專利名稱：混合動(dòng)力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種安裝有燃料電池單元和蓄電裝置的混合動(dòng)力系統(tǒng)。本發(fā)明尤其涉及一種容量特性符合車輛特性的蓄電裝置的安裝設(shè)計(jì)技術(shù)。
背景技術(shù)：
一種已知的安裝在燃料電池電動(dòng)車上的電力源為混合動(dòng)力系統(tǒng)，該混合動(dòng)力系統(tǒng)中安裝有重整器(reformer)、燃料電池單元以及蓄電池。這種混合動(dòng)力系統(tǒng)在例如日本專利申請(qǐng)未審定公開No.2000-315511(JP-A-2000-315511)中公開了。在該專利申請(qǐng)所公開的結(jié)構(gòu)中，根據(jù)駕駛員的加速操作，電力從燃料電池單元或蓄電池通過電力調(diào)整器分配至車輛驅(qū)動(dòng)牽引馬達(dá)、燃料電池單元的輔機(jī)以及重整器。設(shè)置在車輛中的蓄電池的容量設(shè)定為這樣一個(gè)值，即，當(dāng)系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，在直到重整器充分暖機(jī)并能夠穩(wěn)定地向燃料電池單元供給重整氣期間，該值僅允許從蓄電池向牽引馬達(dá)和燃料電池單元的輔機(jī)供給電力。
在具有這種混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料電池電動(dòng)車中，在間歇工作模式期間檢測(cè)到高負(fù)荷請(qǐng)求時(shí)燃料電池單元的響應(yīng)延遲(在穩(wěn)定的發(fā)電性能之前的時(shí)間延遲)成為問題。間歇工作模式是指在低負(fù)荷情況下，例如，在怠速或減速等過程中，燃料電池單元的工作暫時(shí)停止，并且僅基于從蓄電池供給的電力驅(qū)動(dòng)車輛的工作模式。如果燃料電池單元的間歇工作持續(xù)時(shí)間(工作暫停的持續(xù)時(shí)間)變長(zhǎng)，則燃料電池單元的I-V特性(電流-電壓特性)可能會(huì)比在燃料電池單元暫停之前的I-V特性惡化。燃料電池單元的I-V特性根據(jù)電池溫度、反應(yīng)氣體的流動(dòng)、氣體壓力以及濕度不斷波動(dòng)，并且也會(huì)隨著由含水率的變化引起的聚合物電解質(zhì)膜內(nèi)阻的波動(dòng)以及電池工作的狀態(tài)(過度狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)等)而顯著波動(dòng)。一旦I-V特性惡化，響應(yīng)于高負(fù)荷請(qǐng)求的燃料電池單元的重新起動(dòng)不能立即獲得充分的電池電壓恢復(fù)；具體地，需要約1到2秒的時(shí)間才能恢復(fù)到充足的電壓。除了燃料電池單元的響應(yīng)延遲之外，包括其輔機(jī)的整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的響應(yīng)延遲輔機(jī)都不可忽視。如果燃料電池單元的響應(yīng)延遲變得等于或大于200ms，則駕駛性顯著降低。因此，對(duì)于燃料電池單元的響應(yīng)延遲的改進(jìn)技術(shù)的發(fā)展有強(qiáng)烈的需求。
還有另外一個(gè)問題需要解決。如果設(shè)置在燃料電池電動(dòng)車中的蓄電池的容量不夠，則不能夠處理高負(fù)荷請(qǐng)求。另一方面，提供過大的蓄電池容量是一種資源浪費(fèi)。因此，有必要考察安裝設(shè)計(jì)，以便選擇符合車輛特性的蓄電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既能夠獲得改進(jìn)的燃料經(jīng)濟(jì)性又能夠獲得更好的駕駛性的混合動(dòng)力系統(tǒng)。
本發(fā)明的第一方面涉及一種混合動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在供給有反應(yīng)氣體時(shí)發(fā)電的燃料電池單元；存儲(chǔ)由所述燃料電池單元產(chǎn)生的電力的蓄電裝置；電力負(fù)荷；以及控制從所述燃料電池單元和所述蓄電裝置供給到所述電力負(fù)荷的電力的分配的電力控制裝置。所述蓄電裝置具有至少在所述燃料電池單元從暫停工作狀態(tài)重新起動(dòng)后的初期階段能夠供給所述電力負(fù)荷的要求電力量的容量特性。通過安裝具有至少在燃料電池單元從暫停工作狀態(tài)重新起動(dòng)后的初期階段能夠供給電力負(fù)荷的要求電力量的容量特性的蓄電裝置，使得能夠在燃料電池單元重新起動(dòng)后吸收燃料電池單元的響應(yīng)延遲。因此，不必對(duì)燃料電池單元暫停工作的持續(xù)時(shí)間提供任何特別的限制，并且能夠顯著改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性。
本發(fā)明的第二方面涉及一種混合動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在供給有反應(yīng)氣體時(shí)發(fā)電的燃料電池單元；存儲(chǔ)由所述燃料電池單元產(chǎn)生的電力的蓄電裝置；電力負(fù)荷；控制從所述燃料電池單元和所述蓄電裝置供給到所述電力負(fù)荷的電力的分配的電力控制裝置以及控制所述燃料電池單元的工作的控制部。當(dāng)在所述燃料電池單元暫停工作期間檢測(cè)到高于預(yù)定值的要求電力量時(shí)，所述控制部執(zhí)行使得所述燃料電池單元重新起動(dòng)的操作控制，并控制所述電力控制裝置以使得至少在所述燃料電池單元重新起動(dòng)開始后的初期階段僅由所述蓄電裝置向所述電力負(fù)荷供給所述要求電力量。由于在上述結(jié)構(gòu)中，在燃料電池單元響應(yīng)于在低負(fù)荷情況下燃料電池單元暫停工作期間檢測(cè)到高負(fù)荷請(qǐng)求(即，要求電力量高于預(yù)定值的負(fù)荷請(qǐng)求)而重新啟動(dòng)開始后的初期階段僅由蓄電裝置向電力負(fù)荷供給要求電力量，使得能夠吸收燃料電池單元的響應(yīng)延遲。因此，不必對(duì)燃料電池單元暫停工作的持續(xù)時(shí)間提供任何特別的限制，并且能夠顯著改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性。順便提及，前面提及的預(yù)定值為需要燃料電池單元重新起動(dòng)的要求電力量。
所述蓄電裝置可以具有至少在所述燃料電池單元重新起動(dòng)后的初期階段能夠向所述電力負(fù)荷供給所述電力負(fù)荷的最大消耗電力的容量特性。該結(jié)構(gòu)使得能夠在燃料電池單元開始重新起動(dòng)后立即供給電力負(fù)荷可能要求的最大要求電力。
所述電力負(fù)荷的示例包括車輛驅(qū)動(dòng)牽引馬達(dá)，以及所述燃料電池單元的輔機(jī)等。如果在燃料電池電動(dòng)車中還安裝有具有能夠提供考慮到輔機(jī)的電力消耗量的系統(tǒng)的要求電力的容量特性(即，符合車輛特性的容量特性)的蓄電裝置，則可實(shí)現(xiàn)燃料電池電動(dòng)車更好的駕駛性。
根據(jù)第一方面和第二方面的混合動(dòng)力系統(tǒng)，燃料電池單元的響應(yīng)延遲可以通過安裝具有在燃料電池單元從暫停工作狀態(tài)重新起動(dòng)開始后的初期階段能夠供給電力負(fù)荷的要求電力量的容量特性的蓄電裝置而被吸收。因此，不必對(duì)燃料電池單元暫停工作的持續(xù)時(shí)間提供任何特別的限制，并且能夠顯著改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性。此外，通過在燃料電池電動(dòng)車中安裝具有符合車輛特性的容量特性的蓄電裝置，可以獲得更好的駕駛性。
本發(fā)明的第三方面涉及一種用于混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制方法，所述混合動(dòng)力系統(tǒng)具有在供給有反應(yīng)氣體時(shí)發(fā)電的燃料電池單元、存儲(chǔ)由所述燃料電池單元產(chǎn)生的電力的蓄電裝置、以及電力負(fù)荷，并從所述燃料電池單元和所述蓄電裝置供給電力。該方法包括以下步驟在所述燃料電池單元暫停工作期間判斷所述電力負(fù)荷的要求電力量是否高于預(yù)定值；如果判定所述電力負(fù)荷的要求電力量高于所述預(yù)定值，則執(zhí)行使得所述燃料電池單元重新起動(dòng)的操作控制；以及至少在所述燃料電池單元重新起動(dòng)開始后的初期階段僅由所述蓄電裝置向所述電力負(fù)荷供給所述要求電力量。


從下面參照附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說明可更清楚地看出本發(fā)明的前述及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中，相同的數(shù)字表示相同的部件，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的混合動(dòng)力系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)圖；圖2示出整個(gè)系統(tǒng)的要求電力值對(duì)應(yīng)于加速操作程度的映射值；圖3為示出工作模式轉(zhuǎn)換的圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為用作燃料電池電動(dòng)車(FCEV)的電力供給裝置的混合動(dòng)力系統(tǒng)(FCHV系統(tǒng))的主結(jié)構(gòu)圖。
混合動(dòng)力系統(tǒng)10主要包括在供給有反應(yīng)氣體(燃料氣體和氧化氣體)時(shí)發(fā)電的燃料電池單元20，用于向燃料電池單元20供給反應(yīng)氣體的反應(yīng)氣體供給裝置21，存儲(chǔ)由燃料電池20產(chǎn)生的電力和在車輛制動(dòng)期間獲得的再生能源的二次電池(蓄電裝置)40，控制將從燃料電池單元20和二次電池40供給到電力負(fù)荷的電力的分配的電力控制裝置(電力控制單元)30，以及操作和控制燃料電池單元20的控制部50。
作為電力負(fù)荷的示例，僅為了便于說明，圖1示出用于驅(qū)動(dòng)車輛的牽引馬達(dá)(外部負(fù)荷)M1和用于致動(dòng)輔機(jī)(如空氣壓縮機(jī)，氫循環(huán)泵等)的輔機(jī)馬達(dá)M2。盡管示出二次電池40作為蓄電裝置，但也可采用其它裝置，如電雙層電容器等作為蓄電裝置。
電力控制裝置30包括將燃料電池單元20產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電(如三相AC電)并將交流電供給到馬達(dá)(如三相AC馬達(dá))M1、M2的逆變器31、32，以及通過調(diào)整燃料電池單元20的輸出電壓控制二次電池40和燃料電池單元20的電力的供給和分配的DC/DC轉(zhuǎn)換器33。逆變器31、32和DC/DC轉(zhuǎn)換器33分別并聯(lián)到燃料電池單元20的輸出端。
控制部50基于通過加速度傳感器51和車速傳感器52檢測(cè)到的加速操作程度和車速判定整個(gè)系統(tǒng)的要求電力(車輛驅(qū)動(dòng)電力和輔機(jī)電力的總和)。然后，控制部50確定燃料電池單元20和二次電池40的輸出電力的分配，通過控制反應(yīng)氣體供給裝置21來調(diào)整供給到燃料電池單元20的反應(yīng)氣體的量以使得由燃料電池單元20產(chǎn)生的電力的量達(dá)到目標(biāo)電力，并通過控制DC/DC轉(zhuǎn)換器33來調(diào)整燃料電池單元20的工作點(diǎn)(輸出電壓，輸出電流)。此外，控制部50控制逆變器31以調(diào)整牽引馬達(dá)M1的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，從而獲得與加速操作程度對(duì)應(yīng)的目標(biāo)車速。
在高負(fù)荷情況下，混合動(dòng)力系統(tǒng)10操作燃料電池單元20以向電力負(fù)荷供給電力。在低負(fù)荷情況下(怠速，減速等)，混合動(dòng)力系統(tǒng)10進(jìn)入間歇操作模式，在間歇操作模式期間燃料電池單元20暫時(shí)停止工作。為了便于說明，燃料電池單元20進(jìn)行工作時(shí)的工作模式被稱為“普通工作模式”，從而可以同燃料電池單元20暫停工作時(shí)的“間歇工作模式”區(qū)別開來。在間歇工作模式中，燃料電池單元20暫停工作的持續(xù)時(shí)間沒有特別的限制；即，如圖3所示，燃料電池單元20持續(xù)暫停工作直到檢測(cè)到高負(fù)荷請(qǐng)求(即，要求電力量高于預(yù)定值的負(fù)荷請(qǐng)求)。在檢測(cè)到高負(fù)荷請(qǐng)求的時(shí)刻，混合動(dòng)力系統(tǒng)10從間歇工作模式轉(zhuǎn)變到普通工作模式。如果燃料電池單元20暫停工作一段時(shí)間，則燃料電池單元20的I-V特性惡化。從而，如果檢測(cè)到高負(fù)荷請(qǐng)求，則燃料電池單元20惡化的I-V特性不能立即恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，而是需要一定的時(shí)間(如1到2秒)才能恢復(fù)。因此，在重新起動(dòng)燃料電池單元20后的初期階段，僅使用由二次電池40供給的電力向諸如牽引馬達(dá)M1、輔機(jī)馬達(dá)M2等的電力負(fù)荷供給電力。即，在燃料電池單元20的I-V特性恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)之前的初期階段(如1到2秒)整個(gè)系統(tǒng)所需要的要求電力僅使用來自二次電池40的電力輸出供給。通過這種方式，燃料電池單元20的響應(yīng)延遲被吸收，從而可以獲得更好的駕駛性。當(dāng)燃料電池單元20的工作狀態(tài)變化到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，燃料電池單元20跟隨二次電池40供給電力開始供給電力。
為了在燃料電池單元20重新起動(dòng)后的初期階段僅使用二次電池40的輸出電力來供給全部要求電力，有必要在車輛中安裝具有符合車輛特性的容量特性(電池規(guī)格)的二次電池40。圖2所示為對(duì)應(yīng)于加速操作程度的要求電力的映射值，并且示出車輛驅(qū)動(dòng)電力和輔機(jī)電力對(duì)應(yīng)于加速操作程度的增加而單調(diào)增加。在如圖2所示整個(gè)系統(tǒng)的要求電力的最大值為Pmax的情況下，作為容量特性，要求二次電池40具有至少在重新起動(dòng)燃料電池單元20后的初期階段(響應(yīng)時(shí)間t[秒])能夠輸出系統(tǒng)的最大消耗電力Pmax[kW]的放電特性(如Pmax[kW]×t[秒]，或與其等效的電池規(guī)格)。這樣，通過在車輛中安裝具有能夠輸出系統(tǒng)的最大消耗電力Pmax[kW]的容量特性的二次電池40，使得能夠從間歇工作模式變化到普通工作模式后立即用最大功率驅(qū)動(dòng)車輛。
這里術(shù)語“車輛特性”是指燃料電池電動(dòng)車的車重以及最高車速，轉(zhuǎn)矩輸出特性，其汽車模型等。對(duì)應(yīng)于加速操作程度的車輛驅(qū)動(dòng)電力和輔機(jī)電力根據(jù)車輛特性而變化?？紤]到輔機(jī)電力的系統(tǒng)的要求電力可想到的參數(shù)的示例也包括以下參數(shù)。
(1)車輛驅(qū)動(dòng)牽引馬達(dá)M1、逆變器31、32以及DC/DC轉(zhuǎn)換器33的輸出，以及輔機(jī)中的電力損失。
(2)用于致動(dòng)燃料電池單元20的輔機(jī)(能夠通過蓄電池致動(dòng)的輔機(jī)，如空氣壓縮機(jī)、氫循環(huán)泵等)的電力，以及輔機(jī)中的電力損失。
(3)用于致動(dòng)其他輔機(jī)(能夠通過蓄電池致動(dòng)的輔機(jī)，如空調(diào)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置等)的電力，以及輔機(jī)中的電力損失。
(4)供給到用于工作電壓低于100V，如電壓為12V、24V、42V等的輔機(jī)的蓄電池的DC/DC轉(zhuǎn)換器33的輸出，以及輔機(jī)中的電力損失。
根據(jù)該實(shí)施例，在燃料電池單元20響應(yīng)于在低負(fù)荷情況下燃料電池單元20暫停工作期間檢測(cè)到高負(fù)荷請(qǐng)求而重新起動(dòng)后的初期階段，僅由二次電池40向電力負(fù)荷供給電力。該結(jié)構(gòu)使得能夠吸收燃料電池單元20的響應(yīng)延遲。因此，不管燃料電池單元20暫停工作的持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，可使用高負(fù)荷要求(電力要求)作為用于終止間歇工作模式的條件。因此，不必對(duì)燃料電池單元20暫停工作的持續(xù)時(shí)間提供任何特別的限制，從而可顯著改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性。此外，與在間歇工作模式期間使燃料電池單元以固定的時(shí)間間隔工作以進(jìn)行短時(shí)間的發(fā)電從而抑制燃料電池單元20的I-V特性的惡化的系統(tǒng)相比，燃料經(jīng)濟(jì)性有了很好的改進(jìn)。為起動(dòng)燃料電池單元20而消耗的輔機(jī)電力與車輛在平坦路面高速巡航所消耗的電力大致相當(dāng)。因此，對(duì)燃料電池單元20的暫停工作的持續(xù)時(shí)間不進(jìn)行限制對(duì)改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性是有利的。此外，由于在重新起動(dòng)燃料電池單元開始后的初期階段可以向電力負(fù)荷供給最大電力(電力負(fù)荷可能要求的最大要求電力，即，由電力負(fù)荷消耗的最大電力)，可以獲得更好的駕駛性。更進(jìn)一步，通過在車輛中安裝符合車輛特性的二次電池40，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池單元理想的混合控制。
對(duì)于二次電池40，優(yōu)選使用即使SOC(剩余充電量)存在某些程度上的波動(dòng)仍能夠提供上述放電特性的二次電池。如果蓄電池的SOC趨于很低，需要優(yōu)先將電力供給到起動(dòng)燃料電池單元20所需要的輔機(jī)，其余的電力作為車輛驅(qū)動(dòng)電力和其它輔機(jī)電力被分配，因此，電力的分配是受限制的。如果燃料電池單元20的工作狀態(tài)變到穩(wěn)定狀態(tài)，則由燃料電池單元20產(chǎn)生的電力分配給二次電池40充電，上述電力分配限制被取消。
權(quán)利要求
1.一種混合動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在供給有反應(yīng)氣體時(shí)發(fā)電的燃料電池單元；存儲(chǔ)由所述燃料電池單元產(chǎn)生的電力的蓄電裝置；電力負(fù)荷；以及控制從所述燃料電池單元和所述蓄電裝置供給到所述電力負(fù)荷的電力的分配的電力控制裝置，其中，所述蓄電裝置具有至少在所述燃料電池單元從暫停工作狀態(tài)重新起動(dòng)后的初期階段能夠供給所述電力負(fù)荷的要求電力量的容量特性。
2.一種混合動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在供給有反應(yīng)氣體時(shí)發(fā)電的燃料電池單元；存儲(chǔ)由所述燃料電池單元產(chǎn)生的電力的蓄電裝置；控制從所述燃料電池單元和所述蓄電裝置供給到電力負(fù)荷的電力的分配的電力控制裝置；電力負(fù)荷；以及控制所述燃料電池單元的工作的控制部，其中，當(dāng)在所述燃料電池單元暫停工作期間檢測(cè)到高于預(yù)定值的要求電力量時(shí)，所述控制部執(zhí)行使得所述燃料電池單元重新起動(dòng)的操作控制，并控制所述電力控制裝置以使得至少在所述燃料電池單元重新起動(dòng)開始后的初期階段僅由所述蓄電裝置向所述電力負(fù)荷供給所述要求電力量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述蓄電裝置具有至少在所述燃料電池單元重新起動(dòng)后的初期階段能夠向所述電力負(fù)荷供給所述電力負(fù)荷的最大消耗電力的容量特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述電力負(fù)荷包括用于驅(qū)動(dòng)車輛的牽引馬達(dá)，以及所述燃料電池單元的輔機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述重新起動(dòng)后的初期階段是從所述燃料電池單元重新起動(dòng)持續(xù)到所述燃料電池單元恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的I-V特性的階段。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池單元暫停工作包括在所述燃料電池單元間歇工作狀態(tài)期間出現(xiàn)的暫停。
7.一種用于混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制方法，所述混合動(dòng)力系統(tǒng)具有在供給有反應(yīng)氣體時(shí)發(fā)電的燃料電池單元、存儲(chǔ)由所述燃料電池單元產(chǎn)生的電力的蓄電裝置、以及電力負(fù)荷，并從所述燃料電池單元和所述蓄電裝置供給電力，所述控制方法包括在所述燃料電池單元暫停工作期間判斷所述電力負(fù)荷的要求電力量是否高于預(yù)定值；如果判定所述電力負(fù)荷的要求電力量高于所述預(yù)定值，則執(zhí)行使得所述燃料電池單元重新起動(dòng)的操作控制；以及至少在所述燃料電池單元重新起動(dòng)開始后的初期階段僅由所述蓄電裝置向所述電力負(fù)荷供給所述要求電力量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混合動(dòng)力系統(tǒng)。本發(fā)明的混合動(dòng)力系統(tǒng)(10)包括在供給有反應(yīng)氣體時(shí)發(fā)電的燃料電池單元(20)，存儲(chǔ)由燃料電池單元(20)產(chǎn)生的電力的二次電池(40)，以及控制從燃料電池單元(20)和二次電池(40)供給到電力負(fù)荷(M1，M2)的電力的分配的電力控制裝置(30)。二次電池(40)具有至少在燃料電池單元(20)從暫停工作狀態(tài)重新起動(dòng)后的初期階段能夠供給電力負(fù)荷(M1，M2)的要求電力量的容量特性。
文檔編號(hào)H01M10/44GK1898102SQ200480038906
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2004年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月26日
發(fā)明者吉田尚弘 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社