，控制部可以控制放电和充电，使得随着二次电池的温度升高，每单位时间的放电量和充电量减小。

在本发明的第一方面中，控制部可以控制放电和充电，使得随着二次电池的温度下降，每单位时间的放电量和充电量减小。

本发明的第二方面包括：驱动马达，该驱动马达产生移动体的驱动力以及将移动体的动能再生成电能；燃料电池，该燃料电池向驱动马达供给驱动电力；辅助机器，该辅助机器用于由燃料电池进行的发电；二次电池，该二次电池将驱动电力供给至驱动马达和辅助机器；温度传感器，该温度传感器测量二次电池的温度；电流传感器，该电流传感器测量二次电池的充电电流；以及控制部，该控制部被构造成当由温度传感器测量到的温度低于规定值时，通过驱动驱动马达或驱动辅助机器来执行二次电池的放电以及通过由燃料电池进行的发电或由驱动马达进行的再生来执行二次电池的充电。在由电流传感器测量到的充电电流的积分值小于规定的上限值并且然后在执行充电时积分值达到该规定的上限值的情形中，控制部停止充电并且执行放电，在由电流传感器测量到的充电电流的积分值超过规定的下限值并且然后在执行放电时积分值达到该规定的下限值的情形中，控制部停止放电并且执行充电。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是根据一个实施例的燃料电池系统的示意性构造的视图；

图2包括示出根据实施例的燃料电池系统中的二次电池的要求功率的变化以及二次电池的充电和放电的曲线图；

图3包括示出根据实施例的燃料电池系统中的二次电池的要求功率的变化以及二次电池的充电和放电的曲线图；

图4是示出根据实施例的燃料电池系统中的二次电池的充电和放电控制的流程图；并且

图5是示出根据另一实施例的燃料电池系统中的二次电池的充电和放电控制的流程图。

具体实施方式

下文将参照附图对本发明的实施例进行详细说明。注意，本发明的范围不限于此。

[燃料电池系统的构造]

参照图1，将对本发明的实施例中的燃料电池系统的概略构造的示例进行描述。燃料电池系统1作为包括主要部件的控制部11、二次电池12、升压转换器13、燃料电池14、升压转换器15、逆变器16、马达17、辅助机器18和速度传感器s。

燃料电池系统1是能够安装在诸如燃料电池车辆(fcv)的车辆(移动体)上的系统。注意，图1仅示出了燃料电池系统1的主要部件，因此燃料电池系统1能够包括设置在被安装在移动体上的众所周知的燃料电池系统中的其它部件。

二次电池12是能够充电和放电的蓄电部。二次电池12例如由锂离子电池等构成。二次电池12被插入在燃料电池14的放电路径中，并且关于逆变器16并联地连接到燃料电池14。就包括马达17和辅助机器18的电负载的要求功率而言，从二次电池12输出的功率减去预先设定的燃料电池14的目标输出作为电负载的驱动电力。也就是说，二次电池12将驱动电力供给至马达17和辅助机器18。另外，二次电池12存储从马达17通过再生获取的电力。

二次电池12包括温度传感器t和电流传感器ib。温度传感器t是测量二次电池12的温度并且输出测量结果的传感器。电流传感器ib是测量二次电池12的放电电流的传感器。

升压转换器13是设置在二次电池12和逆变器16之间的直流(dc)电压转换器。升压转换器13例如通过使用智能功率模块(ipm)来构造。升压转换器13升高从二次电池12供给的功率的直流电压，并且向逆变器16侧输出功率。

燃料电池14通过包括固体聚合物电解质电池单体堆构造，在所述电池单体堆中，多个电池单体(包括阳极、阴极和电解质的单个电池单体(发电体))串联地堆叠。在燃料电池14正常发电的操作中，在阳极处发生由反应式(1)表示的氧化反应，并且在阴极处发生由反应式(2)表示的还原反应。对于整个燃料电池14，发生由反应式(3)表示的生电反应，从而产生电力。

h2→2h⁺+2e^-...(1)

(1/2)o2+2h⁺+2e^-→h2o...(2)

h2+(1/2)o2→h2o...(3)

升压转换器15是设置在燃料电池14和逆变器16之间的dc电压转换器。升压转换器15对从燃料电池14供给的电力的dc电压进行升压，并且向逆变器16输出功率。升压转换器15例如由ipm等构成。

逆变器16是设置在马达17与升压转换器13和升压转换器15中的每一个之间的逆变器。逆变器16将从燃料电池14或二次电池12供给的dc电力转换为三相ac电力，并且将三相ac电力供给至马达17。例如，逆变器16由ipm构成。

马达17是驱动马达，该驱动马达产生用于驱动燃料电池系统1安装在其上的移动体的车轮等的驱动力。马达17经由逆变器16使用来自燃料电池14或二次电池12的电源作为驱动电力。此外，马达17将燃料电池系统1安装在其上的移动体的动能再生成电能(例如，根据马达17的旋转)。通过再生而产生的电力被存储在二次电池12中。

辅助机器18是一组辅助机器，该一组辅助机器包括用于由燃料电池14进行的发电的辅助机器。辅助机器18包括例如用于燃料电池14的氢泵和冷却剂泵等等。辅助机器18使用从二次电池12供给的电力作为驱动电力。

速度传感器s是获取燃料电池系统1安装在其上的移动体的行驶速度的测定值的传感器。例如，基于马达17的旋转速度等来计算行驶速度。

控制部11由包括中央处理单元(cpu)、只读存储器(rom)和随机存取存储器(ram))的计算机构成。基于从其他部件接收到的信号、存储在诸如ram的存储部中的程序等，控制部11控制设置在燃料电池系统1中部件中的每个部件的处理和操作，并且执行控制所需的各种计算。

例如，当二次电池12的温度低于规定值时，控制部11控制二次电池12的充电和放电，以便升高二次电池12的温度。更具体地，当从温度传感器t获取的温度低于规定值(温度阈值)时，控制部11控制二次电池12通过驱动至少马达17或辅助机器18来放电以及通过至少由燃料电池14进行的发电或由马达17进行的再生来充电。注意，作为上述温度阈值，设定比二次电池12的充放电特性由于温度下降而开始退化时的温度高的温度(例如，比充电和放电特性开始退化时的温度高三度的温度)。此外，控制部11能够根据从速度传感器s获取的速度来控制二次电池12的充电和放电。

通过以这种方法升高二次电池12的温度，能够在燃料电池系统1中迅速地升高二次电池12的温度。在jp2012-135085a中，在二次电池和电容器之间重复电力的充电和放电，并且通过使用与充电和放电共同产生的热来升高二次电池的温度。因为能够存储在电容器中的电量是小的，所以通过在二次电池和电容器之间的充电和放电获得的发热值是小的。对比之下，在该实施例中，控制部11控制二次电池12通过驱动马达17或辅助机器18来放电以及通过由燃料电池14进行的发电或由马达17进行的再生来充电。作为结果，能够获得比通过二次电池和电容器之间的电力的充电和放电获得的发热值大的发热值。因此，能够在燃料电池系统1中迅速地升高二次电池12的温度。

参照图2和图3，将对通过控制部11来控制二次电池12的充电和放电的示例做出进一步的详细描述。

首先，参照图2，将对当从速度传感器s获取的速度是低的(例如，30km/h)时的二次电池12的充电和放电的控制的示例进行描述。附图中的上图通过实线bat_pow示出了二次电池12的要求功率的时间序列变化。横轴表示时间的经过，其中为了二次电池12的温度升高而开始二次电池12的充电和放电时的时间(即，从温度传感器t获取的温度变得低于温度阈值的时间)为0。纵轴线表示要求功率。在该示例中，要求功率的增大和减小被控制为位于二次电池12的过度充电处的功率阈值wout(10kw)和二次电池12的过度放电处的功率阈值win(-10kw)之间。

图2中的下曲线图示出了由电流传感器ib测量到的二次电池12的放电电流的积分值的时间序列变化，并且该时间序列变化对应于上曲线图中的时间的经过。横轴表示时间的经过。纵轴线表示由电流传感器ib测量到的二次电池12的放电电流的积分值。在该曲线图中示出的放电电流的积分值的变化由控制部11控制。

在该实施例中，二次电池12的要求功率的值与二次电池12的每单位时间的放电电流的大小(即，图2中的下曲线图中的电流积分值的变化斜率)基于在先前执行的实验的结果等彼此对应。

当二次电池12的要求功率为功率阈值wout(即，10kw)时，控制部11通过与该要求功率对应的每单位时间的放电量对二次电池12放电。如上所述，通过驱动至少马达17或辅助机器18来执行放电。

此后，当二次电池12的放电电流的积分值达到上阈值(140c)时，控制部11控制二次电池12从其放电切换到充电。当二次电池12的要求功率为功率阈值win(即，-10kw)时，控制部11通过与该要求功率对应的每单位时间的充电量对二次电池12充电。如上所述，通过至少由燃料电池14进行的发电或由马达17进行的再生来执行充电。此后，当二次电池12的放电电流的积分值达到下阈值(-140c)时，控制部11控制二次电池12从其充电切换到其放电。

接下来，参照图3，将对当从速度传感器s获取的速度是高的(例如，100km/h)时二次电池12的充电和放电的控制的示例进行描述。附图中的上曲线图通过实线bat_pow示出了二次电池12的要求功率的时间序列变化。类似于图2，图3中的上曲线图的横轴表示时间的经过，其中为了二次电池12的温度升高而开始二次电池12的充电和放电时的时间为0。纵轴表示要求功率。在该示例中，要求功率的增大和减小被控制为位于5kw(比二次电池12的过度充电处的功率阈值wout低的值)和-5kw(比二次电池12的过度放电处的功率阈值win高的值)之间。

换句话说，在为了二次电池12的温度升高而对二次电池12的充电和放电进行控制中，当移动体的速度是高的时，二次电池12的要求功率的波动被设定为是小的。通常，基于通过用扭矩乘以马达17的转速来获得的值来确定二次电池12的要求功率。因此，即使在扭矩的波动相同的情形中，当移动体以高速行驶时，二次电池12的要求功率更可能发生变化。考虑到这一点，如上所述，在该实施例中，在高速行驶期间，用于二次电池12的温度升高的二次电池12的要求功率的波动被控制为落入比在二次电池12的过度充电处的功率阈值wout和二次电池12的过度放电处的功率阈值win之间的宽度窄的波动宽度内。因此，即使当要求功率由于另一原因而波动，也能够抑制这样的风险，即，要求功率超过过度充电处的功率阈值wout或掉落到过度放电处的功率阈值win以下。

图3中下曲线图示出了由电流传感器ib测量到的二次电池12的放电电流的积分值的时间序列变化，并且该时间序列变化对应于上曲线图中的时间的流逝。类似于图2中的示例，该曲线图中所示的放电电流的积分值的变化由控制部11控制。

当二次电池12的要求功率为5kw时，控制部11通过与该要求功率对应的每单位时间的放电量对二次电池12放电。当与图2中的低速示例相比时，要求功率的大小是小的。因此，图3中下曲线图示出了通过比在图2的示例中的每单位时间的放电量小的放电量来执行放电(即，电流积分值的变化斜率较平缓)。

此后，当二次电池12的放电电流的积分值达到上阈值(140c)时，控制部11控制二次电池12从其放电切换到充电。当二次电池12的要求功率为-5kw时，控制部11通过与该要求功率对应的每单位时间的充电量对二次电池12充电。当与图2中的低速示例中的用于充电的要求功率的大小(即，10kw)相比时，在图3中下曲线图中用于充电的要求功率量(即，5kw)是小的。因此，图3中下曲线图示出了通过比在图2的示例中的每单位时间的充电量小的充电量来执行充电。此后，当二次电池12的放电电流的积分值达到下阈值(-140c)时，类似于图2中的示例，控制部11控制二次电池12以从其充电切换到放电。

如到目前为止已经描述的，根据该实施例，控制部11控制用于二次电池12的温度升高的二次电池12的充电和放电，使得随着由速度传感器s测量到的速度增大，二次电池12的每单位时间的充电量和放电量减小。结果，如上所述，即使当要求功率由于其他原因而波动时，也能够减小这样的可能性，即，要求功率超过过度充电处的功率阈值wout或者掉落到过度放电处的功率阈值win以下。

注意，在该实施例中，控制部11能够根据从温度传感器t获取的二次电池12的温度来控制二次电池12的充电和放电。例如，控制部11能够设定二次电池12的要求功率，使得随着二次电池12的温度升高或降低，二次电池12的要求功率的波动宽度减小。结果，控制部11控制二次电池12充电和放电，使得随着二次电池12的温度升高或降低，二次电池12的每单位时间的充电量和放电量减小(即，电流积分值的变化斜率变得更平缓)。换句话说，控制部11根据由温度传感器t测量到的二次电池12的温度来确定二次电池12的每单位时间的充电量和放电量，并且在所确定的量的基础上控制二次电池12充电和放电。

[二次电池的放电和充电的控制流程]

参照图4，将对用于二次电池12的温度升高的充电和放电控制流程进行描述。该处理通过控制部11的控制来执行。

首先，在步骤s11中，控制部11确定从温度传感器t获取的二次电池12的温度是否低于规定值。作为温度的规定值，设定比二次电池12的充电和放电特性由于温度下降而开始劣化时的温度高的温度(例如，比充电和放电特性开始劣化时的温度高三度的温度)。如果确定二次电池12的温度低于规定值，则该处理进行到步骤s12。否则，则图4中所示的处理终止。

在步骤s12中，控制部11确定二次电池12是否当前被充电。如果二次电池12当前被充电，则处理进行到步骤s13。否则，处理进行到步骤s15。

在步骤s13中，控制部11确定由电流传感器ib测量到的二次电池12的放电电流的积分值是否等于或小于下阈值。如果二次电池12的放电电流的积分值等于或小于下阈值，则处理进行到步骤s14。否则，处理进行到步骤s11。

在步骤s14中，控制部11将二次电池12的操作从充电切换到放电。更具体地说，在由电流传感器ib测量到的二次电池12的放电电流的积分值超过下阈值(规定的下限值)且随后在二次电池12充电的状态下二次电池12的放电电流的积分值达到下阈值(规定的下限值)的情形中，控制部11控制二次电池12停止充电并且执行放电。二次电池12通过至少驱动马达17或辅助机器18而被放电。此后，处理进行到步骤s11。

在步骤s15中，控制部11确定由电流传感器ib测量到的二次电池12的放电电流的积分值是否等于或大于上阈值。如果二次电池12的放电电流的积分值等于或大于上阈值，则处理进行到步骤s16。否则，处理进行到步骤s11。

在步骤s16中，控制部11将二次电池12的操作从放电切换到充电。更具体地说，在由电流传感器ib测量到的二次电池12的放电电流的积分值小于上阈值(规定的上限值)且随后在二次电池放电的状态下二次电池12的放电电流的积分值达到上阈值(规定的上限值)的情形中，控制部11控制二次电池12停止放电并且执行充电。通过至少由燃料电池14进行的发电或由马达17进行的再生对二次电池12充电。此后，处理进行到步骤s11。

如迄今为止所描述的那样，根据该实施例，控制部11控制二次电池12用于通过至少驱动马达17或辅助机器18来放电以及用于通过至少由燃料电池14进行的发电或由马达17进行再生来充电。结果，能够获得比通过在二次电池和电容器之间的电力的充电和放电所获得的发热值大的发热值。因此，能够在燃料电池系统1中迅速地升高二次电池12的温度。

在上述实施例中，使用了测量二次电池的放电电流的电流传感器。然而，电流传感器并不限于此。例如，能够使用测量二次电池的充电电流的电流传感器。在如图5所示的使用测量二次电池的充电电流的电流传感器的另一实施例中，控制部被构造成在由电流传感器测量到的充电电流的积分值小于规定的上限值并且随后在二次电池充电时该积分值达到规定的上限值的情形中，停止对二次电池充电并且对二次电池放电，此后。控制部还被构造成在由电流传感器测量到的充电电流的积分值超过规定的下限值并且随后在二次电池放电时该积分值达到规定的下限值的情形中，停止对二次电池放电并且对二次电池充电。

到目前为止，已经参照附图对本发明的实施例进行了描述。然而，本发明的范围不限于这些实施例。获得在权利要求中描述的精神内的各种改变示例或修改示例对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且这些改变示例或修改示例自然属于本发明的技术范围。