CN102150312B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

燃料电池系统(FCS)具备燃料电池(FC)及与燃料电池(FC)连接的电动机(ES4)，并且具备使燃料电池(FC)的输出电压升高而输出至电动机(ES4)的FC升压转换器(ES6)、逆变器(ES3)、燃料电池(FC)、FC升压转换器(ES6)、及控制逆变器(ES3)的控制器(EC)，在FC升压转换器(ES6)及逆变器(ES3)的一方产生异常的情况下，能够不经由转换器控制部(ECa1)及逆变器控制部(ECb1)而向另一方传递异常信号，从而使FC升压转换器(ES6)及逆变器(ES3)双方都停止。

Description

燃料电池系统

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

周知如下系统：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，使燃料电池的输出电压通过第一DC/DC转换器升高而输出至负载，并且在负载所需的电力仅利用燃料电池的输出不足时从蓄电装置经由第二DC/DC转换器向所述负载输出该不足量，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(例如参照专利文献1)。

在下述专利文献1中记载的燃料电池系统的控制装置中，计算出作为负载的电动机的目标电力，根据该目标电力计算出电动机的目标电压，计算出燃料电池的目标输出电流，将所述目标输出电流作为第一DC/DC转换器的目标电流进行反馈控制，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。另外，具备将从第二DC/DC转换器输出的直流电力变换为交流电力而向电动机输出的逆变器。

专利文献1：日本特开2007-318938号公报

发明内容

在所述专利文献1中记载的技术中，例如作为电力供给源且为升压转换器的第一DC/DC转换器产生异常而停止驱动的情况下，若作为电力消耗对象的逆变器(电动机)的停止延迟，则从处于正常的蓄电池转换器即第二DC/DC转换器流出大电流，第二DC/DC转换器、蓄电装置可能会损坏。

另一方面，在电力消耗对象即逆变器(电动机)产生异常而停止驱动的情况下，若第一DC/DC转换器的停止延迟，则剩余电力的消耗对象消失，升高后的电压过度上升，第一DC/DC转换器可能会损坏。

因此，在燃料电池的升压转换器即第一DC/DC转换器、逆变器产生异常的情况下，不仅需要使这些产生异常的设备立即停止，而且需要使其他的设备也立即停止。然而，在以往的技术中，向控制燃料电池系统整体的控制部发送通知产生了异常的信号，基于该信号，控制部进行停止各部的处理，因此变为介有控制部的信息处理的情况，不能立即停止各部。

本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于，提供一种构成为即使在升压转换器、逆变器产生异常的情况下其他部分也不会损坏的燃料电池系统。

为了解决上述问题，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：转换器，连接于所述燃料电池和所述负载之间，使所述燃料电池的输出电压上升而输出至所述负载；逆变器，将从所述转换器输出的直流电力变换为交流电力而向所述负载输出；及控制部，控制所述燃料电池、所述转换器及所述逆变器，并且，所述转换器具有与所述控制部进行信号的收发而控制该转换器的转换器控制部，所述逆变器具有与所述控制部进行信号的收发而控制该逆变器的逆变器控制部，在所述转换器及所述逆变器的一方产生异常的情况下，不经由所述转换器控制部及所述逆变器控制部而向另一方传递用于通知所述异常产生的异常信号，使所述转换器及所述逆变器双方都停止。

根据本发明，在转换器及逆变器的一方产生异常的情况下，不经由转换器控制部及逆变器控制部而向另一方传递用于通知该异常产生的异常信号，因此能够不经由转换器控制部、逆变器控制部及控制部的信息处理而迅速地向另一方传递异常信号。因此，在转换器及逆变器的一方产生异常的情况下，可与该异常产生大致同时地使转换器及逆变器这双方都停止，能够通过立即停止电力供给源及电力消耗对象这双方来防止异常的进一步产生及损坏。

根据本发明，能够提供一种构成为即使在升压转换器、逆变器产生异常的情况下其他部分也不会损坏的燃料电池系统。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的构成的图。

图2是对包含图1所示的燃料电池系统的FC升压转换器及牵引逆变器的部分进行表示的图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。为了易于理解说明，在各附图中对相同的构成要素尽可能地标注相同的标号，省略重复的说明。

首先，参照图1对作为本发明实施方式的搭载于燃料电池车辆上的燃料电池系统FCS进行说明。图1是表示作为燃料电池车辆的车载电源系统起作用的燃料电池系统FCS的系统构成的图。燃料电池系统FCS能够搭载于燃料电池汽车(FCHV)、电动汽车、混合动力汽车等车辆上。

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、及控制器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是用于向燃料电池FC供给作为氧化气体的空气的系统。燃料气体供给系统FSS是用于向燃料电池FC供给作为燃料气体的氢气的系统。电力系统ES是用于控制电力的充放电的系统。冷却系统CS是用于冷却燃料电池FC的系统。控制器EC(控制部)是集中控制燃料电池系统FCS整体的控制器。

燃料电池FC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))串联地层积构成的固体高分子电解质型的单电池组而构成。在燃料电池FC中，在通常的运转时，在阳极发生(1)式的氧化反应，在阴极发生(2)式的还原反应。作为燃料电池FC整体发生(3)式的起电反应。

H₂→2H⁺+2e^-             (1)

(1/2)O₂+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通的流路。氧化废气流路AS4是从燃料电池FC排出的氧化废气所流通的流路。

在氧化气体流路AS3上设置有空气压缩机AS2及加湿器AS5。空气压缩机AS2是用于经由过滤器AS1从大气中取入氧化气体的压缩机。加湿器AS5是用于对通过空气压缩机AS2加压的氧化气体进行加湿的加湿器。

氧化废气流路AS4上设置有压力传感器S6、背压调整阀A3、及加湿器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是作为用于在氧化气体(干气)和氧化废气(湿气)之间进行水分交换的装置而设置。

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、及排气排水流路FS6。燃料气体流路FS3是从燃料气体供给源FS1向燃料电池FC的阳极供给的燃料气体所流通的流路。循环流路FS4是用于使从燃料电池FC排出的燃料废气返回燃料气体流路FS3的流路。循环泵FS5是将循环流路FS4内的燃料废气压送至燃料气体流路FS3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FS1例如由高压氢罐、储氢合金等构成，储存高压(例如35MPa～70MPa)的氢气。打开截止阀H1时，燃料气体从燃料气体供给源FS1向燃料气体流路FS3流出。燃料气体通过调节器H2、喷射器FS2例如减压至200kPa而向燃料电池FC供给。

在燃料气体流路FS3上设置有截止阀H1、调节器H2、喷射器FS2、截止阀H3、及压力传感器S4。截止阀H1是用于截止或允许来自燃料气体供给源FS1的燃料气体的供给的阀。调节器H2是调整燃料气体的压力的装置。喷射器FS2是控制向燃料电池FC的燃料气体供给量的装置。截止阀H3是用于截止燃料气体向燃料电池FC的供给的阀。

调节器H2是将其上游侧压力(一次压)调节为预先设定的二次压的装置，例如由将一次压减压的机械式的减压阀等构成。机械式的减压阀具有隔着隔膜形成背压室和调压室的壳体，具有通过背压室内的背压在调压室内将一次压减压为规定的压力而作为二次压的构成。在喷射器FS2的上游侧配置调节器H2，由此能够有效降低喷射器FS2的上游侧压力。

喷射器FS2是电磁驱动式的开闭阀，可通过直接利用电磁驱动力以规定的驱动周期驱动阀芯使其远离阀座来调整气体流量、气体压力。喷射器FS2具备：阀座，具有喷射燃料气体等气体燃料的喷射孔；喷嘴体，将所述气体燃料引导供给至喷射孔；及阀芯，可相对于该喷嘴体在轴线方向(气体流动方向)移动地被收纳保持并使喷射孔开闭。

喷射器FS2的阀芯构成为：通过作为电磁驱动装置的螺线管驱动，可利用从控制器EC输出的控制信号控制喷射器FS2的气体喷射时间及气体喷射时期。喷射器FS2为了供给其下游所要求的气体流量，通过改变设置于喷射器FS2的气体流路上的阀芯的开口面积(开度)及开放时间中的至少一方，而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上设置有截止阀H4，连接排气排水流路FS6。在排气排水流路FS6上设置有排气排水阀H5。排气排水阀H5是利用来自控制器EC的指令进行动作，从而将循环流路FS4内的包含杂质的燃料废气和水分向外部排出的阀。通过排气排水阀H5的打开，循环流路FS4内的燃料废气中的杂质的浓度下降，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排出的燃料废气与流过氧化废气流路AS4的氧化废气混合，通过稀释器(未图示)被稀释。循环泵FS5通过电动机驱动将循环系统内的燃料废气循环供给至燃料电池FC。

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、及FC升压转换器ES6。燃料电池系统FCS作为DC/DC转换器ES1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构成。DC/DC转换器ES1和牵引逆变器ES3构成PCU(Power Control Unit：功率控制单元)。

FC升压转换器ES6是具有使燃料电池FC的输出电压升高而向牵引逆变器ES3及牵引电动机ES4输出的功能的DC/DC转换器。DC/DC转换器ES1具有如下功能：使从蓄电池ES2供给的直流电压升高而向牵引逆变器ES3输出的功能；及使燃料电池FC发电产生的直流电力或牵引电动机ES4通过再生制动而回收的再生电力降低而充电到蓄电池ES2的功能。通过DC/DC转换器ES1的这些功能控制蓄电池ES2的充放电。另外，通过由DC/DC转换器ES1进行的电压变换控制，控制燃料电池FC的工作点(输出端子电压、输出电流)。在燃料电池FC上安装有电压传感器S1和电流传感器S2。电压传感器S1是用于检测FC升压转换器ECS6使燃料电池FC的输出端子电压升高后的电压的传感器。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。另外，在升压转换器ES6和牵引逆变器ES3之间安装有温度传感器S7。

蓄电池ES2作为剩余电力的储存源、再生制动时的再生能量储存源、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起作用。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上安装有用于检测SOC(State of charge：充电状态)的SOC传感器S3。

牵引逆变器ES3例如是以脉冲宽度调制方式被驱动的PWM逆变器。牵引逆变器ES3根据来自控制器EC的控制指令将从燃料电池FC或蓄电池ES2输出的直流电压变换为三相交流电压，控制牵引电动机ES4的转矩。牵引电动机ES4是例如三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动力源。

辅机类ES5是配置于燃料电池系统FCS内的各部的各电动机(例如泵类等动力源)、用于驱动这些电动机的逆变器类、及各种车载辅机类(例如空气压缩机、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CS1、冷却液泵CS2、冷却液前往通路CS3、及冷却液返回通路CS4。散热器CS1使用于冷却燃料电池FC的冷却液散热而将其冷却。冷却液泵CS2是用于使冷却液在燃料电池FC和散热器CS1之间循环的泵。冷却液前往通路CS3是连接散热器CS1和燃料电池FC的流路，设有冷却液泵CS2。通过冷却液泵CS2进行驱动，使冷却液从散热器CS1通过冷却液前往通路CS3流向燃料电池FC。冷却液返回通路CS4是连接燃料电池FC和散热器CS1的流路，设有水温传感器S5。通过冷却液泵CS2进行驱动，使冷却了燃料电池FC的冷却液向散热器CS1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，控制燃料电池系统FCS的各部。例如控制器EC接收从点火开关输出的起动信号IG后，开始燃料电池系统FCS的运转。其后，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和辅机电力的合计值。

在此，辅机电力中包含车载辅机类(加湿器、空气压缩机、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、设置于乘员空间内的装置(空调装置、照明设备、及音响等)所消耗的电力等。

并且，控制器EC决定燃料电池FC和蓄电池ES2各自的输出电力的分配。控制器EC控制氧化气体供给系统ASS及燃料气体供给系统FSS以使燃料电池FC的发电量与目标电力一致。另外，控制器EC向DC/DC转换器ES1输出指示信号，执行由DC/DC转换器ES1进行的转换器控制，控制燃料电池FC的工作点(输出端子电压、输出电流)。进而，控制器EC为了获得与油门开度相对应的目标转矩，例如作为开关指令将U相、V相、及W相的各交流电压指令值输出至牵引逆变器ES3，控制牵引电动机ES4的输出转矩及转速。进而，控制器EC控制冷却系统CS并以使燃料电池FC变为适当的温度的方式进行控制。

接着，参照图2说明用于在FC升压转换器ES6及牵引逆变器ES3中的一方产生异常的情况下迅速使双方停止的构成。图2是对包含图1的FC升压转换器ES6及牵引逆变器ES3的部分进行更详细的说明的框构成图。

如图2所示，FC升压转换器ES6上设置有用于控制FC升压转换器ES6的转换器控制装置ECa。转换器控制装置ECa具备转换器控制部ECa1。转换器控制部ECa1为CPU(Central Processing Unit)，构成为利用信号线L1与控制器EC连接并在与控制器EC之间收发规定的控制信号。另外，转换器控制部ECa1通过信号线ECa2与FC升压转换器ES6连接，构成为能够相对于FC升压转换器ES6输出规定的控制信号，并从FC升压转换器ES6接收规定的状态信号(表示FC升压转换器ES6的状态的信号)。因此，转换器控制部ECa1作为与控制器EC进行控制信号的收发而控制FC升压转换器ES6的部分起作用。

另一方面，在牵引逆变器ES3上设有用于控制牵引逆变器ES3的逆变器控制装置ECb。逆变器控制装置ECb具备逆变器控制部ECb1。逆变器控制部ECb1为CPU(Central Processing Unit)，通过信号线L2与控制器EC连接，构成为在与控制器EC之间收发规定的控制信号。逆变器控制部ECb1通过信号线ECb2与牵引逆变器ES3连接，构成为能够对牵引逆变器ES3输出规定的控制信号，并从牵引逆变器ES3接收规定的状态信号(表示牵引逆变器ES3的状态的信号)。因此，逆变器控制部ECb1作为与控制器EC进行控制信号的收发而控制牵引逆变器ES3的部分起作用。

对于上述构成，在本实施方式中，设有异常信号线L3及异常信号线L4。异常信号线L3是用于在FC升压转换器ES6产生异常的情况下将用于通知该异常发生的异常信号向牵引逆变器ES3发送的信号线。异常信号线L3从FC升压转换器ES6延伸出，经由转换器控制装置ECa及逆变器控制装置ECb，与牵引逆变器ES3连接。异常信号线L3虽然经由转换器控制装置ECa及逆变器控制装置ECb，但不经由转换器控制装置ECa内的转换器控制部ECa1及逆变器控制装置ECb内的逆变器控制部ECb1，作为实质上直接连接FC升压转换器ES6和牵引逆变器ES3的硬线起作用。因此，在FC升压转换器ES6产生异常的情况下，用于通知该异常发生的异常信号不进行信息处理而直接传递至牵引逆变器ES3，能够使FC升压转换器ES6和牵引逆变器ES3大致同时停止。

异常信号线L4是用于在牵引逆变器ES3产生异常的情况下，将用于通知该异常发生的异常信号向FC升压转换器ES6发送的信号线。异常信号线L4从牵引逆变器ES3延伸出，经由逆变器控制装置ECb及转换器控制装置ECa，与FC升压转换器ES6连接。异常信号线L4虽然经由逆变器控制装置ECb及转换器控制装置ECa，但不经由逆变器控制装置ECb内的逆变器控制部ECb1及转换器控制装置ECa内的转换器控制部ECa1，作为实质上直接连接牵引逆变器ES3和FC升压转换器ES6的硬线起作用。因此，在牵引逆变器ES3产生异常的情况下，用于通知该异常产生的异常信号不进行信息处理而直接传递至FC升压转换器ES6，能够使牵引逆变器ES3和FC升压转换器ES6大致同时停止。

标号说明

FCS：燃料电池系统

FC：燃料电池

ASS：氧化气体供给系统

AS1：过滤器

AS2：空气压缩机

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

CS1：散热器

CS2：冷却液泵

CS3：冷却液前往通路

CS4：冷却液返回通路

FSS：燃料气体供给系统

FS1：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

H1：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

ES1：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

S1：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

Claims (1)

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：

转换器，连接于所述燃料电池和所述负载之间，使所述燃料电池的输出电压上升而输出至所述负载；

逆变器，将从所述转换器输出的直流电力变换为交流电力而向所述负载输出；及

控制部，控制所述燃料电池、所述转换器及所述逆变器，并且，

所述转换器具有与所述控制部进行信号的收发而控制该转换器的转换器控制部，所述逆变器具有与所述控制部进行信号的收发而控制该逆变器的逆变器控制部，

在所述转换器及所述逆变器的一方产生异常的情况下，不经由所述转换器控制部及所述逆变器控制部而向另一方传递用于通知所述异常产生的异常信号，使所述转换器及所述逆变器双方都停止。

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