电力供给系统以及电力供给系统的控制方法 |
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| 申请号 | CN201380043700.2 | 申请日 | 2013-07-05 | 公开(公告)号 | CN104584362B | 公开(公告)日 | 2017-11-21 |
| 申请人 | 日产自动车株式会社; | 发明人 | 藤田武志; | ||||
| 摘要 | 本 发明 的电 力 控制装置(9)具备：供电目标值获取部(21)，其获取负载中当前消耗的电力来作为供电目标值；发电电力检测部(22)，其检测相对于供电目标值由 燃料 电池 (2)进行发电而得到的发电电力值；电力补偿量计算部(23)，其求出供电目标值与发电电力值的偏差来计算要从 蓄电池 (6)向负载供给的电力补偿量；以及输出电力控制部(24)，其求出蓄电池(6)的当前的过渡响应特性，基于当前的过渡响应特性来进行控制使得蓄电池(6)的输出电力成为电力补偿量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电力供给系统，具备与发电装置并联连接的蓄电池来向负载供给电力，该电力供给系统的特征在于，具备： |
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| 说明书全文 | 电力供给系统以及电力供给系统的控制方法技术领域背景技术[0002] 近年来，开发了一种对作为发电装置的燃料电池并联连接蓄电池以从燃料电池和蓄电池两种电池向负载供给电力的混合动力电力供给系统。在这种电力供给系统中，考虑了由于燃料电池的发电电力的响应特性(响应延迟)而利用蓄电池的输出电力来补偿相对于负载的消耗电力不足的电力(专利文献1)。 [0003] 专利文献1：日本特开2003-235162号公报 发明内容[0004] 然而，在上述以往的电力供给系统中存在以下问题：由于没有考虑从蓄电池输出的电力的过渡响应特性，因此不能准确地补偿输出电力。例如，在燃料电池的发电电力相对于负载的消耗电力不足的情况下，存在以下问题：即使想要利用蓄电池的输出电力进行补偿，由于蓄电池的输出电力的过渡响应特性也无法获得充足的输出电力，向负载供给的供给电力产生过量或者不足。 [0005] 因此，本发明是鉴于上述实际情况而提出的，其目的在于提供能够准确地补偿向负载输出的输出电力的电力供给系统以及电力供给系统的控制方法。 [0006] 为了解决上述问题，本发明提出一种将发电装置与蓄电池并联连接的电力供给系统，获取负载中当前消耗的电力来作为供电目标值，检测相对于供电目标值利用发电装置进行发电而得到的发电电力值。而且，通过求出供电目标值与发电电力值的偏差来计算从蓄电池向负载供给的电力补偿量，求出蓄电池的当前的过渡响应特性，基于该当前的过渡响应特性来进行控制使得蓄电池的输出电力成为电力补偿量。附图说明 [0007] 图1是表示应用了本发明的一实施方式所涉及的电力供给系统的结构的框图。 [0008] 图2是表示应用了本发明的一实施方式所涉及的电力供给系统中的电力控制装置的结构的框图。 [0009] 图3是表示由应用了本发明的一实施方式所涉及的电力供给系统的电力控制装置进行的电力控制处理的处理过程的流程图。 [0010] 图4是表示由应用了本发明的一实施方式所涉及的电力供给系统的相对于电力控制装置存储的供电目标值的燃料电池的发电特性的图。 [0011] 图5是表示由应用了本发明的一实施方式所涉及的电力供给系统的电力控制装置存储的蓄电池的内阻的随时间的变化的图。 [0012] 图6是用于说明由应用了本发明的一实施方式所涉及的电力供给系统的电力控制装置进行的电力控制处理的效果的图。 [0014] 图8是用于说明由应用了本发明的一实施方式所涉及的电力供给系统的电力控制装置进行的电力控制处理的效果的图。 具体实施方式[0015] 下面，参照附图来说明应用了本发明的一实施方式。 [0016] [电力供给系统的结构] [0017] 图1是表示本实施方式所涉及的电力供给系统的结构的框图。如图1所示，本实施方式所涉及的电力供给系统1包括：燃料电池2，其作为发电装置来供给电力；燃料电池控制装置3，其控制由燃料电池2进行的发电；直流-直流转换器4，其将利用燃料电池2发电而得到的电力转换为负载所请求的电力；转换器控制部5，其控制直流-直流转换器4的输出电力；蓄电池6，其在燃料电池2的发电电力相对于负载的消耗电力过量或者不足的情况下补偿电力；电池组控制器7，其控制蓄电池6的动作；直流-直流转换器8，其控制针对蓄电池6的充放电；电力控制装置9，其控制直流-直流转换器8的输出电力；直流-交流转换器10，其将从燃料电池2和蓄电池6供给的直流电力转换为交流电力；以及供电目标值计算部11，其计算供电目标值并输出。 [0018] 在此，本实施方式所涉及的电力供给系统1是用于将作为发电装置的燃料电池2与蓄电池4并联连接来对负载供给电力的系统，在燃料电池2的发电电力相对于负载的消耗电力不足的情况下，利用蓄电池6的输出电力补偿不足的电力。 [0020] 燃料电池控制装置3控制向燃料电池2供给的氧和燃料(氢气、改性气体)，使得燃料电池2的发电电力成为从转换器控制部5输入的发电目标值。 [0021] 直流-直流转换器4对由燃料电池2发电而得到的电力进行转换以使之成为供电目标值并向直流-交流转换器10输出。 [0022] 转换器控制部5进行控制以使得直流-直流转换器4的输出电力成为供电目标值，并且计算直流-直流转换器4的输出电力满足供电目标值所需的输入电力，将计算出的电力作为发电目标值而向燃料电池控制装置3输出。 [0023] 蓄电池6例如是锂离子电池等能够充放电的二次电池，通过放电来向负载供给电力，并且以剩余的电力进行充电。 [0025] 在燃料电池2的发电电力相对于负载的消耗电力不足的情况下，直流-直流转换器8对蓄电池6的电力进行转换并作为不足部分的电力进行输出。另外，将利用燃料电池2发电而得到的电力中的剩余的电力输入到蓄电池6来进行充电。 [0026] 电力控制装置9基于从电池组控制器7输入的蓄电池6的内阻、温度、从供电目标值计算部11输入的供电目标值、直流-直流转换器4的端子电压以及电流来计算直流-直流转换器8的输出电力，对直流-直流转换器8输出放电或者充电指令来进行控制。具体地说，从供电目标值减去直流-直流转换器4的输出电力来计算出电力补偿量，控制直流-直流转换器8以使得直流-直流转换器8的输出电力与电力补偿量一致。 [0027] 直流-交流转换器10将从燃料电池2和蓄电池6供给的直流电力转换为作为负载的工作电压的规定的电压的交流电力(例如100V)并向负载输出。 [0028] 供电目标值计算部11计算将向负载输出的交流电力的电压维持为规定的电压所需的电力，来作为供电目标值，并输出到转换器控制部5和电力控制装置9。 [0029] 此外，在本实施方式中，将负载设为利用交流电力进行工作的交流负载，因此使用了将从燃料电池2和蓄电池6供给的直流电力转换为交流电力并输出的直流-交流转换器10，但并不限定于此。例如，在负载是利用直流电力进行工作的直流负载的情况下，能够代替直流-交流转换器10而使用直流-直流转换器。 [0030] 接着，参照图2来说明本实施方式所涉及的电力控制装置9的结构。如图2所示，本实施方式所涉及的电力供给系统1的电力控制装置9具备：供电目标值获取部21，其获取负载当前消耗的电力来作为供电目标值；发电电力检测部22，其检测相对于供电目标值由燃料电池2发电而得到的发电电力值；电力补偿量计算部23，其通过求出供电目标值与发电电力值的偏差来计算从蓄电池6向负载供给的电力补偿量；以及输出电力控制部24，其求出蓄电池6的当前的过渡响应特性，基于该当前的过渡响应特性进行控制以使得蓄电池6的输出电力成为电力补偿量。 [0031] 在此，电力控制装置9由微计算机、微处理器、包括CPU的通用的电子电路和周边设备构成。而且，通过执行特定的程序来作为供电目标值获取部21、发电电力检测部22、电力补偿量计算部23以及输出电力控制部24进行动作。 [0032] 供电目标值获取部21通过接收由供电目标值计算部11计算出并输出的供电目标值来获取供电目标值。 [0033] 发电电力检测部22基于从直流-直流转换器4输出的电压和电流来计算直流-直流转换器4的输出电力，检测该输出电力来作为燃料电池2的发电电力值。另外，发电电力检测部22也可以预先存储相对于供电目标值的燃料电池2的发电特性，在这种情况下与供电目标值相应地检测发电电力值。 [0034] 电力补偿量计算部23通过从供电目标值减去发电电力值来求出偏差，计算该偏差来作为要由蓄电池6产生的电力补偿量。 [0035] 输出电力控制部24获取从电池组控制器7输出的蓄电池6的内阻，基于该内阻来计算蓄电池6的当前的过渡响应特性。然后，基于该当前的过渡响应特性来变更控制增益以使得蓄电池6的输出电力成为电力补偿量，从而控制直流-直流转换器8。另外，输出电力控制部24也可以预先存储蓄电池6的内阻的随时间的变化，在这种情况下与从初始设定起(蓄电池6被安装到系统的时间点起)经过的期间相应地对初始设定时的内阻加上从初始设定时起的内阻的随时间的变化，从而求出蓄电池6的内阻。 [0036] [蓄电池的电力控制处理的过程] [0037] 接着，参照图3的流程图来说明由本实施方式所涉及的电力供给系统1的电力控制装置9进行的电力控制处理的过程。 [0038] 如图3所示，首先在步骤S101中，供电目标值获取部21获取从供电目标值计算部11输出的供电目标值，并识别负载当前消耗的电力。 [0039] 接着，在步骤S102中，发电电力检测部22获取从直流-直流转换器4输出的电压值和电流值，基于该电压值和电流值来检测燃料电池2的发电电力值。另外，如图4所示，发电电力检测部22也可以预先存储相对于供电目标值的燃料电池2的发电特性。在这种情况下，发电电力检测部22与供电目标值相应地求出发电电力值，因此能够进行前馈控制，能够实现处理的准确性和处理速度的提高。 [0040] 接着，在步骤S103中，电力补偿量计算部23判断供电目标值是否等于发电电力值，在供电目标值等于发电电力值的情况下，不需要来自蓄电池6的电力供给，因此结束本实施方式所涉及的电力控制处理。 [0041] 另一方面，在步骤S103中供电目标值不等于发电电力值的情况下，进入步骤S104，电力补偿量计算部23判断燃料电池2的发电电力是否不足(供电目标值>发电电力值)。而且，在不足(供电目标值>发电电力值)的情况下，进入步骤S105A，电力补偿量计算部23通过从供电目标值减去发电电力值来求出偏差，计算该偏差来作为要由蓄电池6产生的电力补偿量。 [0042] 接着，输出电力控制部24在步骤S106A中获取从直流-直流转换器8输出的蓄电池6的当前的电压值和电流值，在步骤S107A中从电池组控制器7获取蓄电池6的内阻。 [0043] 在此，既可以是以实时的方式始终地从电池组控制器7获取蓄电池6的内阻，也可以仅在系统启动时获取蓄电池6的内阻。其中，在仅在系统启动时获取蓄电池6的内阻的情况下，输出电力控制部24在步骤S108A中从电池组控制器7获取蓄电池6的温度，与获取到的蓄电池6的温度相应地始终校正内阻的值。 [0044] 并且，如图5所示，输出电力控制部24也可以预先存储蓄电池6的内阻的随时间的变化，与从初始设定起经过的期间相应地求出蓄电池6的内阻。由此，即使逐次进行计算也能够容易地获取内阻的值，因此能够缩短处理所需的时间。 [0045] 当通过这样获取内阻的值时，输出电力控制部24在步骤S109A中基于内阻计算蓄电池6的当前的过渡响应特性。通过对以下式(1)所示的LCR电路的电压方程式进行求解能够求出过渡响应特性。 [0046] [式1] [0047] [0048] 在此，当解出式(1)的电压方程式时，过渡响应特性成为以下所示的式(2)、式(3)。 [0049] [式2] [0050] [0051] [式3] [0052] [0053] 其中，i(t)是表示蓄电池6的过渡响应特性的输出电流，V0是蓄电池6的端子电压中的电流响应分量的电压值(即，是与电流相应地变化的电压值、从端子电压减去无负载电压而得到的电压值)，L是系统固有的电感分量，C是系统固有的静电电容分量，R是蓄电池6的内阻。L、C是常数，因此如果设定内阻R，则能够决定过渡响应特性。 [0054] 在此，使用初始设定时的内阻来设定过渡响应特性，在没有进行修正的情况下，当内阻随着时间变化而增大时，过渡响应特性下降，因此不能利用蓄电池6的电力准确地补偿所需的电力。但是，在本实施方式中，基于当前的内阻来计算当前的过渡响应特性，因此即使设为过渡响应特性随时间变化而发生改变，也能够准确地补偿向负载输出的输出电力。 [0055] 当通过这样计算出当前的过渡响应特性时，输出电力控制部24在步骤S110A中计算能够实现电力补偿量的控制增益，在步骤S111A中基于控制增益输出放电指令来控制直流-直流转换器8。 [0056] 由此，在燃料电池2的发电电力相对于负载的消耗电力不足的情况下，从蓄电池6放出不足部分的电力并结束本实施方式所涉及的电力控制处理。 [0057] 另一方面，在步骤S104中燃料电池2的发电电力充足(供电目标值<发电电力值)、即燃料电池2的发电电力剩余的情况下，在步骤S105B～步骤S110B中进行与步骤S105A～步骤S110A相同的处理。然后，在步骤S111B中输出充电指令来控制直流-直流转换器8，由此在燃料电池2的发电电力相对于负载的消耗电力剩余的情况下，将剩余部分的电力充到蓄电池6并结束本实施方式所涉及的电力控制处理。 [0058] [实施方式的效果] [0059] 进行上述处理，由此在本实施方式所涉及的电力供给系统1的电力控制装置9中供电目标值如图6所示那样在时刻t0急剧变化的情况下，能够通过蓄电池6的放电来补偿燃料电池2的发电电力的不足部分。另外，在经过时刻t1之后燃料电池2的发电电力超过供电目标值的情况下，能够将剩余的电力充到蓄电池6中。 [0060] 并且，在本实施方式所涉及的电力供给系统1的电力控制装置9中，求出蓄电池6的当前的过渡响应特性，基于当前的过渡响应特性进行控制以使得蓄电池6的输出电力成为电力补偿量。由此，即使蓄电池6的过渡响应特性由于随时间变化等而发生改变，也能够准确地补偿向负载输出的输出电力。 [0061] 例如，用于在蓄电池6中使输出电流提高1A的电压值与内阻之间的关系如图7所示。即，当内阻的值从160mΩ增大到320mΩ时，将蓄电池6的输出电流提高1A所需的电压(要增大的电压)从0.17V增大到0.33V。即为了将输出电流提高1A，在蓄电池6中所需的输出电力从0.17w增大到0.33w。 [0062] 如果利用过渡响应特性来说明该情况，则如图8所示在电力补偿量是C[w]的情况下，在内阻为160mΩ时将式(2)的i(t)乘以V0而得到的蓄电池6的过渡响应特性为K1。此时，为了在时刻t0使过渡响应特性提高至电力补偿量C[w]，需要0.17w。 [0063] 另一方面，当蓄电池6随时间变化而发生劣化而内阻变为320mΩ时，过渡响应特性为K2，为了在时刻t0使过渡响应特性提高至电力补偿量C[w]，需要0.33w。 [0064] 例如，在保持初始设定时的内阻的状态下设定过渡响应特性的情况下，虽然实际上过渡响应特性随时间变化而从K1下降至K2，但没有考虑到这样的情况，因而，不能准确地使蓄电池6的输出电力与电力补偿量一致。 [0065] 与此相对地，在本实施方式所涉及的电力供给系统1的电力控制装置9中，即使在内阻随时间变化发生劣化的情况下也计算当前的过渡响应特性K2，基于当前的过渡响应特性K2来控制蓄电池6的输出电力。因而，即使蓄电池6的过渡响应特性随时间变化等发生改变也能够准确地补偿向负载输出的输出电力。 [0066] 特别是，根据本实施方式所涉及的电力供给系统1的电力控制装置9，基于蓄电池6的内阻来计算当前的过渡响应特性，因此能够利用在蓄电池中通常测量出的内阻的值来容易地计算出当前的过渡响应特性。 [0067] 另外，在本实施方式所涉及的电力供给系统1的电力控制装置9中，预先存储蓄电池6的内阻的随时间变化，与从初始设定起经过的期间相应地求出蓄电池6的内阻。由此，即使不逐次进行计算也能够容易地获取内阻的值，从而能够缩短处理所需的时间。 [0068] 并且，在本实施方式所涉及的电力供给系统1的电力控制装置9中，预先存储相对于供电目标值的燃料电池2的发电特性，与供电目标值相应地检测发电电力值。由此，利用预先存储的燃料电池2的发电特性进行前馈控制，能够实现处理的准确性和处理速度的提高。 [0069] 另外，根据本实施方式所涉及的电力供给系统1的电力控制装置9，与蓄电池6的当前的过渡响应特性相应地变更控制增益，因此能够尽早地使蓄电池6的输出电力与电力补偿量一致。 [0070] 此外，上述实施方式是本发明的一例。因此，本发明并不限定于上述实施方式，显然即使是除该实施方式以外的方式，只要在不脱离本发明所涉及的技术思想的范围内就能够与设计等相应地进行各种变更。 [0072] 产业上的可利用性 [0073] 根据本发明的一个方式所涉及的电力供给系统以及电力供给系统的控制方法，求出蓄电池的当前的过渡响应特性，基于该过渡响应特性来进行控制以使得蓄电池的输出电力成为电力补偿量，因此能够准确地补偿向负载输出的输出电力。因而，本发明的一个方式所涉及的电力供给系统以及电力供给系统的控制方法能够在产业上利用。 [0074] 附图标记说明 [0075] 1：电力供给系统；2：燃料电池；3：燃料电池控制装置；4：直流-直流转换器；5：转换器控制部；6：蓄电池；7：电池组控制器；8：直流-直流转换器；9：电力控制装置；10：直流-交流转换器；11：供电目标值计算部。 |
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