專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和配備有該燃料電池系統(tǒng)的電動車輛的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)以及一種在電動車輛起動時對配備有該燃料電池系統(tǒng)的電動車輛執(zhí)行的控制。
背景技術：
現(xiàn)在考慮燃料電池的實際應用，該燃料電池向燃料電極供應氫作為燃料氣體，并且向氧化劑電極供應作為氧化劑氣體的空氣，并且通過在氧化劑電極上產生水的同時在氫和空氣中的氧之間的電化學反應產生電力。在這種燃料電池中，如果在操作開始時，被供應到燃料電極的氫的壓力和被供應到氧化劑電極的空氣的壓力大約等于在常規(guī)操作期間發(fā)生的各個壓力，則有時發(fā)生氫氣和空氣分別地在燃料電極和氧化劑電極中非均勻地分布，并且電極通過由這些氣體的非均勻分布引起的電化學反應而劣化。日本專利申請公布No. 2007-26891 (JP-A-2007-26891)公開了一種通過使得在燃料電池開始操作時分別地被供應到燃料電極和氧化劑電極的氫和空氣的壓力高于這些氣體的常規(guī)供應壓力而防止燃料電池的電極劣化的方法。然而，如果當燃料電池開始操作時在高壓下將氫氣和空氣供應到燃料電池，則有時發(fā)生燃料電池的電壓的升高率變大以使得燃料電池的電壓過沖超過它的上限電壓。與這個問題相結合，日本專利申請公布No. 2007-26891 (JP-A-2007-26891)公開了一種方法，其中當在啟動燃料電池時以在高于在普通發(fā)電期間指定的壓力的壓力下供應氫氣和空氣時， 如果燃料電池的電壓達到低于上限電壓的預定電壓，則輸出電力從燃料電池提取，并且被送至車輛驅動馬達、電阻器等。在電動車輛中安裝的燃料電池系統(tǒng)中，設置了 FC繼電器以用于接通和關斷在燃料電池和電動機之間的連接。使用FC繼電器，當燃料電池停止操作時，燃料電池被從負載系統(tǒng)切斷，并且當燃料電池開始操作時，燃料電池被連接到負載系統(tǒng)。然而，存在如果當FC 繼電器被導通以連接燃料電池和負載系統(tǒng)時大電流流過FC繼電器則FC繼電器被焊接或者損壞的可能性。因此，在啟動燃料電池時，燃料電池的電壓被暫時地升高到開路電壓以產生其中在FC繼電器被連接之前電流不從燃料電池流出的狀態(tài)。然而，如果燃料電池的電壓被升高到開路電壓，則產生高電壓損害燃料電池的耐久性的可能性。因此，理想的是，使得燃料電池的電壓低于開路電壓。在另一方面，如果電壓被以此方式降低，則產生燃料電池執(zhí)行電力產生的可能性。 這種電力產生不是在控制下的電力產生，而是非意圖的、由于使得電壓降低而導致的電力生成。因此，如此產生的電力并不必要全部被附件、電動機等消耗，而是除了特殊情形(例如，當電動車輛啟動時等)之外，通過電力產生所生成的能量很可能基本上全部地充電到二次電池中。因此，根據(jù)二次電池的荷電狀態(tài)，存在二次電池過度充電并且因此其發(fā)生劣化的可能性。

發(fā)明內容
相應地，本發(fā)明提供一種能夠在啟動燃料電池時在不使得二次電池劣化的情況下啟動燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，并且還提供一種配備有該燃料電池系統(tǒng)的電動車輛。根據(jù)本發(fā)明的第一方面的燃料電池系統(tǒng)是這樣一種燃料電池系統(tǒng)，包括二次電池，其是可充電和可放電的；變壓器，其被設定在二次電池和負載系統(tǒng)之間；燃料電池，其通過在燃料氣體和氧化劑氣體之間的電化學反應產生電力并且向二次電池以及向與變壓器共享公共電路徑的負載系統(tǒng)供應電力；FC繼電器，其接通和關斷在燃料電池和公共電路徑之間的電連接；以及控制部，其控制FC繼電器的導通/斷開和燃料電池的電壓。該控制部包括用于啟動燃料電池的啟動裝置。當如果二次電池接收電力則二次電池將要變成被過度充電時，該啟動裝置通過將從變壓器供應的電壓設定為燃料電池的開路電壓，并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到開路電壓，來啟動燃料電池。當如果二次電池接收電力則二次電池將不會變成被過度充電時，該啟動裝置通過在導通FC繼電器的命令輸出之后流逝預定時間時或者在此之后將從變壓器供應的電壓設定為低于燃料電池的開路電壓的高電勢避免電壓，并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到高電勢避免電壓，來啟動燃料電池。根據(jù)第一方面的燃料電池系統(tǒng)可以進一步包括用于計算二次電池的充電電力限制值(Win)的充電電力限制值計算裝置。當計算出的充電電力限制值(Win)大于或者等于預定值時，該啟動裝置可以確定如果二次電池接收電力則二次電池將要變成被過度充電，并且可以通過將從變壓器供應的電壓設定為燃料電池的開路電壓并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到開路電壓，來啟動燃料電池。當計算出的充電電力限制值(Win)小于預定值時，該啟動裝置可以確定如果二次電池接收電力則二次電池將不會變成被過度充電，并且可以通過在導通FC繼電器的命令輸出之后流逝預定時間時或者在此之后將從變壓器供應的電壓設定為高電勢避免電壓并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到高電勢避免電壓， 來啟動燃料電池。此外，根據(jù)第一方面的燃料電池系統(tǒng)可以進一步包括用于計算二次電池的荷電狀態(tài)的SOC計算裝置。當計算出的荷電狀態(tài)大于或者等于預定值時，該啟動裝置可以確定如果二次電池接收電力則二次電池將要變成被過度充電，并且可以通過將從變壓器供應的電壓設定為燃料電池的開路電壓并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到開路電壓，來啟動燃料電池。當計算出的荷電狀態(tài)小于預定值時，該啟動裝置可以確定如果二次電池接收電力則二次電池將不會變成被過度充電，并且可以通過在導通FC繼電器的命令輸出之后流逝預定時間時或者在此之后將從變壓器供應的電壓設定為高電勢避免電壓并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到高電勢避免電壓，來啟動燃料電池。此外，根據(jù)第一方面的燃料電池系統(tǒng)可以進一步包括用于檢測二次電池的電壓的電壓檢測裝置。當檢測到的電壓大于或者等于預定值時，該啟動裝置可以確定如果二次電池接收電力則二次電池將要變成被過度充電，并且可以通過將從變壓器供應的電壓設定為燃料電池的開路電壓并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到開路電壓，來啟動燃料電池。當檢測到的電壓小于預定值時，該啟動裝置可以確定如果二次電池接收電力則二次電池將不會變成被過度充電，并且可以通過在導通FC繼電器的命令輸出之后流逝預定時間時或者在此之后將從變壓器供應的電壓設定為高電勢避免電壓并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到高電勢避免電壓，來啟動燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面的燃料電池系統(tǒng)是這樣一種燃料電池系統(tǒng)，包括二次電池，其是可充電和可放電的；變壓器，其被設定在二次電池和負載系統(tǒng)之間；燃料電池，其通過在燃料氣體和氧化劑氣體之間的電化學反應產生電力并且向二次電池以及向與變壓器共享公共電路徑的負載系統(tǒng)供應電力；FC繼電器，其接通和關斷在燃料電池和公共電路徑之間的電連接；以及控制部，其控制FC繼電器的導通/斷開和燃料電池的電壓。該控制部包括啟動裝置，該啟動裝置用于通過在導通FC繼電器的命令輸出之后流逝預定時間時或者在此之后根據(jù)二次電池的荷電狀態(tài)，將從變壓器供應的電壓設定為在燃料電池的開路電壓和低于開路電壓的高電勢避免電壓之間的電壓，并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到設定電壓，來啟動燃料電池。根據(jù)第二方面的燃料電池系統(tǒng)可以進一步包括用于計算二次電池的充電電力限制值(Win)的充電電力限制值計算裝置，并且該啟動裝置可以通過在導通FC繼電器的命令輸出之后流逝預定時間時或者在此之后根據(jù)充電電力限制值(Win)的計算值，將從變壓器供應的電壓設定為在燃料電池的開路電壓和低于開路電壓的高電勢避免電壓之間的電壓并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到設定電壓，來啟動燃料電池。此外，根據(jù)第二方面的燃料電池系統(tǒng)可以進一步包括用于計算二次電池的荷電狀態(tài)的SOC計算裝置，并且該啟動裝置可以通過在導通FC繼電器的命令輸出之后流逝預定時間時或者在此之后根據(jù)荷電狀態(tài)的計算值，將從變壓器供應的電壓設定為在燃料電池的開路電壓和低于開路電壓的高電勢避免電壓之間的電壓并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到設定電壓，來啟動燃料電池。此外，根據(jù)第二方面的燃料電池系統(tǒng)可以進一步包括用于檢測二次電池的電壓的電壓檢測裝置，并且該啟動裝置可以通過在導通FC繼電器的命令輸出之后流逝預定時間時或者在此之后根據(jù)電壓的檢測值，將從變壓器供應的電壓設定為在燃料電池的開路電壓和高電勢避免電壓之間的電壓并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到設定電壓，來啟動燃料電池。根據(jù)本發(fā)明的第三方面的電動車輛是配備有根據(jù)前面的第一或者第二方面的燃料電池系統(tǒng)的電動車輛。根據(jù)本發(fā)明，當燃料電池啟動時，能夠在不使二次電池劣化的情況下啟動該燃料電池系統(tǒng)。


參考附圖，根據(jù)示例性實施例的以下說明，本發(fā)明前面的和/或進一步的目的、特征和優(yōu)點將變成更加明顯，其中使用類似的數(shù)字來代表類似的元件，并且其中圖1是在本發(fā)明實施例中的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖；圖2是示出當根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)開始操作時執(zhí)行的電壓控制的實例的示意圖；圖3是示出當根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)開始操作時執(zhí)行的電壓控制的另一實例的示意圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的、帶有二次電池的充電電力限制值Win的二次側電 SVh的控制映射的示意圖；以及
圖5是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的、在二次電池的荷電狀態(tài)中的二次側電壓Vh的控制映射的示意圖。
具體實施例方式如在圖1中所示，在電動車輛200中安裝的燃料電池系統(tǒng)100包括可充電和可放電的二次電池12、升高或者降低二次電池12的電壓的升壓/降壓電壓轉換器13、將升壓/ 降壓電壓轉換器13的直流電力轉換成交流電力并且向牽引馬達15供應電力的逆變器14 以及燃料電池11。二次電池12由可充電和可放電的鋰離子蓄電池等來構造。在該實施例中二次電池12的電壓低于牽引馬達15的驅動電壓。然而，二次電池的電壓不受如此限制，而是還可以是等于或者高于牽引馬達的驅動電壓的電壓。升壓/降壓電壓轉換器13具有多個切換元件，并且通過切換元件的開/關操作而將從二次電池12供應的低電壓升高為用于驅動牽引馬達的高電壓。升壓/降壓電壓轉換器13是非絕緣雙向DC/DC轉換器，其基準電路徑32 被連接到二次電池12的負側電路徑34和逆變器14的負側電路徑39這兩者，并且其一次側電路徑31被連接到二次電池12的正側電路徑33，并且其二次側電路徑35被連接到逆變器14的正側電路徑38。此外，二次電池12的正側電路徑33和負側電路徑34均提供有接通和關斷在二次電池12和負載系統(tǒng)之間的連接的系統(tǒng)繼電器25。燃料電池11被供應有作為燃料氣體的氫氣和作為氧化劑氣體的空氣并且通過在氫氣和空氣中的氧氣之間的電化學反應產生電力。在燃料電池11中，氫氣經由氫供應閥 18而從高壓氫罐17供應到燃料電極(陽極)，并且空氣被空氣壓縮機19供應到氧化劑電極(陰極)。燃料電池11的正側電路徑36經由FC繼電器M和阻塞二極管23而被連接到升壓/降壓電壓轉換器13的二次側電路徑35。燃料電池11的負側電路徑37經由另一 FC繼電器M而被連接到升壓/降壓電壓轉換器13的基準電路徑32。升壓/降壓電壓轉換器13的二次側電路徑35被連接到逆變器14的正側電路徑38，并且升壓/降壓電壓轉換器13的基準電路徑32被連接到逆變器14的負側電路徑39。燃料電池11的正側電路徑 36和負側電路徑37經由FC繼電器M而被分別地連接到逆變器14的正側電路徑38和負側電路徑39。FC繼電器M接通和關斷在負載系統(tǒng)和燃料電池11之間的連接。當FC繼電器M導通時，燃料電池11被連接到升壓/降壓電壓轉換器13的二次側，從而由燃料電池 11產生的電力與通過升高二次電池12的一次側電力的電壓而獲得的二次電池12的二次側電力一起地供應到逆變器，逆變器由此驅動旋轉輪子60的牽引馬達15。此時，燃料電池 11的電壓變成等于升壓/降壓電壓轉換器13的輸出電壓和逆變器14的輸入電壓。此外， 用于空氣壓縮機19和諸如冷卻水泵、氫泵等的燃料電池11的附件16的驅動電力基本上由燃料電池11產生的電壓提供。如果燃料電池11不能產生所要求的電力，則二次電池12被用作補充源。用于平滑一次側電壓的一次側電容器20被連接在二次電池12的正側電路徑33 和負側電路徑34之間。一次側電容器20設置有檢測在一次側電容器20的兩端之間的電壓的電壓傳感器41。此外，用于平滑二次側電壓的二次側電容器21被設置在逆變器14的正側電路徑38和負側電路徑39之間。二次側電容器21設置有檢測在二次側電容器21的兩端之間的電壓的電壓傳感器42。一次側電容器20上的電壓是一次側電壓\，這是升壓/降壓電壓轉換器13的輸入電壓，并且二次側電容器21上的電壓是二次側電壓VH，這是升壓 /降壓電壓轉換器13的輸出電壓。此外，檢測燃料電池11的電壓的電壓傳感器43被設置在燃料電池11的正側電路徑36和負側電路徑37之間。檢測來自燃料電池11的輸出電流的電流傳感器44被設置在燃料電池11的正側電路徑36上?？刂撇?0是包含執(zhí)行信號處理的CPU和存儲程序和控制數(shù)據(jù)的存儲部的計算機。 燃料電池11、空氣壓縮機19、氫供應閥18、升壓/降壓電壓轉換器13、逆變器14、牽引馬達 15、附件16、FC繼電器M和系統(tǒng)繼電器25被連接到控制部50，并且被構造成根據(jù)來自控制部50的命令來操作。此外，二次電池12、電壓傳感器41至43以及電流傳感器44被分開地連接到控制部50，并且被構造成使得二次電池12的狀態(tài)以及電壓傳感器41至43和電流傳感器44的檢測信號被輸入控制部50。電動車輛200設置有點火鍵30，點火鍵30是用于啟動和停止燃料電池系統(tǒng)100的開關。點火鍵30被連接到控制部50，并且被構造成使得點火鍵30的開/關信號被輸入到控制部50。控制部50設置有用于計算二次電池12的充電電力限制值Win的充電電力限制值計算裝置。例如，通過使用以下等式⑴和⑵來計算充電電力限制值。Win (t) = Sffin(t)-Kp X {IB (t)-Itagl Wl-Ki X / {IB (t)-Itag2 (t)} dt. . . (1)(Win(t)是二次電池在時間t處的充電電力限制值；Sffin(t)是用于設定預先的二次電池的充電電力限制的預定值；Kp是ρ項反饋增益；Ki是i項反饋增益；Itagl (t)是在利用ρ項反饋控制的電流限制中的目標值；以及IB (t)是二次電池在時間t處的電流的值。)Itagl (t) =Fp (Iliffl‘⑴)，并且Itag2 (t) =Fi (Iliffl‘ (t))... (2)(Iliffl‘ (t)是基于在前計算的、在前計算容許充電電流值Ilim(t-Ι)或者基于專用于初始計算的設定容許充電電流值Ilim(O)來計算的。)控制部50還設置有用于計算二次電池12的荷電狀態(tài)的SOC計算裝置。為了計算二次電池12的荷電狀態(tài)而需要的信號得以輸入。所需要的信號包括例如來自在二次電池 12的端子之間設置的電壓傳感器41的端子間電壓、來自被附著到與二次電池12的輸出端子相連接的電力線的電流傳感器(未示出)的充電-放電容量、來自被附著到二次電池12 的溫度傳感器(未示出)的電池溫度等。然后，SOC計算裝置通過例如對實際上經由電力傳感器測量的二次電池電流值IB(t)進行累積或者對由實際上測量的二次電池的電壓或者溫度校正的估計電流值進行累積來計算荷電狀態(tài)(SOC)。將描述根據(jù)該實施例的燃料電池系統(tǒng)100的操作。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的、在啟動燃料電池系統(tǒng)時執(zhí)行的電壓控制的實例的示意圖。在圖2中，實線示出二次側電壓VH，這是升壓/降壓電壓轉換器13的命令電壓，并且虛線示出FC電壓VF，這是燃料電池 11的電壓。當駕駛員即操作人員接通點火鍵30時，來自點火鍵30的接通信號被輸入到控制部50。然后，控制部50導通系統(tǒng)繼電器25以將二次電池12連接到該系統(tǒng)。在二次電池 12被連接到該系統(tǒng)之后，一次側電容器20通過從二次電池12供應的電力進行充電。在一次側電容器被充電之后，控制部50開始升壓/降壓電壓轉換器13的電壓升高操作以對二次側電容器21進行充電，由此由電壓傳感器42檢測到的二次側電壓Vh被升高到開路電壓 0CV(如由圖2中的實線示出的)。附帶說一句，當二次側電壓Vh達到開路電壓OCV時，二次側電容器21的充電完成。控制部50輸出命令以對氫系統(tǒng)加壓。由于這個命令，氫供應閥18打開，從而氫開始從氫罐17供應到燃料電池11。當供應氫時，在燃料電池11的燃料電極處的壓力升高。 然而，因為未向氧化劑電極供應空氣，所以在燃料電池11內未發(fā)生電化學反應。附帶說一句，可以在氫系統(tǒng)開始被加壓之后執(zhí)行氫泄漏檢測。接著，控制部50的充電電力限制值計算裝置計算二次電池12的充電電力限制值 Win0此外，控制部50的SOC計算裝置計算二次電池12的荷電狀態(tài)。此外，電壓傳感器41 檢測二次電池12的電壓?？刂撇?0確定二次電池12的計算充電電力限制值Win是否大于或者等于在控制部50中預設的特定值。此外，控制部50確定二次電池12的計算荷電狀態(tài)是否大于或者等于在控制部50中預先設定的特定值。此外，控制部50確定二次電池12的檢測電壓是否大于或者等于在控制部50中預先設定的特定值。然后，如果二次電池12的充電電力限制值 Win、荷電狀態(tài)和電壓中的至少一個大于或者等于它的相應的特定值，則控制部50確定如果二次電池12接收電力則二次電池12將變成被過度充電。在另一方面，如果二次電池12的充電電力限制值Win、荷電狀態(tài)和電壓中的至少一個小于它的相應的特定值，則控制部50確定二次電池12能夠接收電力，S卩，如果它接收電力，則二次電池12將不會變成被過度充電。 在這里應該指出，滿足的是為二次電池12的充電電力限制值Win、荷電狀態(tài)和電壓設定的特定值被適當?shù)卦O定用于確定如果它接收電力則二次電池12是否變成被過度充電。如在圖2中所示，如果確定若二次電池12接收電力則二次電池12不變成被過度充電，則控制部50輸出導通FC繼電器M的命令。在其中FC繼電器M由于該命令而變成被導通的特定時間流逝之后或者在此時，控制部50將二次側電壓Vh從開路電壓OCV降低到高電勢避免電壓Vtl，并且將燃料電池11的FC電壓Vf從啟動電壓升高到高電勢避免電壓Vtl。 在另一方面，如果確定若它接收電力則二次電池12變成被過度充電，則控制部50輸出導通 FC繼電器M的命令，但是將二次側電壓Vh保持為開路電壓0CV，并且向燃料電池11供應氫和氧，并且由此將燃料電池11的FC電壓Vf從啟動電壓升高到開路電壓0CV。雖然在圖2 中燃料電池11的啟動電壓是零，但是燃料電池11的啟動電壓根據(jù)燃料電池11的操作停止時間而改變，即，操作停止時間越長，則啟動電壓變得越接近于零，并且操作停止時間越短， 則啟動電壓變得越高。此外，高電勢避免電壓Vtl意味著小于開路電壓OCV并且能夠由燃料電池11產生以使得燃料電池11的耐久性將確定地得以維持的預定操作電壓。如果在啟動燃料電池11時二次側電壓Vh從開路電壓OCV降低到高電勢避免電壓 V。，則燃料電池11有時產生電力。這種電力產生不是在控制下的電力產生，而是由于使得電壓降低而導致的非預期的電力生成。因此，如此產生的電力并不是必要地全部被附件、電動機等消耗，而是除了特殊情形(例如，當電動車輛啟動時等)之外，通過電力產生所生成的能量很可能基本上全部充電到二次電池中。因此，在該實施例中，在如果它接收電力則預期二次電池12將變成被過度充電的情形中，二次側電壓Vh被保持在開路電壓OCV處，從而電流不從燃料電池流出。這防止了二次電池的過度充電，并且因此防止了由于過度充電引起的、二次電池的劣化。此外，如果在啟動燃料電池11時，在二次側電壓Vh從開路電壓OCV降低到高電勢避免電壓Vtl之后，F(xiàn)C繼電器M被導通以連接燃料電池11和負載系統(tǒng)，則大電流有時流過 FC繼電器M。如果發(fā)生這種情況，則FC繼電器M變成熔化或者損壞。因此，在該實施例中，在二次側電壓Vh等于開路電壓OCV時，此時電流不從燃料電池11流出，F(xiàn)C繼電器M被導通以連接燃料電池11和負載系統(tǒng)。在此之后，二次側電壓Vh從開路電壓OCV降低到高電勢避免電壓K。這防止了熔化和破壞FC繼電器M。在開始氫系統(tǒng)的加壓、連接FC繼電器M和基于二次電池12的荷電狀態(tài)調節(jié)二次側電壓Vh之后，控制部50輸出啟動空氣壓縮機19的命令。由于這個命令，空氣壓縮機19 啟動，從而空氣開始被供應到燃料電池11。附帶說一句，開始氫系統(tǒng)的加壓的時刻和啟動空氣壓縮機19的時刻不受前面的說明所限制。例如，還容許在連接FC繼電器M并且基于二次電池12的荷電狀態(tài)調節(jié)二次側電壓Vh之后，開始氫系統(tǒng)的加壓并且啟動空氣壓縮機19。在空氣壓縮機19被啟動并且因此空氣開始被供應到燃料電池11之后，在氫和空氣中的氧之間的電化學反應在燃料電池11內開始，從而由電壓傳感器43檢測到的燃料電池11的FC電壓Vf從啟動電壓逐漸地升高，如由圖2中的虛線示出。然后，在其中如果它接收電力則二次電池12并不變成被過度充電的情形中，燃料電池11的FC電壓Vf達到高電勢避免電壓K。在其中如果它接收電力則二次電池12不變成被過度充電的情形中，作為升壓 /降壓電壓轉換器13的輸出電壓的二次側電壓Vh已經被設定在高電勢避免電壓Vci處，從而燃料電池11的FC電壓Vf也被保持為高電勢避免電壓Vtl，并且不升高到開路電壓0CV。在另一方面，在其中如果它接收電力則二次電池12變成被過度充電的情形中，作為升壓/降壓電壓轉換器13的輸出電壓的二次側電壓Vh被保持在開路電壓OCV處，從而燃料電池11 的FC電壓Vf升高到開路電壓0CV。然后，控制部50假定燃料電池11的啟動已經完成，并且轉變?yōu)槠胀ú僮?。附帶說一句，燃料電池11具有以下特性，即，輸出電流在FC電壓Vf上升到開路電壓OCV時逐漸地降低，并且當FC電壓Vf達到開路電壓OCV時變成零。下面，將描述根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)100的操作的另一實例。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的在啟動燃料電池系統(tǒng)時執(zhí)行的電壓控制的另一實例的示意圖。圖 4是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的二次電池的充電電力限制值Win處的二次側電壓控制映射的示意圖。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的二次電池的荷電狀態(tài)處的二次側電壓Vh的控制映射的示意圖。如上所述，在作為升壓/降壓電壓轉換器13的輸出電壓的二次側電壓Vh被升高到開路電壓0CV(如由圖2中的上實線所示)之后，氫從氫罐17到燃料電池11的供應被啟動。接著，控制部50的充電電力限制值計算裝置計算二次電池12的充電電力限制值 Win0此外，控制部50的SOC計算裝置計算二次電池12的荷電狀態(tài)。此外，電壓傳感器41 檢測二次電池12的電壓。控制部50通過將二次電池12的計算充電電力限制值Win應用于在圖4所示的控制映射上來設定二次側電壓VH。此外，控制部50還可以通過將計算的二次電池12的荷電狀態(tài)應用于在圖5所示的控制映射上來設定二次側電壓VH。此外，控制部50還可以通過將檢測的二次電池12應用于在二次電池12的電壓下的在二次側電壓Vh的控制映射(未示出)上來設定二次側電壓VH。在該實施例中，滿足的是，根據(jù)二次電池12的充電電力限制值Win、荷電狀態(tài)和電壓中的至少一個來設定二次側電壓VH。然后，控制部50輸出導通FC繼電器M的命令。在FC繼電器由于該命令而變成被導通的特定時間流逝之后或者在此時，控制部50將二次側電壓Vh從開路電壓OCV改變?yōu)槿缟纤鲈O定的值。例如，在其中充電電力限制值是&的情形中，在圖4所示的控制映射上的所述值的應用是將V2作為要被設定的二次側電壓Vh的值。在FC繼電器M變成導通的特定時間流逝之后或者在此時，控制部50將二次側電壓Vh從開路電壓OCV改變?yōu)橹礦2。 然后，如以后所描述地，控制部50將燃料電池11的電壓從啟動電壓升高到值V2。當燃料電池11啟動時，二次側電壓Vh從開路電壓OCV降低到與二次電池12的荷電狀態(tài)相稱的電壓。因此，即使在其中燃料電池11執(zhí)行電力產生的情形中，燃料電池11也僅產生二次電池12能夠接收的電力量。這防止了二次電池12的過度充電，并且因此抑制了由于過度充電引起的、二次電池12的劣化。此外，在該實施例中，在FC繼電器M被導通以連接燃料電池11和負載系統(tǒng)之后， 二次側電壓Vh從開路電壓OCV降低到根據(jù)二次電池12的荷電狀態(tài)設定的電壓。因此，F(xiàn)C 繼電器M的熔化和破壞能夠得以防止。在開始氫系統(tǒng)的加壓、連接FC繼電器M并且基于二次電池12的荷電狀態(tài)調節(jié)二次側電壓Vh之后，控制部50輸出啟動空氣壓縮機19的命令。由于該命令，空氣壓縮機19 得以啟動，從而空氣開始被供應到燃料電池11。附帶說一句，開始氫系統(tǒng)的加壓的時刻和啟動空氣壓縮機19的時刻不受前面的說明所限制。例如，還容許在連接FC繼電器M并且基于二次電池12的荷電狀態(tài)調節(jié)二次側電壓后開始氫系統(tǒng)的加壓并且啟動空氣壓縮機 19。在空氣壓縮機19被啟動并且因此空氣開始被供應到燃料電池11之后，在氫和空氣中的氧之間的電化學反應在燃料電池11內開始，從而由電壓傳感器43檢測到的燃料電池11的FC電壓Vf從啟動電壓逐漸地升高，如圖3中的虛線所示。然后，燃料電池11的FC 電壓Vf達到根據(jù)二次電池12的荷電狀態(tài)設定的二次側電壓VH(例如，圖3中所示的V2)。 然后，控制部50假定燃料電池11的啟動已經完成，并且轉變?yōu)槠胀ú僮鳌Ｈ缟纤?，在該實施例中，當燃料電池啟動時，根據(jù)二次電池的荷電狀態(tài)，使得燃料電池的電壓高于高電勢避免電壓以限制燃料電池的輸出電流。由此，當燃料電池啟動時， 抑制了由于從燃料電池供應的電力引起的、二次電池的過度充電，從而由于過度充電引起的、二次電池的劣化能夠被抑制。雖然已經參考其示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應該理解，本發(fā)明不限于該示例性實施例或者構造。相反，本發(fā)明旨在覆蓋各種修改和等價布置。另外，雖然示例性實施例的各種元件被以示例性的各種組合和配置示出，但是包括更多、更少或者僅僅單一元件的其他組合和配置也在本發(fā)明的精神和范圍內。
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括二次電池，所述二次電池是可充電和可放電的；變壓器， 所述變壓器被設置在所述二次電池和負載系統(tǒng)之間；燃料電池，所述燃料電池通過在燃料氣體和氧化劑氣體之間的電化學反應產生電力，并且所述燃料電池向所述二次電池以及向與所述變壓器共享公共電路徑的所述負載系統(tǒng)供應電力；FC繼電器，所述FC繼電器接通和關斷在所述燃料電池和所述公共電路徑之間的電連接；以及控制部，所述控制部控制所述 FC繼電器的導通/斷開和所述燃料電池的電壓，其特征在于所述控制部包括用于啟動所述燃料電池的啟動裝置；當如果所述二次電池接收電力則會使得該二次電池將變成被過度充電時，所述啟動裝置通過將從所述變壓器供應的電壓設定為所述燃料電池的所述開路電壓、并且將所述燃料電池的電壓從啟動電壓升高到所述開路電壓，來啟動所述燃料電池；以及當如果所述二次電池接收電力不會使得該二次電池變成被過度充電時，所述啟動裝置通過在輸出用于導通所述FC繼電器的命令之后流逝預定時間之時或者之后將從所述變壓器供應的電壓設定為低于所述燃料電池的開路電壓的高電勢避免電壓、并且將所述燃料電池的電壓從所述啟動電壓升高到所述高電勢避免電壓，來啟動所述燃料電池。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，進一步包括充電電力限制值計算裝置，所述充電電力限制值計算裝置用于計算所述二次電池的充電電力限制值Win，其中當計算出的充電電力限制值Win大于或者等于預定值時，所述啟動裝置確定如果所述二次電池接收電力會使得該二次電池將變成被過度充電，進而通過將從所述變壓器供應的電壓設定為所述燃料電池的開路電壓、并且將所述燃料電池的電壓從所述啟動電壓升高到所述開路電壓來啟動所述燃料電池；以及當計算出的充電電力限制值Win小于所述預定值時，所述啟動裝置確定如果所述二次電池接收電力不會使得所述二次電池變成被過度充電，進而通過在輸出用于導通所述FC 繼電器的命令之后流逝預定時間之時或者之后將從所述變壓器供應的電壓設定為所述高電勢避免電壓、并且將所述燃料電池的電壓從所述啟動電壓升高到所述高電勢避免電壓來啟動所述燃料電池。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，進一步包括SOC計算裝置，所述SOC計算裝置用于計算所述二次電池的荷電狀態(tài)，其中當計算出的荷電狀態(tài)大于或者等于預定值時，所述啟動裝置確定如果所述二次電池接收電力會使得該二次電池將變成被過度充電，進而通過將從所述變壓器供應的電壓設定為所述燃料電池的開路電壓、并且將所述燃料電池的電壓從所述啟動電壓升高到所述開路電壓來啟動所述燃料電池；以及當計算出的荷電狀態(tài)小于所述預定值時，所述啟動裝置確定如果所述二次電池接收電力不會使得所述二次電池變成被過度充電，進而在輸出用于導通所述FC繼電器的命令之后流逝預定時間之時或者之后，通過將從所述變壓器供應的電壓設定為所述高電勢避免電壓、并且將所述燃料電池的電壓從所述啟動電壓升高到所述高電勢避免電壓來啟動所述燃料電池。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，進一步包括電壓檢測裝置，所述電壓檢測裝置用于檢測所述二次電池的電壓，其中當檢測到的電壓大于或者等于預定值時，所述啟動裝置確定如果所述二次電池接收電力會使得該二次電池將變成被過度充電，進而通過將從所述變壓器供應的電壓設定為所述燃料電池的開路電壓、并且將所述燃料電池的電壓從所述啟動電壓升高到所述開路電壓來啟動所述燃料電池；以及當檢測到的電壓小于所述預定值時，所述啟動裝置確定如果所述二次電池接收電力不會使得所述二次電池變成被過度充電，進而通過在輸出用于導通所述FC繼電器的命令之后流逝預定時間之時或者之后將從所述變壓器供應的電壓設定為所述高電勢避免電壓、并且將所述燃料電池的電壓從所述啟動電壓升高到所述高電勢避免電壓來啟動所述燃料電池。
5.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括二次電池，所述二次電池是可充電和可放電的；變壓器，所述變壓器被設置在所述二次電池和負載系統(tǒng)之間；燃料電池，所述燃料電池通過在燃料氣體和氧化劑氣體之間的電化學反應產生電力，并且所述燃料電池向所述二次電池和向與所述變壓器共享公共電路徑的所述負載系統(tǒng)供應電力；FC繼電器，所述 FC繼電器接通和關斷在所述燃料電池和所述公共電路徑之間的電連接；以及控制部，所述控制部控制所述FC繼電器的導通/斷開和所述燃料電池的電壓，其特征在于，所述控制部包括用于啟動所述燃料電池的啟動裝置；在輸出用于導通所述FC繼電器的命令之后流逝預定時間之時或者之后，根據(jù)所述二次電池的荷電狀態(tài)將從所述變壓器供應的電壓設定為在所述燃料電池的開路電壓和低于所述開路電壓的高電勢避免電壓之間的電壓，并且將所述燃料電池的電壓從啟動電壓升高到所設定的電壓。
6.根據(jù)權利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，進一步包括充電電力限制值計算裝置，所述充電電力限制值計算裝置用于計算所述二次電池的充電電力限制值Win，其中在輸出用于導通所述FC繼電器的命令之后流逝預定時間之時或者之后，所述啟動裝置通過根據(jù)所述充電電力限制值Win的計算值將從所述變壓器供應的電壓設定為在所述燃料電池的所述開路電壓和所述高電勢避免電壓之間的電壓、并且將所述燃料電池的電壓從所述啟動電壓升高到所設定的電壓，來啟動所述燃料電池。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的所述燃料電池系統(tǒng)，進一步包括SOC計算裝置，所述SOC計算裝置用于計算所述二次電池的荷電狀態(tài)，其中在輸出用于導通所述FC繼電器的命令之后流逝預定時間之時或者之后，所述啟動裝置通過根據(jù)所述荷電狀態(tài)的計算值將從所述變壓器供應的電壓設定為在所述燃料電池的所述開路電壓和所述高電勢避免電壓之間的電壓、并且將所述燃料電池的電壓從所述啟動電壓升高到所設定的電壓，來啟動所述燃料電池。
8.根據(jù)權利要求5至7中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，進一步包括電壓檢測裝置，所述電壓檢測裝置用于檢測所述二次電池的電壓， 其中在輸出用于導通所述FC繼電器的命令之后流逝預定時間之時或者之后，所述啟動裝置通過根據(jù)電壓的檢測值將從所述變壓器供應的電壓設定為在所述燃料電池的所述開路電壓和所述高電勢避免電壓之間的電壓、并且將所述燃料電池的電壓從所述啟動電壓升高到所設定的電壓，來啟動所述燃料電池。
9. 一種電動車輛，所述電動車輛配備有根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，在如果二次電池接收電力則二次電池將預期被過度充電的情形中，通過將從變壓器供應到二次電池的電壓設定在燃料電池的開路電壓并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到開路電壓，來啟動燃料電池。在如果二次電池接收電力時二次電池預期不會被過度充電的情形中，該系統(tǒng)通過在導通FC繼電器的命令輸出之后流逝預定時間時或者在此之后將從變壓器供應的電壓設定在低于燃料電池的開路電壓的高電勢避免電壓并且將燃料電池的電壓從啟動電壓升高到高電勢避免電壓，來啟動燃料電池。
文檔編號H01M8/04GK102379061SQ201080015060
公開日2012年3月14日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權日2009年3月31日
發(fā)明者今井敦志, 吉田道雄, 小川朋也 申請人:豐田自動車株式會社