燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】在具备大功率用的多相转换器的燃料电池系统中，有效地抑制因电抗器振动的增大或多个电抗器引起的声压增大而产生的噪声，提高肃静性。一种具备设置在燃料电池（2）与负载装置（5）之间的多相转换器（10）的燃料电池系统（1），具备：选择单元（控制器（7）），根据负载装置（5）的负载来选择多相转换器（10）的驱动相；以及驱动单元（控制器（7）），在通过选择单元选择了多个驱动相时，以使多个驱动相的相位相互为接近反相位的方式以载频驱动多个驱动相。
【专利说明】燃料电池系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]以往，提出了一种将接受反应气体(燃料气体及氧化气体)的供给进行发电的燃料电池与蓄电池等二次电池一起搭载于车辆而构成的燃料电池车辆。这种燃料电池车辆等电动车辆中，通常搭载有设置在燃料电池与电动马达之间的逆变器、对该逆变器进行PWM(Pulse Width Modulation:脉冲宽度调制)控制的控制装置。
[0003]目前，提出了一种对燃料电池车辆的速度和逆变器的开关元件的温度进行测定，并在所述速度及温度的测定值均为规定的阈值以下时，使逆变器的载频比通常值高的技术(例如，参照专利文献I)。当采用这种技术时，能够实现开关元件的过热和开关噪声的减少这两者。
[0004]在先技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开2005-312279号公报
【发明内容】
[0007]发明要解决的课题
[0008]然而，近年来，用于将从蓄电池供给的直流电压转换成更大的直流电压的大功率用的多相转换器的开发不断进展。在上述多相转换器中，由于流过电抗器的电流也增大，所以存在因电抗器振动的增大或多个电抗器引起的声压增大而产生新的噪声这样的问题。
[0009]明确的是，因这种多相转换器的采用而产生的新的噪声仅通过前述的专利文献I记载的那种频率切换控制无法充分地抑制。
[0010]本发明是鉴于上述情况而完成的，目的是在具备大功率用的多相转换器的燃料电池系统中，有效地抑制因电抗器振动的增大或多个电抗器引起的声压增大而产生的噪声，提高肃静性。
[0011]用于解决课题的手段
[0012]为了实现所述目的，本发明的燃料电池系统具备设置在燃料电池与负载装置之间的多相转换器，所述燃料电池系统具备:选择单元，根据负载装置的负载来选择多相转换器的驱动相；以及驱动单元，在通过选择单元选择了多个驱动相时，以多个驱动相的相位相互为接近反相位的方式以载频驱动多个驱动相。
[0013]作为驱动单元，可以采用在通过选择单元选择了 4个驱动相时以90°的相位差来驱动所述4个驱动相的结构、在通过选择单元选择了 2个驱动相时以180°的相位差来驱动所述2个驱动相的结构、在通过选择单元选择了 3个驱动相时以90°的相位差来驱动所述3个驱动相的结构等。
[0014]若采用上述结构，则在选择多相转换器的多个驱动相时，能够以使所述多个驱动相的相位相互成为反相位的方式驱动多个驱动相。因此，能够实现输出电流的交错(脉动电流相互抵消)，因此能够减少电抗器的噪声。
[0015]另外，在本发明的燃料电池系统中，可以采用在规定频带内切换多个驱动相的载频的驱动单元。作为这种驱动单元，可以采用在以各驱动相的基准载频为中心的规定频带内随机选择多个载频，并切换到这些选择的多个载频的结构。特别优选采用使选择的多个载频的分布为正态分布的驱动单元。
[0016]若采用上述结构，则在驱动多相转换器的多个驱动相时，能够在规定频带内切换各驱动相的载频。因此，能够使各相的电抗器的声压下降，从而能够进一步减少噪声。
[0017]另外，在本发明的燃料电池系统中，也可以具备增益校正单元，该增益校正单元在与载频同步地进行多相转换器的反馈控制时，伴随于由驱动单元进行的载频的切换来校正反馈增益。例如，在采用具有比例增益及积分增益的PI反馈控制时，可以采用基于基准载频及切换后的载频来校正积分增益的增益校正单元。
[0018]另外，在本发明的燃料电池系统中，也可以具备sin波叠加校正单元，该sin波叠加校正单元在为了测定相对于多相转换器的输入电源的阻抗而将sin波信号叠加于输入电流及输入电压来实施采样时，通过叠加与由驱动单元进行的切换后的载频对应的sin波信号而校正采样的电流值及电压值。
[0019]另外，在本发明的燃料电池系统中，也可以具备电流采样校正单元，该电流采样校正单元在实施多相转换器的电抗器电流的采样时，伴随于由驱动单元进行的载频的切换来校正采样的时机。
[0020]另外，在本发明的燃料电池系统中，也可以具备温度校正单元，该温度校正单元在使用载频来推定多相转换器的元件温度时，伴随于由驱动单元进行的载频的切换来校正推定的元件温度。
[0021]发明效果
[0022]根据本发明，在具备大功率用的多相转换器的燃料电池系统中，能够有效地抑制因电抗器振动的增大或多个电抗器引起的声压增大而产生的噪声，提高肃静性。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明的实施方式的燃料电池系统的结构图。
[0024]图2是对图1所示的燃料电池系统的FC转换器的2相(U相及W相)进行驱动时的控制信号的时间图。
[0025]图3是对图1所示的燃料电池系统的FC转换器的3相(U相、V相及W相)进行驱动时的控制信号的时间图。
[0026]图4是对图1所示的燃料电池系统的FC转换器的4相(U相、V相、W相及X相)进行驱动时的控制信号的时间图。
[0027]图5是表示图1所示的燃料电池系统的FC转换器的各驱动相的载频的扩散状态的坐标图。
[0028]图6是表示使载频扩散时的频谱的图。
【具体实施方式】[0029]以下，参照附图，说明本发明的实施方式的燃料电池系统I。本实施方式的燃料电池系统I是搭载于燃料电池车辆的发电系统。
[0030]如图1所示，燃料电池系统I将由燃料电池2或蓄电池3产生的电力经由逆变器4向牵引马达5供给，由此驱动牵引马达5旋转。燃料电池系统I具备设置在燃料电池2与逆变器4之间的FC转换器10、设置在蓄电池3与逆变器4之间的蓄电池转换器6、对系统整体进行统一控制的控制器7等。
[0031]燃料电池2是将多个单电池串联层叠而构成的固体高分子电解质型电池堆。在燃料电池2中，在阳极电极处发生以下的(I)式的氧化反应，在阴极电极处发生以下的(2)式的还原反应，作为燃料电池2整体，发生以下的(3)式的起电反应。
[0032]H2 — 2H.+2e---(I)
[0033](1/2) 02+2H++2e — H2O---(2)
[0034]H2+ (1/2) O2 — H2O---(3)
[0035]构成燃料电池2的单电池具有利用隔板将膜-电极接合体(MEA)夹入的构造，该膜-电极接合体(MEA)通过利用阳极电极及阴极电极这两个电极将高分子电解质膜夹入而构成，该隔板用于供给燃料气体及氧化气体。在燃料电池2设有将燃料气体向阳极电极供给的系统、将氧化气体向阴极电极供给的系统、将冷却液向隔板内供给的系统，根据来自控制器7的控制信号而控制燃料气体的供给量或氧化气体的供给量，由此能够产生期望的电力。
[0036]FC转换器10起 到对燃料电池2的输出电压进行控制的功能。如图1所示，本实施方式中的FC转换器10是将U相转换器11、V相转换器12、W相转换器13、X相转换器14这4相并联连接的多相转换器。FC转换器10根据牵引马达5等负载装置的负载(要求电力)，能够进行仅使用I相(例如U相)的I相驱动、使用2相(例如U相、V相)的2相驱动、使用3相(例如U相、V相、W相)的3相驱动、使用全部的驱动相的4相驱动这样的驱动相的切换。
[0037]FC转换器10将燃料电池2的输出电压控制成与目标输出对应的电压。需要说明的是，FC转换器10的输出电压、输出电流可以由未图示的电压传感器及电流传感器检测。而且，在本实施方式中，设有用于对流过各驱动相的电抗器的电流(电抗器电流)进行检测的电抗器电流传感器。
[0038]作为在FC转换器10的各驱动相(U相、V相、W相、X相)中使用的开关元件的种类，可列举例如接合肖特基二极管、p-1-n/肖特基复合二极管、MOS势垒肖特基二极管等二极管类、双极接合型晶体管(BJT)或达林顿这样的电流控制型晶体管、通常闸流晶体管、GTO(Gate Turn Off:门极关断)闸流晶体管等闸流晶体管类、MOS场效应(FET)晶体管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、注入促进型绝缘栅极晶体管(IEGT)等电压控制型晶体管等。其中，优选闸流晶体管类及电压控制型晶体管。
[0039]蓄电池3相对于牵引马达5，与燃料电池2并联连接，具有储存剩余电力或再生制动时的再生能量的功能，并且作为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存器发挥功能。作为蓄电池3，例如，可以采用镍-镉蓄电池、镍-氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。
[0040]蓄电池转换器6起到对逆变器4的输入电压进行控制的功能，例如可以采用与FC转换器10同样的电路结构。作为蓄电池转换器6，可以采用升压型的转换器，但也可以将其取代而采用能够进行升压动作及降压动作的升降压型的转换器，可以采用能够进行逆变器4的输入电压的控制的所有结构。
[0041]逆变器4可以采用例如以脉冲宽度调制方式驱动的PWM逆变器，按照来自控制器7的控制指令，将从燃料电池2或蓄电池3供给的直流电力转换成三相交流电力，来控制牵引马达5的旋转转矩。
[0042]牵引马达5产生作为燃料电池车辆的动力的旋转转矩，并构成为在减速时产生再生电力。牵引马达5的旋转转矩在由减速装置8减速成规定的转速之后，经由轴8a向轮胎9传递。需要说明的是，在本实施方式中，将接受从燃料电池2供给的电力而工作的全部的设备(包括牵引马达5及减速装置8)总称为负载装置。
[0043]控制器7是用于对燃料电池系统I进行统一控制的计算机系统，具有例如CPU、RAM、ROM等。控制器7接受从各种传感器供给的信号(例如，表示油门开度的信号、表示车速的信号、表示燃料电池2的输出电流或输出电压的信号等)的输入，算出负载装置的负载(要求电力)。
[0044]负载装置的负载是例如车辆行驶电力与辅机电力的合计值。辅机电力包括由车载辅机类(空气压缩机、氢泵、冷却水循环泵等)消耗的电力、由车辆行驶所需的装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、悬架装置等)消耗的电力、由配置在乘员空间内的装置(空调装置、照明器具、音响等)消耗的电力等。
[0045]并且，控制器7决定燃料电池2与蓄电池3的各自的输出电力的分配，并算出发电指令值。控制器7在算出对燃料电池2及蓄电池3的要求电力后，为了得到上述的要求电力而控制FC转换器10及蓄电池转换器6的动作。
[0046]另外，控制器7根据负载装置的负载而选择FC转换器10的驱动相。例如，在负载装置的负载为规定的阈值以下时，控制器7选择FC转换器10的4相的驱动相中的I相(例如U相转换器11)。而且，在负载装置的负载超过了规定的阈值时，控制器7选择多个驱动相(例如U相转换器11及W相转换器13这2相)。S卩，控制器7作为本发明中的选择单元发挥功能。
[0047]另外，控制器7在根据负载装置的负载而选择多个驱动相时，以使所述多个驱动相的相位相互为接近反相位的方式以载频驱动多个驱动相。即，控制器7也作为本发明的驱动单元发挥功能。
[0048]例如图2所示，控制器7在选择了 U相转换器11及W相转换器13这2相时，以使U相及W相的控制信号具有180°的相位差的方式以载频驱动所述2个驱动相。而且，如图3所示，在选择了 U相转换器11、V相转换器12及W相转换器13这3相时，以使U相及V相的控制信号具有90°的相位差的方式驱动所述2个驱动相，并且以使U相及W相的控制信号具有180°的相位差的方式驱动所述2个驱动相。这种情况下，V相及W相的控制信号具有90°的相位差。而且，如图4所示，在选择了 U相转换器11、V相转换器12、W相转换器13及X相转换器14这4相时，以使U相、V相、W相、X相的控制信号分别具有90°的相位差的方式以载频驱动所述4个驱动相。
[0049]控制器7如此对FC转换器10的多个驱动相进行驱动控制，由此实现输出电流的交错，从而能够减少电抗器的噪声。[0050]此外，控制器7在对FC转换器10的各驱动相(U相、V相、W相、X相)进行驱动时，在规定频带内切换各驱动相的载频。具体而言，如图5所示，在以各驱动相的基准载频&为中心的规定频带(载频下限4~载频上限fH的频带)内，随机选择多个载频(f\~f4)，并切换到这些选择的多个载频。在本实施方式中，使选择的多个载频的分布为正态分布。
[0051]控制器7如此使FC转换器10的各驱动相的载频扩散，由此能够使频谱如图6所示那样变形(使强度下降)，因此能够使各驱动相的电抗器的声压在听感方面下降。
[0052]在以上说明的实施方式的燃料电池系统I中，能够在选择FC转换器10的多个驱动相时，以使所述多个驱动相的相位相互成为反相位的方式驱动多个驱动相。因此，能够实现输出电流的交错，因此能够使电抗器的噪声减少。
[0053]另外，在以上说明的实施方式的燃料电池系统I中，能够在驱动FC转换器10的多个驱动相时，在规定频带内切换各驱动相的载频。因此，能够使各驱动相的电抗器的声压下降，从而能够使噪声进一步减少。 [0054]需要说明的是，在以上说明的实施方式中，示出了使载频扩散而使噪声减少的例子，但也能够伴随于上述的载频扩散而实施以下的各种校正控制。
[0055]<增益校正>
[0056]假定燃料电池系统I的控制器7实施运算FC转换器10的各驱动相的开关元件的控制占空比(duty)的运算处理，并与载频同步地实施多相转换器10的反馈控制(具有 ' 比例增益及积分增益的PI反馈控制)的情况。若在实施这种PI反馈控制时对载频进行切换，则PI反馈控制中的积分增益的效果发生变化。即，发生伴随于载频的切换而外观上积分增益出现变化这样的现象。
[0057]因此，控制器7能够基于基准载频及当前(切换后)的载频来校正与这种载频的切换相伴的外观上的积分增益的变化。这种情况下，控制器7作为增益校正单元发挥功能。
[0058]例如在通常的PI反馈控制中，利用以下的(4)式算出反馈(FB)校正项。在(4)式中，Kp及K1分别是比例增益及积分增益，e是控制偏差。
[0059]FB 校正项=KpX e+KjX / (e)dt---(4)
[0060]当存在载频的切换时，控制器7将当前的控制周期(当前的载频的倒数)相对于基准控制周期(基准载频的倒数)的比乘到通常的积分增益K1上，由此算出校正后的积分增益，使用以下的(5)式能够算出FB校正项。在(5)式中，T。是当前的控制周期，Ttl是基准控制周期。
[0061]FB 校正项=KpXe+K〗X (Tc/T0) X / (e) dt(5)
[0062]〈sin波叠加校正>
[0063]假定燃料电池I的控制器7为了测定相对于FC转换器10的输入电源的阻抗而将sin波信号叠加于向FC转换器10的输入电流及输入电压来实施高速米样的情况。若在实施这种基于sin波叠加的高速采样时对载频进行切换，则控制占空比的更新时机伴随于载频的切换而变化。因此，以等间隔地更新控制占空比为前提而运算并叠加sin波信号时，产
生畸变。
[0064]因此，控制器7叠加与当前(切换后)的载频对应的sin波信号(基于当前的控制周期而算出的sin波信号)，由此对采样的电流值及电压值进行校正，从而能够抑制畸变的发生。这种情况下，控制器7作为sin波叠加校正单元发挥功能。[0065]<电流采样校正>
[0066]假定燃料电池系统I的控制器7实施FC转换器10的电抗器电流的采样的情况。若在实施这种电抗器电流的采样时对载频进行切换，则无法准确地对转换器电流的平均值进行AD转换，电抗器电流的采样值有时会产生偏置误差。
[0067]因此，控制器7在切换前的载频与切换后的载频之间插入调整用的载频，由此能够抑制与载频的切换相伴的电抗器电流的偏置误差的发生。这种情况下，控制器7作为电流采样校正单元发挥功能。
[0068]<温度校正> [0069]假定燃料电池系统I的控制器7使用载频来推定FC转换器10的各驱动相的开关元件的温度的情况。这种情况下，控制器7能够使用对载频与校正系数的关系进行规定的映射来导出与切换后的载频对应的校正系数，从而能够使用该导出的校正系数来校正推定的元件温度。这种情况下，控制器7作为温度校正单元发挥功能。
[0070]需要说明的是，在以上的实施方式中，示出了将本发明的燃料电池系统搭载于燃料电池车辆的例子，但也可以在燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、航空器等)上搭载本发明的燃料电池系统。而且，也可以将本发明的燃料电池系统适用于作为建筑物(住宅、大楼等)用的发电设备而使用的固定用发电系统。而且，也能够适用于便携式的燃料电池系统。
[0071]标号说明
[0072]I...燃料电池系统…、2...燃料电池、5...牵引马达(负载装置)、7...控制器(选择单元、驱动单元、增益校正单元、sin波叠加校正单元、电流采样校正单元、温度校正单元)、10…FC转换器(多相转换器)、11…U相转换器、12…V相转换器、13…W相转换器、14…X相转换器、&…基准载频、~fV..多个载频、4…载频下限、fH…载频上限。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，具备设置在燃料电池与负载装置之间的多相转换器，所述燃料电池系统具备: 选择单元，根据所述负载装置的负载来选择所述多相转换器的驱动相；以及 驱动单元，在通过所述选择单元选择了多个驱动相时，以使所述多个驱动相的相位相互为接近反相位的方式以载频驱动所述多个驱动相。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中， 在通过所述选择单元选择了 4个驱动相时，所述驱动单元以90°的相位差来驱动所述4个驱动相。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中， 在通过所述选择单元选择了 2个驱动相时，所述驱动单元以180°的相位差来驱动所述2个驱动相。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中， 在通过所述选择单元选择了 3个驱动相时，所述驱动单元以90°的相位差来驱动所述3个驱动相。
5.根据权利要求1?4中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述驱动单元在规定频带内切换所述多个驱动相的所述载频。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中， 所述驱动单元在以所述各驱动相的基准载频为中心的规定频带内随机选择多个载频，并切换到这些选择的多个载频。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中， 所述驱动单元使所述选择的多个载频的分布为正态分布。
8.根据权利要求5?7中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述燃料电池系统具备增益校正单元，该增益校正单元在与所述载频同步地进行所述多相转换器的反馈控制时，伴随于由所述驱动单元进行的载频的切换来校正反馈增益。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中， 所述反馈控制是具有比例增益及积分增益的PI反馈控制， 所述增益校正单元基于基准载频及切换后的载频来校正所述积分增益。
10.根据权利要求5?9中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述燃料电池系统具备sin波叠加校正单元，该sin波叠加校正单元在为了测定相对于所述多相转换器的输入电源的阻抗而将sin波信号叠加于输入电流及输入电压来实施采样时，通过叠加与由所述驱动单元进行的切换后的载频对应的sin波信号而校正采样的电流值及电压值。
11.根据权利要求5?10中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述燃料电池系统具备电流采样校正单元，该电流采样校正单元在实施所述多相转换器的电抗器电流的采样时，伴随于由所述驱动单元进行的载频的切换来校正采样的时机。
12.根据权利要求5?11中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述燃料电池系统具备温度校正单元，该温度校正单元在使用所述载频来推定所述多相转换器的元件温度时，伴随于由所述驱动单元进行的载频的切换来校正推定的元件温度。
【文档编号】H02M3/00GK103650310SQ201180072128
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2011年7月5日 优先权日:2011年7月5日
【发明者】真锅晃太, 新井光, 金子智彦, 今西启之 申请人:丰田自动车株式会社