燃料電池系統的制作方法

燃料電池系統的制作方法
【專利摘要】FC升壓轉換器（14）具備分別具有電抗器（32）的多個轉換部（31a～31d），在一個轉換部（31a）上設有檢測電抗器（32）的溫度的熱敏電阻（35），ECU41以規定的變化率限制轉換部（31a～31d）的輸出。設有熱敏電阻（35）的轉換部（31a）在熱敏電阻（35）的檢測溫度成為限制開始溫度Tc’的時點開始輸出限制，所述限制開始溫度Tc’是根據從電抗器（32）的標準耐熱溫度Tmax減去熱敏電阻（35）的誤差ta而得到的基準耐熱溫度Ta求出的溫度，未設有熱敏電阻（35）的轉換部（31b～31d）在熱敏電阻（35）的檢測溫度成為限制開始溫度Tc”的時點開始輸出限制，所述限制開始溫度Tc”是根據從電抗器（32）的基準耐熱溫度Ta減去電抗器（32）的特性的波動的溫度tc而得到的允許溫度Tb’求出的溫度。
【專利說明】燃料電池系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及具備燃料電池和多個電壓變換器的燃料電池系統。
【背景技術】 [0002]例如在具備電動機的車輛中，公知具備如下裝置的結構:電壓變換器，變換由發電裝置發電的電壓而對直流電源進行充電，且將該變換后的電壓向與直流電源并聯連接的輔機供給；及控制裝置，以當電壓變換器的通電電流超過規定值時限制輔機的負載的方式控制輔機(例如參照專利文獻I)。
[0003]【專利文獻I】日本特開2006-288024號公報

【發明內容】

[0004]在上述的系統中，由于大電流流向作為電壓變換器的升壓轉換器的電抗器，所以設有熱敏電阻進行控制以避免電抗器變成過高的溫度。
[0005]然而，近年來，作為電壓變換器即升壓轉換器，伴隨燃料電池的進一步高輸出化，存在使用具備多個電抗器的多相的轉換器即多相轉換器的情況，但在這種多相轉換器中，通過設于各相的熱敏電阻分別控制各相的電抗器的溫度時，熱敏電阻的設置數量增加，會導致成本提高。
[0006]該情況下，可考慮對特定的相設置熱敏電阻，通過該熱敏電阻控制所有相的電抗器的溫度。但是，該情況下，必須對所有的電抗器考慮特性的波動、熱敏電阻的測定誤差及由駕駛性能(駕駛舒適性)設定的負載率的限制，成為冗長的控制。因此，必須抑制為相比實際的耐熱溫度相當低的溫度來進行電抗器的溫度控制，效率差。
[0007]本發明鑒于上述問題而創立，其目的在于提供能夠抑制成本并實現高效率化的燃料電池系統。
[0008]為了實現上述目的，本發明的燃料電池系統中，具有:由燃料氣體和氧化氣體的電化學反應進行發電的燃料電池；使來自該燃料電池的電力升壓的升壓轉換器；及進行所述升壓轉換器的輸出控制的控制部，
[0009]所述升壓轉換器具備分別具有電抗器的多個轉換部，在這些多個轉換部中的一部分的轉換部設置有檢測所述電抗器的溫度的溫度傳感器，所述控制部能夠以規定的變化率限制所述轉換部的輸出，其中，
[0010]所述控制部利用設置有所述溫度傳感器的轉換部、未設置有所述溫度傳感器的轉換部來使所述輸出的限制開始溫度不同。
[0011]更具體而言，設置有所述溫度傳感器的轉換部在所述溫度傳感器的檢測溫度為根據所述電抗器的耐熱溫度求出的限制開始溫度的時點開始輸出限制，未設置有所述溫度傳感器的轉換部在所述溫度傳感器的檢測溫度為根據允許溫度求出的限制開始溫度的時點開始輸出限制，所述允許溫度通過從所述電抗器的耐熱溫度減去所述電抗器的特性的波動的溫度而得到。[0012]根據該構成的燃料電池系統，能夠通過具有多個轉換部的多相升壓轉換器應對燃料電池的大電流化，而且由于在多個轉換部中的一部分轉換部上設置溫度傳感器而進行轉換部的輸出控制，因此與在全部的轉換部上設有溫度傳感器的情況相比較，能夠大幅減少成本。而且，僅對于未設置有溫度傳感器的轉換部減去電抗器的特性的波動的溫度而設定限制開始溫度，因此能夠提高整體的限制開始溫度。由此，能夠驅動各電抗器直至本來能發揮的性能的限度附近，能夠實現高效率化。另外，也能夠不需要針對電抗器的過度的散熱結構、耐熱結構，能夠進一步降低成本。
[0013]另外，在本發明的燃料電池系統中，也可以是，對于設置有所述溫度傳感器的轉換部的輸出限制的變化率設定成小于對于未設置有所述溫度傳感器的轉換部的輸出限制的
變化率。[0014]另外，本發明的燃料電池系統中，也可以是，解除對于所述轉換部的輸出限制的時刻相對于輸出限制向低溫側偏移。
[0015]另外，本發明的燃料電池系統中，也可以是，所述升壓轉換器能夠伴隨著所述升壓轉換器的輸出的增加以使被驅動的轉換部的數量增加的方式切換驅動相數，所述溫度傳感器設置于最初被驅動的相的轉換部。
[0016]另外，本發明的燃料電池系統中，也可以是，所述控制部基于預先求出的所述轉換部的電抗器的發熱特性來決定所述波動的溫度。
[0017]【發明效果】
[0018]根據本發明的燃料電池系統，能夠抑制成本并實現高效率化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的一實施方式的燃料電池系統的概略電路圖。
[0020]圖2是表示參考例I中的電抗器的溫度和負載率之間的關系的坐標圖。
[0021]圖3是表示參考例2中的電抗器的溫度和負載率之間的關系的坐標圖。
[0022]圖4是表示第I實施方式中的電抗器的溫度和負載率之間的關系的坐標圖。
[0023]圖5是表示另一實施方式中的電抗器的溫度和負載率之間的關系的坐標圖。
[0024]圖6是表不又一實施方式中的電抗器的溫度和負載率之間的關系的坐標圖。
[0025]圖7是表不多相轉換器中的輸出和效率之間的一般關系的坐標圖。
[0026]【標號說明】
[0027]11燃料電池系統
[0028]12燃料電池
[0029]13驅動電動機
[0030]14FC升壓轉換器(升壓轉換器)
[0031]31a~31d轉換部
[0032]32電抗器
[0033]35熱敏電阻(溫度傳感器)
[0034]41ECU (控制部)
[0035]Ta基準耐熱溫度(耐熱溫度)
[0036]Tb’允許溫度[0037]Tc’，Tc’ ’限制開始溫度
[0038]tc波動的溫度
【具體實施方式】
[0039]以下，參照【專利附圖】

【附圖說明】本發明的燃料電池系統的實施方式。本實施方式中，對于使用本發明的燃料電池系統作為燃料電池車輛(FCHV ;Fuel Cell Hybrid Vehicle)的車載發電系統的情況進行說明。
[0040]參照圖1，說明本實施方式的燃料電池系統的構成。
[0041]如圖1所示，燃料電池系統11具備通過作為反應氣體的氧化氣體和燃料氣體的電化學反應產生電力的燃料電池12。
[0042]燃料電池12例如是高分子電解質型燃料電池，形成為將多個單電池層疊而成的電池組結構。單電池形成為如下結構:在由離子交換膜構成的電解質的一個面上具有空氣極，在另一個面上具有燃料極，還具有一對隔板以從兩側夾持空氣極及燃料極。該情況下，向一個隔板的氫氣流路供給氫氣，向另一個隔板的氧化氣體流路供給作為氧化氣體的空氣，通過這些反應氣體發生化學反應而產生電力。
[0043]該燃料電池12與用于使車輛行駛的驅動電動機(驅動源、負載)13連接，向驅動電動機13供給電力。在從該燃料電池12向驅動電動機13的電力供給路徑上，從燃料電池12側起依次連接有FC升壓轉換器(升壓轉換器)14、電容器15及驅動逆變器16。
[0044]這樣，燃料電池系統11中，由燃料電池12發電產生的電力利用FC升壓轉換器14升壓，經由驅動逆變器16向驅動電動機13供電。
[0045]FC升壓轉換器14是作為多相的轉換器的多相轉換器，具備多個(本例中為4個)轉換部31a?31d。這些轉換部31a?31d分別具備電抗器32、晶體管33及二極管34，在一個轉換部31a上設有熱敏電阻(溫度傳感器)35。
[0046]驅動電動機13例如為三相交流電動機，連接有驅動電動機13的驅動逆變器16將直流電流變換為三相交流，并向驅動電動機13供給。
[0047]另外，燃料電池系統11具備向驅動電動機13供給電力的蓄電池21。在從該蓄電池21向驅動電動機13的電力供給路徑上連接有蓄電池升壓轉換器23。本發明的燃料電池系統也可以為不具備該蓄電池升壓轉換器23的構成。
[0048]該蓄電池21的電力供給路徑與燃料電池12的電力供給路徑連接，來自蓄電池21的電力能夠向驅動電動機13供給。
[0049]本實施方式的蓄電池升壓轉換器23為直流的電壓變換器，具有調整從蓄電池21輸入的直流電壓而向驅動電動機13側輸出的功能和調整從燃料電池12或驅動電動機13輸入的直流電壓而向蓄電池21輸出的功能。通過這種蓄電池升壓轉換器23的功能，實現蓄電池21的充放電。另外，通過蓄電池升壓轉換器23，控制燃料電池12的輸出電壓。蓄電池21能夠對剩余電力進行充電或輔助地供給電力。
[0050]燃料電池系統11具備具有易失性存儲器40的E⑶(控制部)41。在該ECU41上連接有燃料電池12、FC升壓轉換器14、蓄電池21、蓄電池升壓轉換器23、驅動逆變器16及驅動電動機13，E⑶41控制這些燃料電池12、FC升壓轉換器14、蓄電池21、蓄電池升壓轉換器23、驅動逆變器16及驅動電動機13。另外，向E⑶41發送來自設置于FC升壓轉換器14的轉換部31a的熱敏電阻35的檢測溫度的信號。并且，E⑶41基于轉換部31a的熱敏電阻35的檢測溫度，控制構成FC升壓轉換器14的轉換部31a~31d的輸出。
[0051]接著，說明由E⑶41進行的轉換部31a~31d的控制。此外，由本發明的燃料電池系統的控制部進行的升壓轉換器的控制中，至少包括升壓轉換器的輸出控制、及多個轉換部的驅動數的切換控制、換言之升壓轉換器的驅動相數的切換控制。
[0052]首先，說明參考例的控制。
[0053](參考例I)
[0054]說明在轉換部31a~31d的各個上分別設置熱敏電阻35而被這些熱敏電阻35控制的情況。 [0055]如圖2所示，E⑶41利用由實際被驅動的轉換部31a~31d的輸出相對于驅動所有轉換部31a~31d時的輸出來定義的負載率(有時也稱為負載限制率)控制輸出，以避免超過從電抗器32的標準耐熱溫度Tmax減去熱敏電阻35的誤差ta而得到的基準耐熱溫度Ta。此外，該誤差ta是設定了能夠作為相對于真正的溫度的熱敏電阻35的測定誤差來考慮的最大的誤差值的數值，例如采用熱敏電阻35的設計規格書等記載的數值。
[0056]另外，在各電抗器32達到基準耐熱溫度Ta的時點設電抗器32的負載率為O并使轉換部31a~31d的輸出停止時，由于轉換部31a~31d的輸出停止而車輛也停止。因此，E⑶41在電抗器32達到基準耐熱溫度Ta前開始限制電抗器32的負載率，使轉換部31a~31d的輸出逐漸降低。由該負載率的限制引起的輸出的變化率基于作為駕駛舒適性的指標的駕駛性能而設定，例如以10%/°c的比例進行。確保更良好的駕駛性能時，變化率相比該比例減小，若變化率比該比例大，則駕駛性能相對下降。
[0057]控制轉換部31a~31d的輸出的情況下，考慮使電抗器32的負載率從100%轉移到0%為止的溫度變化tb。
[0058]即，在全部的轉換部31a~31d上設置熱敏電阻35而控制負載率的情況下，從限制開始溫度Tc開始進行轉換部31a~31d的輸出限制，所述限制開始溫度Tc為相對于從標準耐熱溫度Tmax減去熱敏電阻35的誤差ta而得到的基準耐熱溫度Ta進一步減去考慮了駕駛性能的負載率的限制引起的溫度變化tb而得到的溫度。
[0059]例如，電抗器32的標準耐熱溫度Tmax為170°C、熱敏電阻35的誤差ta為7°C時，基準耐熱溫度Ta為163°C。并且，設考慮了駕駛性能的負載率的限制的變化率為10%/°C的情況下，該負載率的限制引起的溫度變化tb為10°C (= 100%+10%/°C)，限制開始溫度Tc(Tc = Ta-tb)為 1530C ο
[0060]但是，如上所述，在所有的轉換部31a~31d上設置熱敏電阻35并通過這些熱敏電阻35進行轉換部31a~31d的輸出控制的系統中，會導致成本提高。
[0061](參考例2)
[0062]接著，對設于一個轉換部31a的熱敏電阻35中的一般控制進行說明。
[0063]該情況下，也如圖3所示，E⑶41控制作為負載率的輸出，以避免超過從電抗器32的標準耐熱溫度Tmax減去熱敏電阻35的誤差ta而得到的基準耐熱溫度Ta。
[0064]在此處，電抗器32由于發熱特性等的特性的波動而在耐熱溫度上也存在波動。因此，關于未設置熱敏電阻35的轉換部31b~31d的電抗器32，需要考慮相對于檢測轉換部31a的電抗器32的溫度的熱敏電阻35的檢測溫度的電抗器32的標準耐熱溫度Tmax的波動的溫度tc。
[0065]若考慮該溫度tc，則需要進行輸出控制，以避免超過允許溫度Tb，該允許溫度Tb是相對于從標準耐熱溫度Tmax減去熱敏電阻35的誤差ta而得到的基準耐熱溫度Ta進一步減去電抗器32的溫度tc而得到的溫度。于是，限制開始溫度Tc成為相對于該允許溫度Tb進一步減去考慮了駕駛性能的負載率的限制所引起的溫度變化tb而得到的溫度。
[0066]例如，電抗器32的標準耐熱溫度Tmax為170°C、熱敏電阻35的誤差ta為7°C、溫度tc為20°C時，允許溫度Tb成為143°C。并且，設考慮了駕駛性能的負載率的限制的變化率為10%/°C的情況下，該負載率的限制引起的溫度變化tb成為10°C (= 100%^ 10%/°C),因此限制開始溫度Tc (Tc = Tb-tb)成為133。。。
[0067]因此，該控制中，雖然通過減少熱敏電阻35的個數實現了成本降低，但必須將轉換部31a~31d的電抗器32的限制開始溫度Tc設定為比實際的標準耐熱溫度Tmax相當低的溫度，成為效率差的控制。
[0068]接著，說明本實施方式的控制。
[0069]本實施方式的情況下也與上述參考例2相同,利用僅設于一個轉換部31a的熱敏電阻35進行控制。
[0070]如圖4所示，首先，對于設有熱敏電阻35的轉換部31a的電抗器32，算出從標準耐熱溫度Tmax減去熱敏電阻35的誤差ta而得到的基準耐熱溫度Ta。并且，對于該基準耐熱溫度Ta，求出減去考慮了駕駛性能的負載率的限制引起的溫度變化tb’而得到的限制開始溫度Tc，。
[0071]例如，電抗器32的標 準耐熱溫度Tmax為170°C、熱敏電阻35的誤差ta為7°C時，轉換部31a的電抗器32的基準耐熱溫度Ta成為163°C。并且，設考慮了駕駛性能的負載率的限制的變化率為10%/°C的情況下，該負載率的限制引起的溫度變化tb’為2.50C (=25% (相當于I相量)+ 10%/°C)，因此轉換部31a的電抗器32的限制開始溫度Tc’(Tc’ =Ta-tb’)成為 160.5 0C ο
[0072]對于未設有熱敏電阻35的轉換部31b~31d，需要進行控制以避免超過允許溫度Tb’，所述允許溫度Tb’是相對于從標準耐熱溫度Tmax減去熱敏電阻35的誤差ta而得到的基準耐熱溫度Ta進一步減去電抗器32的溫度tc而得到的溫度。于是，轉換部31b~31d的限制開始溫度Tc’’成為相對于允許溫度Tb’進一步減去考慮了駕駛性能的負載率的限制引起的溫度變化tb’’而得到的溫度。在此處，負載率的限制引起的溫度變化tb’’是除了轉換部31a以外的3相量(B卩，75%的量)，因此比參考例2的情況下的負載率的限制引起的溫度變化tb小。
[0073]例如，電抗器32的標準耐熱溫度Tmax為170°C、熱敏電阻35的誤差ta為7°C、溫度tc為20°C時，轉換部31b~31d的電抗器32的允許溫度Tb’成為143°C。并且，以向轉換部31b~31d流過相同電流為前提，設考慮了駕駛性能的負載率的限制的變化率為10%/°C的情況下，與該負載率的限制引起的75%的變化率相對應的溫度變化tb’ ’為7.50C(=75%+10%/°C)，因此限制開始溫度 Tc’’ (Tc，，= Tb’-tb’’)成為 135.5°C。
[0074]因此，對于轉換部31a以外的轉換部31b~31d，也能夠相比參考例2較高地設定限制開始溫度Tc’’。
[0075]這樣，根據上述實施方式的燃料電池系統，通過具有多個轉換部31a~31d的FC升壓轉換器14，能夠應對燃料電池輸出的大電流化。另外，由于在多個轉換部31a~31d中的一個上設有熱敏電阻35而進行轉換部31a~31d的輸出控制，因此與在所有的轉換部31a~31d上設有熱敏電阻35的情況相比，能夠大幅減少成本。而且，由于僅對于未設置熱敏電阻35的轉換部31b~31d減去電抗器32的特性的波動的溫度tc而設定限制開始溫度Tc’ ’，因此能夠提高整體的限制開始溫度。由此，能夠驅動各電抗器32直至本來能發揮的性能的限度附近，能夠實現高效率化。另外，能夠不需要過度的散熱結構、耐熱結構，能夠進一步降低成本。
[0076]此外，沒有熱敏電阻35的轉換部31b~31d達到限制開始溫度Tc’ ’而進行輸出限制，轉換部31b~31d的輸出成為零以后，成為僅是設有熱敏電阻35的轉換部31a的輸出，成為輸出已經大幅降低的狀態。由此，對于轉換部31b~31d，在不損害駕駛性能的范圍內極力增大，由此提高限制開始溫度Tc’ ’，并且對于轉換部31a，也可以以駕駛性能最優先來設定負載率的限制。該情況下，如圖5所示，對于轉換部31a，降低限制開始溫度Tc’，減緩負載率的限制的變化率。
[0077]另外，上述的實施方式中，在一個轉換部31a上設置熱敏電阻35，但也可以在二個轉換部31a、31b或三個轉換部31a~31c上設置熱敏電阻35。總之，本發明的燃料電池系統中，若升壓轉換器的相數為N (N:整數)，則熱敏電阻的數量能夠在從I個到(N-1)個的范圍內取得任意的值。
[0078]在此處，在二個轉換部31a、31b上設有熱敏電阻35的情況下，沒有熱敏電阻35的轉換部31c、31d的限制開始溫度Tc’ ’成為相對于允許溫度Tb’減去了 2相量的負載率的限制引起的溫度變化tb’ ’而得到的溫度。電抗器32的標準耐熱溫度Tmax為170°C、熱敏電阻35的誤差ta為7V、溫度tc為20°C時，轉換部31c、31d的電抗器32的允許溫度Tb’成為143°C，設考慮了駕駛性能的負載率的限制的變化率為10%/°C的情況下，該負載率的限制引起的50%的變化率所對應的溫度變化tb’ ’成為5°C (= 50%+10%/V )，因此限制開始溫度 Tc’’ (Tc，，= Tb，-tb’’)成為 138。。。
[0079]另外，在三個轉換部31a~31c上設有熱敏電阻35的情況下，沒有熱敏電阻35的轉換部31d的限制開始溫度Tc’ ’成為相對于允許溫度Tb’減去I相量的負載率的限制引起的溫度變化tb’ ’而得到的溫度。電抗器32的標準耐熱溫度Tmax為170°C、熱敏電阻35的誤差ta為7V、溫度tc為20°C時，轉換部31d的電抗器32的允許溫度Tb’成為143°C，設考慮了駕駛性能的負載率的限制的變化率為10%/°C的情況下，該負載率的限制引起的25%的變化率所對應的溫度變化tb’ ’成為2.50C (= 25%+10%/°C)，因此限制開始溫度Tc’ ’(Tc，，= Tb’ -tb’’)成為 140.5 0C ο
[0080]另外，作為輸出限制的解除的時刻，如圖6所示，優選向低溫側偏移幾。C (例如3°C左右)(參照圖6中的虛線)。這樣，若在輸出限制的開始與解除之間具有滯后，則能夠抑制控制的振蕩。[0081]圖7示出多相轉換器中的輸出和效率之間的關系。作為多相的轉換器的多相轉換器中，與如圖7中虛線所示始終驅動多相的轉換部31a~31d相比，以如圖7中實線所示隨著提高輸出而逐一增加被驅動的相的方式切換驅動相數能夠提高整體的效率。并且，進行如此切換驅動相數的驅動控制的情況下，最初被驅動的相的溫度最高。因此，若在最初驅動的相的轉換部上設置熱敏電阻35，則能夠提高耐熱性方面的安全性。[0082]另外，也可以在出貨檢查時等測定轉換部31a?31d的各自的電抗器32的發熱特性，將該發熱特性的映射存儲于ECU41的易失性存儲器40，基于該映射決定各個電抗器32的溫度tc而進行各轉換部31a?31d的輸出控制。若如此，則能夠極力降低電抗器32的溫度tc，由此，能夠提高限制開始溫度Tc’’而實現效率的提高。此外，作為電抗器32的發熱特性，有與線圈的發熱相關的直流電阻值、與鐵芯損失相關的交流電阻值、與冷卻性能相關的電流損失特性等。
[0083]另外，在上述的實施方式中，對在燃料電池車輛上搭載本發明的燃料電池系統的情況進行了說明，但在燃料電池車輛以外的各種移動體(電動車、混合動力車、機器人、船舶、航空器等)上也能夠適用本發明的燃料電池系統。另外，也可將本發明的燃料電池系統適用于作為建筑物(住宅、大廈等)用的發電設備而使用的固定用發電系統。
【權利要求】
1.一種燃料電池系統，具有:由燃料氣體和氧化氣體的電化學反應進行發電的燃料電池；使來自該燃料電池的電力升壓的升壓轉換器；及進行所述升壓轉換器的輸出控制的控制部， 所述升壓轉換器具備分別具有電抗器的多個轉換部，在這些多個轉換部中的一部分的轉換部設置有檢測所述電抗器的溫度的溫度傳感器，所述控制部能夠以規定的變化率限制所述轉換部的輸出，其中， 設置有所述溫度傳感器的轉換部在所述溫度傳感器的檢測溫度為根據所述電抗器的耐熱溫度求出的限制開始溫度的時點開始輸出限制，未設置有所述溫度傳感器的轉換部在所述溫度傳感器的檢測溫度為根據允許溫度求出的限制開始溫度的時點開始輸出限制，所述允許溫度通過從所述電抗器的耐熱溫度減去所述電抗器的特性的波動的溫度而得到。
2.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中， 對于設置有所述溫度傳感器的轉換部的輸出限制的變化率設定成小于對于未設置有所述溫度傳感器的轉換部的輸出限制的變化率。
3.根據權利要求1或2所述的燃料電池系統，其中， 解除對于所述轉換部的輸出限制的時刻相對于輸出限制稍微向低溫側偏移。
4.根據權利要求1?3中任一項所述的燃料電池系統，其中， 所述升壓轉換器能夠伴隨著所述升壓轉換器的輸出的增加以使被驅動的轉換部的數量增加的方式切換驅動相數， 所述溫度傳感器設置于最初被驅動的相的轉換部。
5.根據權利要求1?4中任一項所述的燃料電池系統，其中， 所述控制部基于預先求出的所述轉換部的電抗器的發熱特性來決定所述波動的溫度。
【文檔編號】H01M8/04GK103597720SQ201180071235
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2011年5月30日 優先權日:2011年5月30日
【發明者】今西啟之, 真鍋晃太 申請人:豐田自動車株式會社