專利名稱：燃料電池系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池系統，更具體地，涉及一種與蓄電裝置一起使用的燃料電池系統。
背景技術：
例如，安裝有燃料電池的車輛除燃料電池之外還配備有蓄電裝置，并且當起動燃 料電池時，或者當由車輛所需的電力不能僅由燃料電池的輸出提供時，從蓄電裝置供應所需的電力。在燃料電池中，諸如氫的燃料氣體供應至陽極側，并且諸如空氣的含氧氧化氣體供應至陰極側，使得通過電解質膜由燃料氣體與氧化氣體之間的反應產生所需電力。此時，在陰極側形成作為反應產物的水。由于如此形成的水滲透通過電解質膜并到達陽極側，所以使電解質膜的陽極側上的濕度提高至合適的水平，并且氫質子通過膜的輸送在該濕度下發生，使得由質子與氧之間的反應產生電力。因此，需要將電解質膜的濕度或含水量控制到合適的水平，以便以高的效率實現發電。因此，燃料電池的輸出受到在電解質膜處感測的水分布狀況的影響，并進行吹掃操作或水合操作，以便保持最佳的水分布狀況。在蓄電裝置重復充電和放電的同時，其輸出特性由于過度充電或過度放電而劣化。而且，蓄電裝置的輸出隨溫度而變化。因此，由于蓄電裝置的輸出與其充電狀態具有特定關系，所以管理或控制蓄電裝置的充電狀態(SOC)和蓄電裝置溫度。例如，日本專利申請公布No. 2008-282767 (JP-A-2008-282767)公開了一種燃料電池系統，其中基于測量的阻抗值和檢測的SOC值進行吹掃操作。此外，當燃料電池在正常運行模式下時，在不考慮SOC的情況下，系統進行吹掃操作持續設定的時間段。當燃料電池在低溫運行模式下時，進行利用低濕度氣體的吹掃操作，用于改善起動能力或起動性能。此外，日本專利申請公布No. 2007-324071 (JP-A-2007-324071)公開了一種燃料電池系統，其基于在燃料電池堆中剩余的水量、向空氣壓縮機供應電力的二次電池的溫度和二次電池的充電狀態，來確定吹掃狀況，并控制從空氣壓縮機供應的吹掃空氣的量。此外，日本專利申請公布No. 2004-281219 (JP-A-2004-281219)公開了一種燃料電池系統，其在能夠從燃料電池和二次電池供應負載和附件所需的最大電力時正常運行，并且當不能供應最大電力時進行預熱操作。在此，預熱操作通過重復燃料電池的發電與暫停以及重復二次電池的充電與放電來實現。因此，在相關技術的燃料電池系統中，分別確保燃料電池的輸出和蓄電裝置的輸出，并且確定在燃料電池的運行期間的水分布狀況的目標范圍和在蓄電裝置的運行期間的SOC的目標范圍。而且，當在運行期間存在燃料電池的輸出不足時利用蓄電裝置的輸出，并且當存在蓄電裝置的輸出不足時利用來自燃料電池的電力給蓄電裝置充電。因此，對燃料電池和蓄電裝置分配所需動力。同時，在以上確認的公布中沒有關于以下情形的說明當使落在目標范圍之外的燃料電池的水分布狀況或蓄電裝置的充電狀態落入目標范圍之內時，燃料電池與蓄電裝置之間的有效的動力分配。
發明內容
本發明提供一種燃料電池系統，其中可將所需動力有效地分配給燃料電池和蓄電
裝直。根據本發明的一個方面用于車輛的燃料電池系統包括水分布狀況估計單元，其用于估計并獲取燃料電池的水分布狀況；充電狀態獲取單元，其用于獲取蓄電裝置的充電狀態；確定單元，其根據預定標準而將有利的組合范圍設定成這樣的組合范圍，即在該組合范圍中燃料電池的水分布狀況與蓄電裝置的充電狀態的組合適合于車輛的所需動力，并且該確定單元確定所獲取的水分布狀況與所獲取的充電狀態的實際組合是否在有利的組合范圍內；以及組合狀態改善單元，其在實際組合不在有利的組合范圍內時利用蓄電裝置的輸出來改善燃料電池的水分布狀況，以便使實際組合移至有利的組合范圍內。在根據本發明的以上方面的燃料電池系統中，當車輛起動或者在用蓄電裝置的輸出的電池運行模式下運行，并且確定單元確定實際組合使得蓄電裝置的充電狀態處于充足的水平，但是燃料電池的水分布狀況不能令人滿意時，組合狀態改善單元可利用蓄電裝置的輸出來改善燃料電池的水分布狀況。在根據本發明的以上方面的燃料電池系統中，當車輛處于最大輸出狀況或者燃料電池處于從燃料電池的運行暫停的狀況到運行恢復的狀況的過渡，而確定單元確定實際組合使得蓄電裝置的充電狀態處于不足的水平，并且燃料電池的水分布狀況不能令人滿意時，組合狀態改善單元可利用蓄電裝置的輸出來改善燃料電池的水分布狀況。在根據本發明的以上方面的燃料電池系統中，當燃料電池的水分布狀況是過高的濕度狀況時，組合狀態改善單元可以操作用于供應吹掃氣體的空氣壓縮機。水分布狀況處于過高的濕度狀況表示含水量大到使得燃料電池的輸出特性變成不能令人滿意，而水分布狀況處于過低的濕度狀況表示含水量小到使得燃料電池的輸出特性變成不能令人滿意。在根據本發明的以上方面的燃料電池系統中，當燃料電池的水分布狀況是過低的濕度狀況時，組合狀態改善單元可以調節燃料電池的背壓調節閥的打開程度，以便提高燃料電池的背壓并改善水分布狀況。在根據本發明的以上方面的燃料電池系統中，當燃料電池的水分布狀況是過低的濕度狀況時，組合狀態改善單元可以控制用于燃料電池的冷卻劑循環泵的運行，以便降低燃料電池的溫度并改善水分布狀況。在如上所述構成的燃料電池系統中，根據預定標準將有利的組合范圍設定成這樣的組合范圍，即在該組合范圍中，燃料電池的水分布狀況與蓄電裝置的充電狀態的組合適合于車輛的所需動力，并確定實際的水分布狀況與充電狀態的實際組合是否在有利的組合范圍內。如果實際組合不在有利的組合范圍內，則利用蓄電裝置的輸出來改善燃料電池的水分布狀況，使得實際組合移至有利的組合范圍內。盡管燃料電池系統包括蓄電裝置，燃料電池可以是處于正常運行狀況的主電源。采用以上構造，蓄電裝置有效地用于使作為主電源的燃料電池的水分布狀況最佳，或者維持最佳的水分布狀況。因此，包括蓄電裝置的燃料電池系統總體上能夠通過在燃料電池與蓄電裝置之間合適的動力分配來有效地產生輸出動力。
在如上所述的燃料電池系統中，當車輛起動或者在用蓄電裝置的輸出的電池運行模式下運行，并且確定實際組合使得蓄電裝置的充電狀態處于充足水平，但是燃料電池的水分布狀況不能令人滿意時，可利用蓄電裝置的輸出來改善燃料電池的水分布狀況。這樣，可在早期將作為主電源的燃料電池的輸出動力提高至所期望的水平。在如上所述的燃料電池系統中，當車輛處于最大輸出狀況或者燃料電池處于從燃料電池的運行暫停的狀況到運行恢復的狀況的過渡，而確定實際組合使得蓄電裝置的充電狀態處于不足的水平，并且燃料電池的水分布狀況不能令人滿意時，組合狀態改善單元可以利用蓄電裝置的輸出來改善燃料電池的水分布狀況。這樣，可在早期將作為主電源的燃料電池的輸出動力提高至所期望的水平。在如上所述的燃料電池系統中，當燃料電池的水分布狀況是過高的濕度狀況時，組合狀態改善單元可以操作用于供應吹掃氣體的空氣壓縮機。以這種方式，可以將燃料電池的水分布狀況控制到合適的范圍內，并且可以在早期將作為主電源的燃料電池的輸出動力提高至所期望的水平。 在如上所述的燃料電池系統中，當燃料電池的水分布狀況是過低的濕度狀況時，組合狀態改善單元可以調節燃料電池的背壓調節閥的開度，以便提高燃料電池的背壓并改善水分布狀況。此外，當燃料電池的水分布狀況是過低的濕度狀況時，組合狀態改善單元可以控制用于燃料電池的冷卻劑循環泵的運行，以便降低燃料電池的溫度并改善水分布狀況。以這種方式，可將燃料電池的水分布狀況控制到合適的范圍內，并且可在早期將作為主電源的燃料電池的輸出動力提高至所期望的水平。
參考附圖將在以下本發明的示例實施例的詳細說明中描述該發明的特征、優點和技術及工業意義，在附圖中相同的附圖標記指示相同的元件，并且其中圖I是圖示根據本發明的一個實施例的燃料電池系統的構造的視圖；以及圖2是圖示圖I的燃料電池系統中燃料電池主體的構造的視圖；圖3是可用于說明作為圖I的燃料電池系統中的組合范圍的有利的組合范圍的視圖，在該組合范圍中燃料電池的水分布狀況和蓄電裝置的充電狀態的組合適合于車輛的所需動力；圖4是圖示在圖I的燃料電池系統中燃料電池與蓄電裝置之間的有效動力分配的過程的流程圖；圖5A和圖5B是可用于說明在圖I的燃料電池系統中，當車輛在最大輸出狀況下時，或者當燃料電池在從燃料電池運行暫停的狀況到燃料電池的運行恢復的狀況的過渡中時，將所需輸出有效分配給燃料電池和蓄電裝置的方式的視圖；圖6是可用于說明在圖5A的情況下的動力分配方法的一個示例的視圖；圖7是可用于說明在圖5A的情況下的動力分配方法的另一示例的視圖；圖8A和圖8B是可用于說明在圖I的燃料電池系統中，當車輛起動時，或者當車輛在用蓄電裝置的輸出的電池運行模式下運行時，將所需動力有效分配給燃料電池和蓄電裝置的方式的視圖；以及圖9是可用于說明在圖8A的情況下的動力分配方法的另一示例的視圖。
具體實施例方式將參考附圖詳細描述根據本發明的一個實施例的燃料電池系統。盡管將一臺發電電機解釋為利用燃料電池系統的輸出的外部負載，但是外部負載可由兩個或更多個發電電機組成。此外，外部負載還可包括不同于發電電機的一個或多個電設備。如以下將描述的水分布狀況的最佳范圍與有利范圍以及SOC的最佳范圍與有利范圍僅是示例性的，并且例如可取決于燃料電池系統的規格、燃料電池主體的特性和蓄電裝置的特性按照需要改變。在所有的附圖中，相同的附圖標記被分配給相同的或對應的元件，并且將不重復說明這些元件。此外，在該說明書中，已用于標識某些元件的附圖標記按照需要用于標識相同的或對應的元件。圖I圖示了安裝在電動車輛上的燃料電池系統10的構造。燃料電池系統10包括 用作驅動源的燃料電池30和蓄電裝置14，并且根據電動車輛的所需輸出92來運行，以便將所需電力供應至負載。在圖I中，圖示了作為外部負載的發電電機12，但其不是燃料電池系統10的組成元件。在該實施例中，發電電機12是安裝在車輛上的電動發電機(Μ/G)的形式，電動發電機(Μ/G)是三相同步型發電電機，其在向其供應電力時用作電動機，并且在制動期間用作發電機。燃料電池系統10包括上述蓄電裝置14和燃料電池30、電力電路16、控制器90和存儲器94。蓄電裝置14是高壓可再充電/可放電的二次電池，并且具有例如當燃料電池30起動時，或者當燃料電池30的輸出達不到或者小于負載所需電力時將電力供應至負載的功能。在此提及的負載表示安裝在車輛上并且可用電能運行的負載，并且包括諸如逆變器28和在燃料電池30中包括的供吹掃操作和水合操作使用的各種附件的內部負載，以及作為外部負載的發電電機12。作為蓄電裝置14，可使用具有大約200V至大約300V的端子電壓的鋰離子電池組件或鎳氫電池組件，或者電容器等等。作為所謂的高壓電池的蓄電裝置14通常簡稱為電池。因此，蓄電裝置14按照需要被表示為“電池”或“BAT”。作為蓄電裝置14的溫度的蓄電裝置溫度和指示蓄電裝置14的充電狀態的SOC數據經由合適的信號線被發送至控制器90。SOC可由通過監測流入蓄電裝置14的充電電流和從蓄電裝置14流出的放電電流所計算的值來表示。電力電路16中的BAT電壓轉換器20是設置在蓄電裝置14與負載之間的電池電壓轉換器，并進行蓄電裝置14的端子電壓與負載側的電壓之間的電壓電平轉換。在此，BAT表不電池。BAT電壓轉換器20包括電抗器和開關裝置。FC電壓轉換器24是設置在燃料電池30與負載之間的燃料電池電壓轉換器，并進行燃料電池30的端子電壓與負載側的電壓之間的電壓電平轉換。在此，FC表示燃料電池。FC電壓轉換器24包括電抗器和開關裝置。逆變器28是具有下述功能的電路，即將高壓dc電力轉換成作為三相驅動力的ac電力并將ac電力供應至發電電機12的功能，以及將作為從發電電機12接收的三相再生電力的ac電力轉換成高壓dc充電電力的功能。逆變器28可由包括一個或多個開關裝置、一個或多個二極管等的電路組成。平滑電容器18、22、26是用于平滑的電容元件，用于減少蓄電裝置14、燃料電池30和逆變器18的電壓與電流的波動。燃料電池30包括FC主體40、吹掃單元32和水合單元34。圖2是可用于說明燃料電池30的構造的視圖。FC主體40包括燃料電池堆42和其運行所需的各種附件。燃料電池堆42是通過組合多個燃料電池(即，單元電池)形成的一種電池組件，使得可從燃料電池堆42得到大約200V至大約300V的高壓電力。每個燃料電池具有諸如氫的燃料氣體被供應到的陽極側、諸如空氣的氧化氣體被供應到的陰極側以及固態聚合物膜的形式的電解質膜，通過電解質膜發生電化學反應，以便提供所需電力。各種附件粗略地分類成構成燃料氣體供應系統44的附件、構成氧化氣體供應系 統46的附件和構成冷卻系統48的附件。燃料氣體供應系統44是氣體供應單元，其具有以合適的壓力和流量向燃料電池堆42供應其運行所需的燃料氣體的功能。燃料氣體供應系統44包括入口側通道部分和出口側通道部分，在入口側通道部分中，燃料氣體從充滿高壓氫氣的燃料氣體罐50經由截止閥52、粗略地調節壓力和流量的調節閥54和將燃料氣體的壓力和流量調節至合適值的氫供應裝置56被供應至燃料電池堆42的輸入端口，并且已穿過燃料電池堆42并從燃料電池堆42的輸出端口排出的廢氣流過出口側通道部分。氣液分離器(未示出)設置在出口側通道中，用于將已用于燃料電池堆42并包含水蒸汽的廢氣分離成氫氣和含水摻雜氣體。設置在連接出口側通道與入口側通道的循環通道中的氫泵58是使從氣液分離器饋送的氫氣返回到入口側通道中的循環泵。從氣液分離器饋送的含水摻雜氣體經由在合適的時間打開和關閉的截止閥64被饋送給稀釋裝置66，并利用從氧化氣體供應系統46接收的廢氣來稀釋，以排出至外部。氧化氣體供應系統46是氣體供應單元，其具有以合適的壓力和流量向燃料電池堆42供應其運行所需的氧化氣體的功能。氧化氣體供應系統46使用被指示成AIR 68的外部空氣作為供應源，并包括入口側通道部分和出口側通道部分，在入口側通道中，氧化氣體經由合適的過濾器(未示出)、作為空氣壓縮機的ACP 70和增濕器74被供應至燃料電池堆42的輸入端口，并且已穿過燃料電池堆42并從燃料電池堆42的輸出端口排出的廢氣流過出口側通道部分。采用以上布置，作為燃料氣體的氫氣和作為氧化氣體的增壓空氣被供應至燃料電池堆42。這些氣體經由電解質膜彼此電化學反應，以產生熱，產生作為反應產物的水，并且產生電動勢。結果，產生電力，并且由此產生的電力，作為燃料電池30的輸出動力，被輸出到FC電壓轉換器24。可操作設置在氧化氣體供應系統46的出口側通道部分中的背壓調節閥72可來限制或調節燃料電池堆42中的氧化氣體的壓力。作為已穿過背壓調節閥72的反應產物的含水廢氣作為增濕氣體被饋送至增濕器74，以便使流過入口側通道部分的氧化氣體增濕。在增濕之后從增濕器74排出的廢氣被饋送至稀釋裝置66。冷卻系統48具有使冷卻劑循環以便將燃料電池堆42保持在適合于電化學反應的運行溫度的功能。冷卻系統48包括冷卻劑循環泵80、散熱器82和用于控制朝散熱器82引導的冷卻劑的流量的三通閥84。如圖2所示，提供壓力計60、78、流量計62、76和溫度計86，用于測量氫氣輸入壓
力PH、由氫泵58返回的氫氣的流量QH、氧氣流量Q。、由背壓調節閥72調節的氧化氣體壓力P0以及冷卻劑溫度Θ w。吹掃單元32和水合單元34提供具有控制上述各種附件的運行的功能的控制單元，以便實現燃料電池堆42合適的水分布狀況。如上所述，在燃料電池堆42中包括的電解質膜需要具有合適的濕度，以便使得燃料電池30能夠發電。燃料電池堆42的上述水分布狀況指示在電解質膜處測量的濕度或者電解質膜的含水量。可通過測量燃料電池堆42的阻抗獲得表示水分布狀況的值。例如，可通過向燃料電池堆24的輸出端子施加合適的ac信號并利用該ac信號測量燃料電池堆42的阻抗來獲得與指示水分布狀況的含水量對應的值。如此獲得的指示水分布狀況的含水量的數據經由 合適的信號線被發送至控制器90。當燃料電池堆42的水分布狀況為過高的濕度狀況時，即當含水量大到使得燃料電池堆42的輸出特性不令人滿意時，吹掃單元32控制用于從燃料電池堆42吹掃水的一個或多個附件的運行。例如，提高ACP (空氣壓縮機)70的旋轉速度等，以便提高供應至燃料電池堆42的氧化氣體的量。在該情況下，可提供旁路增濕器74的合適的通道，并且可經由旁路通道向燃料電池堆42饋送大量干的氧化氣體。因此，可通過控制ACP 70的運行來進行吹掃操作，以便提高供應至燃料電池堆42的氧化氣體的流量和壓力。當燃料電池堆42的含水量高于60%時，可認為水分布狀況是過高的濕度狀況。當燃料電池堆42的水分布狀況為過低的濕度狀況時，即當含水量小到使得燃料電池堆42的輸出特性不令人滿意時，水合單元34控制用于提高燃料電池堆42的含水量的一個或多個附件的運行。例如，通過調節背壓調節閥72的開度和提高燃料電池堆42的背壓來進行用于限制氧化氣體的流動的控制。因此，如果充分限制氧化氣體的流動，則已穿過增濕器74的充足量的增濕氧化氣體剩余在燃料電池堆42中，由此可提高含水量。還可通過提高冷卻劑循環泵80的旋轉速度以便提高饋送到燃料電池堆42中的冷卻劑的流量，來提高含水量。隨著冷卻劑流量提高，燃料電池堆42的溫度降低，并且燃料電池堆42內的濕度可以被提高。當燃料電池堆42的含水量低于40%時，可認為水分布狀況是過低的濕度狀況。 還可通過提高氫泵58的旋轉速度以便提高從燃料氣體供應系統44的輸出端口饋送回入口側通道的氫氣的量，來提高含水量。以這種方式，包含于陽極側處的氫氣中的水可返回至陰極側，使得可提高燃料電池堆42的含水量。返回參考圖1，控制器90根據作為從車輛控制系統(未示出)接收的命令的所需輸出92，總體上控制構成燃料電池系統10的相應元件的運行。就此而論，所需輸出92是通過將在車輛的運行期間由安裝在車輛上的所有電設備所需電力轉換成燃料電池系統10的輸出而獲得的值。更準確地說，所需電力包括發電電機12用于使車輛運行所需的電力、連接至發電電機12的電力電路16所需的電力、構成燃料電池30的各種附件所需的電力以及空調器、音頻設備、小電動機、控制電路等所需的電力。除上述綜合控制功能之外，特別地，控制器90具有鑒于燃料電池30的水分布狀況和蓄電裝置14的充電狀態控制燃料電池30和蓄電裝置14的輸出或動力的有效分配的功能。控制器90可由適合于安裝在車輛上的計算機組成。控制器90包括水分布狀況估計與獲取單元100，其估計并獲取燃料電池30的水分布狀況；充電狀態估計與獲取單元102，其獲取蓄電裝置14的充電狀態；組合狀態確定單元104 ;和組合狀態改善單元106。組合狀態確定單元104根據預定標準將有利的組合范圍設定成這樣的組合范圍，即在該組合范圍內，燃料電池30的水分布狀況與蓄電裝置14的充電狀態的組合適合于車輛的所需動力，并確定所獲取的水分布狀況與所獲取的充電狀態的實際組合是否在有利的組合范圍內。如果實際組合不在有利的組合范圍內，則組合狀態改善單元106利用蓄電裝置14的輸出來改善燃料電池30的水分布狀況，使得實際組合移至有利的組合范圍內。
上述功能可由軟件，更準確地說通過執行燃料電池系統控制程序，來實現。這些功能的一部分可由硬件實現。連接至控制器90的存儲器94存儲燃料電池系統控制程序，并且尤其還存儲有利的組合范圍96，有利的組合范圍96作為這樣的組合范圍，即在該組合范圍內，燃料電池30的水分布狀況與蓄電裝置14的充電狀態的組合適合于車輛的所需動力。合適的存儲器可用作存儲器94。圖3示出了有利的組合范圍96的一個示例。該示例的有利的組合范圍96由圖3的映射中的陰影區域指示，其中水平軸指示表示蓄電裝置14的充電狀態的S0C，并且垂直軸指示表示燃料電池30的水分布狀況的含水量。在有利范圍中包括的更加有利范圍被表示成最佳范圍，最佳范圍由圖3的映射中的雙陰影區域指示。盡管存儲器94以如圖3所示的映射的形式存儲有利的組合范圍等，但是存儲器94可以以指示所接收的含水量與SOC的組合是否在有利范圍內的二進制輸出(I或者O)的形式，或者以表示有利范圍與不同于有利范圍的區域之間的邊界的數學表達式的形式來存儲有利范圍。順便提及，最佳范圍是燃料電池30的水分布狀況在推薦的運行范圍內并且蓄電裝置的充電狀態在推薦的運行范圍內的范圍。在圖3中，SOC的范圍被分成五個區，這五個區由作為邊界的值ApA2、A3、A4限定。在這些區中，A2與^之間的區是根據現有技術被指定為蓄電裝置14的推薦運行范圍的SOC范圍。盡管在A2與A3之間的區之外的、A1與A2之間的區和A3與A4之間的區不是蓄電裝置14的推薦運行范圍，但它們是其中蓄電裝置14可在不使其特性劣化的情況下運行的許可運行范圍。在A1下方的區和在A4上方的區是其中蓄電裝置14的特性可能劣化的禁止運行范圍。例如，如果SOC的推薦運行范圍是從40%到60%，則許可運行范圍可設定至從30%到70%的范圍。應理解的是，這些數字僅是示例性的，并且是為了說明而提供的。此外，含水量的范圍被分成五個區，這五個區由作為邊界的值VB2、B3、B4限定。在這些區中，B2與B3之間的區是根據現有技術被指定為燃料電池30的推薦運行范圍的含水量的范圍。盡管在B2與B3之間的區之外的、B1與B2之間的區和B3與B4之間的區不是燃料電池30的推薦運行范圍，但它們是其中燃料電池30可在不使其特性劣化的情況下運行的許可運行范圍。在B1下方的區和在B4上方的區是其中燃料電池30的特性可能劣化的禁止運行范圍。盡管含水量的值取決于其定義或測量含水量的方法而改變，但是由特定標準定義的含水量的百分比可被用作含水量。如果使用如此定義的含水量，則含水量的許可運行范圍可設定為30%到70%，其中推薦運行范圍例如是40%到60%。應理解的是，這些數字僅是示例性的，并且是為了說明而提供的。根據現有技術，SOC的范圍從A2到A3并且含水量的范圍從B2到B3的區被認為是燃料電池系統的推薦運行范圍。在圖3中,低SOC側運行范圍112和高SOC側運行范圍114被設定在推薦運行范圍110之外。低SOC側運行范圍112是其中SOC低的區，但含水量在推薦運行范圍內。在該區中，燃料電池系統能夠通過利用燃料電池30的輸出補償蓄電裝置14的輸出的不足，來滿足所需動力。高SOC側運行范圍114是其中SOC充足高的區，但含水量在推薦運行范圍外。在該區中，燃料電池系統能夠通過利用蓄電裝置14的輸出補償燃料電池30的輸出的不足，來滿足所需動力。如從以上的說明所理解地，燃料電池30的水分布狀況與蓄電裝置14的充電狀態的組合的有利范圍96是通過將低SOC側運行范圍112和高SOC側運行范圍114加上現有技術的推薦運行范圍110所獲得的范圍。作為有利范圍中更優選的范圍的最佳范圍是推薦 運行范圍110。如果上述組合在有利范圍內，則燃料電池系統能夠在不引起燃料電池30的特性的劣化和不引起蓄電裝置14的特性的劣化的情況下，通過適當地確定燃料電池30的輸出與蓄電裝置14的輸出之間的比例，來滿足所需動力。將參考圖4描述如上所述構成的系統的運行，特別是控制器90的每種功能。圖4是圖示對燃料電池30與蓄電裝置14有效分配所需動力的過程的流程圖。圖4的過程的每個步驟對應于燃料電池系統控制過程的每個步驟。在一般情況下，燃料電池系統10進行正常控制，在正常控制下，系統10在推薦的運行范圍Iio中運行(S10)。即使燃料電池系統10在該范圍中運行,燃料電池30的水分布狀況與蓄電裝置14的充電狀態也時時改變；因此，以合適的時間間隔獲取水分布狀況的估計值與充電狀態的估計值(S12、S14)。這些步驟分別由控制器90的水分布狀況估計與獲取單元100和充電狀態估計與獲取單元102執行。更具體地說，控制器90獲取從燃料電池30發送的表示水分布狀況的含水量數據和從蓄電裝置14發送的表示充電狀態的SOC數據。然后，確定表示所獲取的水分布狀況的含水量與表示所獲取的充電狀態的SOC的實際組合是否在有利的組合范圍內(S16)。該步驟由控制器90的組合狀態確定單元104執行。更具體地說，組合狀態確定單元104讀取或檢索存儲在存儲器94中的有利的組合范圍96，并且如以上參考圖4所說明地確定所獲取的實際的含水量與SOC的組合是否在推薦運行范圍110、低SOC側運行范圍112或高SOC側運行范圍114內。如果實際的含水量與SOC的組合在這些范圍中的任一范圍內，則確定組合是有利組合，并且控制返回至步驟S10。如果實際的含水量與SOC的組合不在推薦運行范圍110、低SOC側運行范圍112和高SOC側運行范圍114中的任一范圍內，則進行改善組合狀態的操作(S18)。該步驟由控制器90的組合狀態改善單元106執行。更具體地說，組合狀態改善單元106利用蓄電裝置14的輸出來改善燃料電池30的水分布狀況，使得指示實際組合的點移至有利的組合范圍內的點。如果實際組合已在有利范圍內但不在最佳范圍內，則進行進一步改善燃料電池30的水分布狀況的操作。一旦步驟S 18的操作完成，控制就返回至步驟S10，并且以固定的時間間隔重復上述過程。將參考圖5A至圖9描述組合狀態改善操作的示例。在圖5A至7的示例中，實際組合在低SOC側運行范圍122附近，其中蓄電裝置14的充電狀態不令人滿意，并且燃料電池30的水分布狀況同樣不令人滿意。在圖8A、圖8B和圖9的示例中，實際組合在高SOC側運行范圍114內，其中蓄電裝置14的充電狀態良好,但燃料電池30的水分布狀況不令人滿
O圖5A示出了蓄電裝置14的充電狀態不令人滿意，并且燃料電池30的水分布狀況同樣不令人滿意的情形。圖5B是有利的組合范圍96的低SOC側運行范圍112的一部分的放大圖，其中運行點120表示當前狀況。附圖標記122、124表示在將所需動力分配給燃料電池30和蓄電裝置14時運行點120移動到的運行點。運行點120根據圖4的過程移動到運行點122，并根據現有技術移動到運行點124，為了比較這在圖5B中示出。如圖5A和圖5B所示，當前運行點120在低SOC側運行范圍112之外。S卩，如果單獨觀察運行點120，則其指示燃料電池30的含水量在B2和B3的范圍內，并因而處于充足的狀況，但蓄電裝置14的充電狀態(SOC)沒有處于充足的水平。當與有利的組合范圍96相 比較時，運行點120在優選組合范圍96之外，并且燃料電池系統不能夠產生所需動力92，SP用戶所需要或期望的動力。該情形的示例包括例如車輛處于最大輸出狀況的情形，或者燃料電池30處于從燃料電池30的運行暫停或停止的狀況到燃料電池運行恢復的狀況的過渡的情形。當將加速器踏板完全壓下時(節氣門全開(W0T))，作為車輛的最大輸出狀況的示例，蓄電裝置14的輸出補償燃料電池30的輸出相對于所需動力92的不足。此時，如果蓄電裝置14的SOC小于A2,則即使當燃料電池30的含水量在B2與B3之間，燃料電池系統10的總輸出動力也可能不滿足所需動力92。當燃料電池30停止進行間歇運行時，作為燃料電池30處于從其運行暫停到其恢復的過渡的示例，由于燃料電池30保持處于其運行暫停的狀況，所以燃料電池30的含水量可在B2附近或者在B3附近。在這些情形下，從燃料電池系統10總體上的輸出狀況的角度來觀察，認為蓄電裝置14的充電狀態沒有處于充足的水平，并且燃料電池30的水分布狀況也不令人滿意。即，與有利的組合范圍96相比，表示含水量與SOC的組合的運行點120位于低SOC側運行范圍112之外。根據現有技術，由于燃料電池30的含水量在B2與B3之間，所以燃料電池30的運行可以繼續。在該情形下，盡管燃料電池30的含水量逐漸接近民與^之間的中點，但是由于從蓄電裝置14產生的動力被附件等消耗，所以蓄電裝置14的SOC變得越來越低，并且運行點變得難以達到低SOC側運行范圍112。圖5B所示的運行點表示根據現有技術建立的這種狀況。根據圖4的過程，在步驟S18中進行改善組合狀態的操作。在此，利用蓄電裝置14的輸出來改善燃料電池30的水分布狀況，使得如上所述，指示實際組合的運行點120移動到有利的組合范圍112內的運行點122。即，在該示例中，提早地加強使用蓄電裝置14的輸出，以便對燃料電池進行吹掃操作。如上所述，由吹掃單元32執行的吹掃操作包括提高ACP (空氣壓縮機)70的旋轉速度的步驟。如果燃料電池系統達到在有利的組合范圍96內的運行點122，則系統能夠產生相當于所需動力92的動力，并且獲得用戶期望的動力，從而確保改善的駕駛性能。
盡管可利用蓄電裝置14的輸出直接進行吹掃操作，但是可在由蓄電裝置14提供特定比例的所需動力92的同時進行吹掃操作。圖6和圖7示出了燃料電池系統的這種操作的兩個具體的示例。圖6示出了燃料電池30的輸出水平降低，并且蓄電裝置14由于燃料電池30的輸出水平的降低而補償輸出動力不足的示例。在圖6中，“FC”表示燃料電池30的輸出，并且“BAT”表示蓄電裝置14的輸出。因此，燃料電池30的輸出水平降低，使得排出至外部的水的量變得大于由電化學反應形成的水的量，由此實質上對燃料電池30進行了吹掃操作。在該示例中，在早期加強并有效地使用蓄電裝置14的輸出，以補償輸出動力相對于所需動力92的不足，而同時對燃料電池30進行吹掃操作，使得運行點移動到有利的組合范圍96內的點。圖7示出了一個示例，其中在從燃料電池30產生動力之前進行吹掃操作，并且在吹掃操作期間，僅由蓄電裝置14提供所需動力92。在該示例中，在早期加強并有效地使用蓄電裝置14的輸出，以提供整個所需動力92，而同時對燃料電池30進行吹掃操作，使得運 行點移動到有利的組合范圍96內的點。在圖5A和圖5B的示例中，運行點120位于大含水量區，大含水量區在低SOC側運行范圍112的大含水量邊界111的一側，這一側的含水量比另一側大。在該情況下，提早加強使用蓄電裝置14的輸出，以對燃料電池30進行吹掃操作。相反地，如果運行點120位于小含水量區，其中小含水量區在低SOC側運行范圍112的小含水量邊界的一側，這一側的含水量比另一側小，則提早加強使用蓄電裝置14的輸出，以對燃料電池30進行水合操作。水合操作由水合單元34實現。例如，調節背壓調節閥72的開度，或者控制冷卻劑循環泵的運行。接下來，圖8A示出了蓄電裝置14的充電狀態良好，但燃料電池30的水分布狀況不令人滿意的情形。圖8B是有利的組合范圍96的高SOC側運行范圍114的一部分的放大圖，其中運行點130表示當前狀況。如以下將討論地，附圖標記132、134和140指示在將所需動力分配給燃料電池30和蓄電裝置14時運行點130移動到的運行點。運行點130根據圖4的過程移動到運行點132、134，并根據現有技術移動到運行點140，為了比較這在圖SB中示出。如圖8A和圖SB所示，當前運行點130位于高SOC側運行范圍114內。然而，如果單獨觀察運行點130，則其指示燃料電池30的含水量超過B3并且不在作為推薦運行范圍的最佳范圍中，并且作為蓄電裝置14的充電狀態的SOC處于充足高的水平，但不在作為推薦運行范圍的最佳范圍內。當與有利的組合范圍96相比時，運行點130在有利的組合范圍96內，但位于作為最佳組合范圍的推薦運行范圍110之外，這表示燃料電池30的運行效率不一定處于最佳狀況。從用戶的觀點出發，燃料電池系統可能不能夠產生所需動力92，或者用戶期望的動力。該情形的示例包括例如車輛起動的情形，或者車輛處于車輛利用蓄電裝置14的輸出運行的電池運行模式的情形。當車輛起動時，蓄電裝置14已經通過燃料電池30充分地充電，并SOC可能超過A30由于當車輛起動時車速低，所以已發現優選的是，為了燃料電池系統10總體上更高的效率，用蓄電裝置14的輸出驅動車輛，而不是用燃料電池30驅動車輛。因此，燃料電池30不運行，并因此，含水量可能超過B2與B3之間的最佳范圍。在該情況下，車輛可以起動，但尚有在燃料電池30的含水量方面的進一步改善的余地。類似地，在車輛從電池運行模式轉變成FC運行模式的情形下，蓄電裝置14的SOC處于充足高的水平，但在燃料電池30的含水量方面尚有進一步改善的余地，其中，在電池運行模式下，同車輛起動時一樣，車輛用蓄電裝置15的輸出運行，并且在FC運行模式下，車輛用燃料電池30的輸出運行。在上述情形下，從燃料電池系統10總體上的輸出狀況的角度來觀察，由運行點130表示的組合指示蓄電裝置14的充電狀態是令人滿意的，但燃料電池30的水分布狀況不令人滿意。即，與有利的組合范圍96相比，作為含水量與SOC的組合的運行點130位于高SOC側運行范圍114內，但燃料電池30的含水量在最佳范圍之外。根據現有技術，車輛可在不運行燃料電池30的情況下，僅用蓄電裝置14的輸出保持運行。在該情況下，蓄電裝置14的SOC變得越來越低，但燃料電池30的含水量保持在相同的水平。結果，如圖8B的放大圖所示，運行點超出高SOC側運行范圍114的高 含水量邊界113，并且位于作為有利的組合范圍96的一部分的高SOC側運行范圍114之外。因此，SP使在用戶努力產生動力92的情況下，燃料電池系統也不能夠產生所需動力92。根據圖4的過程，在步驟S18中進行改善組合狀態的操作。更具體地說，將燃料電池30的含水量控制到最佳范圍內，使得運行點保留在作為有利的組合范圍96的一部分的高SOC側運行范圍114中。在此，利用蓄電裝置14的輸出來改善燃料電池30的水分布狀況，使得表示實際組合的運行點130保持在有利的組合范圍114內，并且將燃料電池30的含水量控制到最佳范圍內。即，在該示例中，利用蓄電裝置14的輸出對燃料電池30進行吹掃操作。如上所述，吹掃操作由吹掃單元32實現，并包括提高ACP (空氣壓縮機)70的旋轉速度的步驟。在圖8A和圖8B的示例中，初始地進行僅提供蓄電裝置14的輸出以便在不運行燃料電池30的情況下達到所需動力的操作。結果，燃料電池30的含水量保留在相同的水平，并且蓄電裝置14的SOC降低。于是，如果組合狀態達到緊接在邊界113前面或者在邊界113上的運行點132，則進行吹掃操作，以便降低燃料電池30的含水量并使指示組合狀態的運行點在平行于邊界113的方向上移動。吹掃操作可僅利用蓄電裝置14的輸出來進行，或者吹掃操作所需的動力可分配給燃料電池30的輸出和蓄電裝置14的輸出。運行點134指示由動力分配操作產生的狀況。在如此進行功率分配操作的情況下，可將組合狀態維持在有利的組合范圍內，并且可將燃料電池30的含水量控制到優選水平，以便更靠近最佳范圍。圖9示出了動力分配的另一示例。在該示例中，吹掃操作使組合狀態從初始運行點130在平行于邊界113的方向上移動。吹掃操作可僅利用蓄電裝置14的輸出進行，或者吹掃操作所需的動力可分配給燃料電池30的輸出和蓄電裝置14的輸出。運行點136指示由動力分配操作產生的狀況。在如此進行功率分配操作的情況下，可將組合狀態維持在有利的組合范圍內，并且可將燃料電池30的含水量控制到優選水平，以便更靠近最佳范圍。圖8A和圖8B圖示了運行點130位于高SOC側運行范圍114的大含水量邊界113附近，并且在該情形下對燃料電池30進行吹掃操作的情形。相比之下，在運行點130位于高SOC側運行范圍114的小含水量邊界附近的情形下，對燃料電池30進行水合操作。水合操作由水合單元34實現，并包括例如調節背壓調節閥72的開度或控制冷卻劑循環泵的操作的步驟。盡管已經參考本發明的示例實施例描述了本發明，但應理解的是，本發明不局限于所描述的實施例或結構。相反地，本發明旨在包括各種變型和等同的布置。另外，盡管以 各種組合和構造示出了示例實施例的各種元件，但包括更多、更少或僅單個的元件的其他組合和構造同樣在本發明的范圍內。
權利要求
1.一種用于車輛的燃料電池系統，所述燃料電池系統包括 水分布狀況估計單元，所述水分布狀況估計單元用于估計并獲取燃料電池的水分布狀況； 充電狀態獲取單元，所述充電狀態獲取單元用于獲取蓄電裝置的充電狀態； 確定單元，所述確定單元根據預定標準而將有利的組合范圍設定成這樣的組合范圍，即，在該組合范圍中所述燃料電池的水分布狀況與所述蓄電裝置的充電狀態的組合適合于所述車輛的所需動力，并且所述確定單元確定所獲取的水分布狀況與所獲取的充電狀態的實際組合是否在所述有利的組合范圍內；以及 組合狀態改善單元，所述組合狀態改善單元在所述實際組合不在所述有利的組合范圍內時利用所述蓄電裝置的輸出來改善所述燃料電池的水分布狀況，以便使所述實際組合移至所述有利的組合范圍內。
2.根據權利要求I所述的燃料電池系統，其中， 當所述車輛起動或者在用所述蓄電裝置的輸出的電池運行模式下運行，并且所述確定單元確定所述實際組合使得所述蓄電裝置的充電狀態處于充足的水平，但是所述燃料電池的水分布狀況不能令人滿意時，所述組合狀態改善單元利用所述蓄電裝置的輸出來改善所述燃料電池的水分布狀況。
3.根據權利要求I所述的燃料電池系統，其中， 當所述車輛處于最大輸出狀況或者所述燃料電池處于從所述燃料電池的運行暫停的狀況到所述運行恢復的狀況的過渡，而所述確定單元確定所述實際組合使得所述蓄電裝置的所述充電狀態處于不足的水平，并且所述燃料電池的水分布狀況不能令人滿意時，所述組合狀態改善單元利用所述蓄電裝置的輸出來改善所述燃料電池的水分布狀況。
4.根據權利要求I所述的燃料電池系統，其中， 當所述燃料電池的所述水分布狀況是過高的濕度狀況時，所述組合狀態改善單元操作用于供應吹掃氣體的空氣壓縮機。
5.根據權利要求I所述的燃料電池系統,其中， 當所述蓄電裝置的充電狀態處于不足的水平并且所述燃料電池的水分布狀況是過高的濕度狀況時，所述組合狀態改善單元操作用于供應所述吹掃氣體的所述空氣壓縮機。
6.根據權利要求I所述的燃料電池系統，其中， 當所述燃料電池的所述水分布狀況是過低的濕度狀況時，所述組合狀態改善單元調節所述燃料電池的背壓調節閥的打開程度，以便提高所述燃料電池的背壓并且改善水分布狀況。
7.根據權利要求I所述的燃料電池系統,其中， 當所述燃料電池的所述水分布狀況是過低的濕度狀況時，所述組合狀態改善單元控制用于所述燃料電池的冷卻劑循環泵的運行，以便降低所述燃料電池的溫度并且改善水分布狀況。
8.根據權利要求I所述的燃料電池系統，其中， 所述有利的組合范圍具有這樣的最佳范圍，即，在所述最佳范圍中，所述燃料電池的水分布狀況在推薦的運行范圍內，并且所述蓄電裝置的所述充電狀態在推薦的運行范圍內，并且所述組合狀態改善單元使所述實際組合移至所述最佳范圍內。
9.一種控制燃料電池系統的方法，所述方法包括 估計并獲取燃料電池的水分布狀況； 獲取蓄電裝置的充電狀態； 根據預定標準，將有利的組合范圍設定成這樣的組合范圍，即在該組合范圍中所述燃料電池的水分布狀況與所述蓄電裝置的充電狀態的組合適合于車輛所需動力； 確定所獲取的水分布狀況和所獲取的充電狀態的實際組合是否在所述有利的組合范圍內；并且當所述實際組合不在所述有利的組合范圍內時，利用所述蓄電裝置的輸出來改善所述燃料電池的水分布狀況，以便使所述實際組合移至所述有利的組合范圍內。
全文摘要
一種燃料電池系統(10)，其包括蓄電裝置(14)、燃料電池(30)、電力電路(16)、控制器(90)和存儲器(94)。存儲器(94)存儲有利組合范圍(96)，在有利組合范圍(96)中燃料電池(30)的水分布狀況與蓄電裝置(14)的充電狀態的組合適合于車輛的所需動力，并且控制器(90)包括水分布狀況估計與獲取單元(100)，其獲取燃料電池(30)的水分布狀況；充電狀態獲取單元(102)，其獲取蓄電裝置(14)的充電狀態；組合狀態確定單元(104)，其確定所獲取的水分狀況和所獲取的充電狀態的組合是否在有利組合范圍內；以及組合狀態改善單元(106)，其在組合不在有利組合范圍內時，改善燃料電池(30)的水分布狀況。
文檔編號H01M8/00GK102906922SQ201180025029
公開日2013年1月30日 申請日期2011年5月9日 優先權日2010年5月20日
發明者松末真明 申請人:豐田自動車株式會社