專利名稱：氫驅動動力系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氫驅動動力系統，更具體地說，涉及這樣一種氫驅動動力系統，它利用供給系統從燃料供給箱(供給罐)給該氫驅動動力系統供應氣體燃料。
背景技術：
作為一種氫驅動動力系統，已經提出的技術是在燃料電池系統中，既經由氫氣循環通路使從燃料供給系統供應給燃料電池的氫循環，又經由氧化劑循環通路使從氧化劑供給系統供應給燃料電池的氧循環(JP-A-7-240220)。此系統旨在通過利用該循環通路使在該燃料電池內沒有消耗的氫和氧循環來提高從該燃料供給系統和氧化劑供給系統供應的氫和氧的利用率。
這種氫驅動動力系統采用由電動機驅動的循環泵來循環氫和氧。轉動位置傳感器如解算器通常用在電動機的驅動控制中以準確檢測電動機的轉動位置。但是，當轉動位置傳感器用于與氫循環泵一起使用的電動機的驅動控制時，該傳感器會由于氫脆等而惡化，使得其不能控制該電動機的驅動，這會影響該系統的操作。

發明內容
本發明的氫驅動動力系統的一個目的是防止由于傳感器惡化而影響該系統的操作。本發明的氫驅動動力系統的另一目的是判定供給和循環系統中是否存在異常。本發明的氫驅動動力系統的再一目的是在系統啟動時迅速檢查異常。
為實現至少一些以上目的，本發明的氫驅動動力系統采用以下裝置。
根據本發明的氫驅動動力系統采用從燃料供給箱給燃料電池供應氣體燃料的供給系統。該系統的特征在于該供給系統采用由無傳感器電動機驅的泵，該無傳感器電動機不具有用以檢測該電動機的至少轉動位置的傳感器。
因為該泵由根據本發明的氫驅動動力系統內的無傳感器電動機驅動，可防止該傳感器由于氫脆惡化而干擾該系統的操作。
在本發明的氫驅動動力系統內，供給系統通過經由循環通路使氣體燃料循環來從燃料供給箱給燃料電池供應該氣體燃料。該泵還可以是使氣體燃料在循環通路內循環的泵。
此外，本發明的氫驅動動力系統還可設置有用于檢測與該電動機的驅動相關的多種不同類型異常的異常檢測裝置；以及用于當在給出啟動該電動機的指令之后到已經過預定時間段為止已經由異常檢測裝置檢測到無論何種類型的異常預定次數時判定該供給系統中發生異常的異常判定裝置。因此，可基于在系統啟動過程中與電動機驅動相關的異常迅速檢測供給系統中的異常。氫驅動動力系統在檢測異常預定次數之后再作出發生異常的判定的理由是為了判定該異常是在電動機內還是在供給系統內，以及盡可能減少錯誤判定。因此，該預定次數可以是任何次數，只要其至少為二。
在本發明的可基于與電動機驅動相關的異常判定供給系統內的異常的氫驅動動力系統內，供給系統還可設置有安裝在泵的輸出側上的止回閥，異常判定裝置判定該止回閥的粘結(卡住，阻滯)為該供給系統中的異常。本發明的這種氫驅動動力系統還可設置有用于檢測外部氣溫的外部氣溫檢測裝置，所述異常判定裝置基于由該外部氣溫檢測裝置檢測的外部氣溫判定止回閥是否粘結。此外，該氫驅動動力系統可設置有用于檢測該泵的輸出側上的壓力的壓力檢測裝置，所述異常判定裝置基于由該壓力檢測裝置檢測的壓力判定止回閥是否粘結。按照這些方式通過基于外部氣溫和壓力判定異常，可以相當高的準確度檢測止回閥是否粘結。
此外，本發明的可基于與電動機驅動相關的異常判定供給系統內的異常的氫驅動動力系統還可設置有用于在已經由異常判定裝置判定該止回閥中存在異常時停止所述系統的系統停止裝置。因此，可基于迅速檢測到的供給系統內的異常及早停止該系統。
此外，本發明的可基于與電動機驅動相關的異常判定供給系統內的異常的氫驅動動力系統還可設置有用于在已經由異常檢測裝置檢測到異常時指示系統重啟，直到由異常判定裝置判定該供給系統中存在異常的重啟指示裝置。因此，可盡可能減少系統由于錯誤判定而被停止的情況。
本發明的氫驅動動力系統還可設置有用于檢測與電動機的驅動相關的多種不同類型異常的異常檢測裝置；以及用于在已經由該異常檢測裝置在預定時間段內檢測到無論何種類型的異常預定次數時停止該系統的系統停止裝置。因此，可在異常發生時迅速停止該系統。氫驅動動力系統在檢測異常預定次數之后再作出發生異常的判定的理由是為了盡可能減少該系統由于錯誤判定而被停止的情況。因此，該預定次數可以是任何次數，只要其至少為二。本發明的氫驅動動力系統還可設置有用于在已經由異常檢測裝置檢測到異常時指示該系統重啟，直到系統停止裝置停止該系統的重啟指示裝置。因此，能夠盡可能減少該系統由于錯誤判定而被停止的情況。
在本發明的可基于與電動機驅動相關的異常判定供給系統內的異常或者可基于與該電動機驅動相關的異常停止該系統的氫驅動動力系統中，異常檢測裝置檢測電動機內的過電流異常、電動機中的元件內的短路電流異常以及電動機內的鎖止異常(lock abnormality)中的至少一種異常，作為所述多種異常中的一種異常。


圖1是示意性示出根據本發明一個示例性實施例的燃料電池系統20的構造的結構圖；圖2是示出啟動時由ECU50在啟動期間執行的程序的一個例子的流程圖；圖3是示意性示出作為燃料電池系統20的修正例的燃料電池系統20B的構造的結構圖；以及圖4是示出在啟動期間執行的程序的修正例的一個例子的流程圖。
具體實施例方式
接著，將描述本發明的示例性實施例。圖1是示意性示出根據本發明一個示例性實施例的燃料電池系統20的構造的結構圖。如圖所示，此示例性實施例中的燃料電池系統20設置有利用在循環通路30內循環的氫氣與所供給空氣中的氧氣之間的電化學反應來發電的燃料電池22。燃料電池系統20還設置有給循環通路30供應氫氣的氫氣箱(氫氣罐)和控制整個系統的電子控制單元(以下簡稱為“ECU”)50。燃料電池系統20還設置有其它裝置，例如，給燃料電池22供應空氣的鼓風機、給該空氣和氫氣增濕的增濕器、使燃料電池22冷卻的冷卻系統、以及將燃料電池22產生的電力轉換為預期電壓的直流/直流轉換器。但由于這些裝置不是本發明的核心，所以省略對它們的詳細說明和圖示。
在循環通路30內，設置有給從燃料電池22排出的未反應氫氣加壓的泵32以及位于該泵32的輸出側上且阻止加壓氫氣回流的止回閥36。泵32由不具有用于檢測該電動機的轉動位置的傳感器如解算器的無傳感器電動機34驅動。來自直流電源40的直流電經由逆變器(變換器)42轉換為三相交流電并供應給電動機34。電動機34不具有傳感器的原因是為了防止由于氫脆導致傳感器惡化而不能控制該電動機34的驅動。此示例性實施例中采用的直流電源40利用電壓由直流/直流轉換器調節的燃料電池22生成的電力、或者由一系統如采用所調節電流充電的二次電池中的燃料電池22生成的電力。
ECU50被構造為微處理器，其主要部件是CPU52。除了CPU52外，ECU50還設置有儲存程序的ROM54、暫時儲存數據的RAM56、以及未示出的輸入/輸出口。各種信號經由該輸入口輸入給ECU50，例如，來自IPM傳感器(智能電源單元傳感器)60的信號和來自電流傳感器62和64的表示相電流Iu和Iv的信號，其中IPM傳感器60設在從直流電源40向逆變器42供應電力的電力線上并檢測元件內的短路電流，該電流傳感器62和64設在連接逆變器42與電動機34的三相電力線的u相和v相上。此外，各種信號經由輸出口從ECU50輸出，例如，提供給設在從氫氣箱24向循環通路30供應氫氣的供給管道內的調節閥26的驅動信號，以及提供給逆變器42的切換控制信號。供應給電動機34的相電流總量(Iu+Iv+Iw)為0，因此通過檢測作為相電流的u相電流Iu和v相電流Iv，能夠經由計算獲得w相電流Iw。
接著，將描述具有上述構造的燃料電池系統20的操作，更具體地說，燃料電池系統20在啟動期間檢測氫氣循環系統內的異常的操作，以及燃料電池系統20在已檢測到異常時的操作。圖2是示出在已給出啟動指令時由ECU50執行的循環系統啟動程序的一個例子的流程圖。在執行此程序時，ECU50的CPU52首先讀取由電流傳感器62和64檢測的表示相電流Iu和Iv的信號以及來自IPM傳感器60的信號(步驟S100)。然后執行檢查，以基于所讀取的相電流Iu和Iv檢測過電流異常和鎖止異常以及基于所讀取的IPM信號檢測元件中的短路電流異常(即，IPM異常)(步驟S110)。過電流異常可利用如基于相電流Iu和Iv和由這些相電流Iu和Iv算出的相電流Iw判定供應給電動機34的有效電流是否比額定值大一預定值的方法來檢測。鎖止異常可由隨著時間從啟動起經過而假定的電動機34的速度與基于相電流Iu和Iv的變化所估算的電動機34的速度之間的差異來檢測。IPM異常可直接由來自IPM傳感器60的信號檢測。
當由過電流異常、鎖止異常及IPM異常的檢測結果(步驟S120)判定這些異常中一個也沒有發生時，就判定從給出系統啟動指令起是否已經過預定時間段(步驟S130)。若還未經過該預定時間段，流程返回到步驟S100，并重復對過電流異常、鎖止異常和IPM異常的檢查。若已經過該預定時間段，則判定該循環系統的啟動完成且該程序結束。在此例中該預定時間段被設定為重啟系統預定次數并檢查是否發生過電流異常、鎖止異常或IPM異常(例如，2或3次)所花費的時間加上初始系統啟動和檢查的時間(即，預定次數+1)。隨后將更詳細地說明此預定次數。
另一方面，當由過電流異常、鎖止異常或IPM異常的檢測結果(步驟S120)判定這些異常中的任何一種異常發生時，就將異常檢測次數N增加值1并判斷該異常檢測次數N是否等于或大于閥值Nref(步驟S150)。若異常檢測次數N小于閥值Nref，就重啟該系統(步驟S160)且流程返回到步驟S100。若異常檢測次數N等于或大于閥值Nref，就停止該系統(步驟S170)且該程序結束。這里，異常檢測次數在系統啟動時被初始設定為值0，且閥值Nref被設定為比在設定上述預定時間段時采用的系統重啟預定次數大或小的值。例如，當將該預定時間段設定為檢查是否發生過電流異常、鎖止異常或IPM異常三次(即，一次在初始啟動過程中，兩次在重啟該系統時)所花費的時間時，閥值Nref被設定為值2或3。考慮到閥值Nref與預定時間段之間的關系，以及當檢測到過電流異常、鎖止異常和IPM異常中任何一種異常時在步驟S160重啟該系統這個事實，從給出啟動該系統的指令到已經過預定時間段，若每次重啟該系統都檢測到前述任一異常，則異常檢測次數N將成為等于或大于閥值Nref的值。
現在考慮止回閥36出于某種原因粘結例如凍結使得氫氣不能像應該的那樣經由泵32在循環通路30內循環而導致循環系統出現異常的情況。在這種情況中，當在重啟該系統時驅動電動機34且泵32試圖使從燃料電池22排出的未反應氫氣循環時，泵32的輸出側的壓力由于止回閥36粘結這個事實而增大，從而出現在驅動電動機34時泵32只能以低于通常假定速度的速度轉動或者其根本不轉動的情況。在這種情況中，任意判定電動機34中已經發生過電流異常、鎖止異常或IPM異常中的一種異常。因此，當在系統啟動時判定已經發生與電動機34的驅動相關的過電流異常、鎖止異常或IPM異常中的一種異常時，就可以推定氫氣循環系統中發生異常。在此示例性實施例中，通過在系統重啟時多次檢查與電動機34的驅動相關的異常，能盡可能減少由于干擾導致的錯誤判定，從而提高異常判定的準確性。若在預定時間段內異常檢測次數等于閥值Nref，就判定氫氣循環系統中存在異常并停止該系統。通常，基于預定次數(例如，3次)的異常檢測作出已經發生異常的判定，以防止由于干擾等導致錯誤判定。當就多種異常作出判定時，基于對任一種異常的預定次數的異常檢測作出已經發生異常的判定。當止回閥36粘結時，任意判定已發生與電動機34的驅動相關的過電流異常、鎖止異常或IPM異常中的一種異常。因此，當采用基于對任一種異常進行三次異常檢測的判定方法時，若異常以相等的頻率出現則有必要啟動該系統七次，還需要系統啟動過程中進行異常檢查的時間。另一方面，在此示例性實施例中，由于當基于三次異常檢測判定氫氣循環系統已經發生異常時就停止該系統，而不管全部三次異常檢測中是否檢測到同一異常，所以該系統僅需要重啟兩次。即，根據該示例性實施例，可縮短啟動過程中對異常進行檢查所需要的時間。
根據上述示例性實施例，由于用以驅動燃料電池系統20內的氫氣循環系統用泵32的電動機34是無傳感器的，可防止傳感器由于氫脆惡化而導致電動機34的驅動控制出現故障。結果，該系統的穩定性和耐用性提高。
此外，對于根據此示例性實施例的燃料電池系統20，當在系統啟動時對與電動機34驅動相關的異常例如過電流異常、鎖止異常或IPM異常執行檢查的過程中檢測到任一異常時，在重啟預定次數之后，當基于所進行的異常檢測的次數判定氫氣循環系統已經發生異常時就停止該系統。因此，由于可以在啟動時迅速地完成異常檢查，燃料電池系統20非常適于用在車輛內。
對于根據此示例性實施例的燃料電池系統20，對與電動機34驅動相關的異常例如過電流異常、鎖止異常或IPM異常執行檢查。若檢測到異常，就重啟該系統。若該系統重啟預定次數，就判定氫氣循環系統中已經發生異常。但是，或者，當進行了預定次數的異常檢測且所有這些檢測是針對同一異常時，可判定已經發生與電動機34的驅動相關的異常，當進行了預定次數的異常檢測且所有這些檢測不是針對同一異常時，可判定氫氣循環系統中已經發生異常。此外，如示出在圖3中的作為燃料電池系統20的修正例的燃料電池系統20B所示，壓力計66可設在泵32的輸出側上的循環通路30內，以及當已檢測到異常預定次數時，可基于由壓力計66檢測到的壓力P判定是與電動機34的驅動相關的異常還是氫氣循環系統中的異常。在這種情況中，若在已檢測到異常預定次數時壓力P小于閥值Pref，該閥值Pref被設定為比在氫氣循環系統內無異常時假定的壓力大的值，可判定是與電動機34的驅動相關的異常，并且若該壓力P等于或大于閥值Pref，可判定是由于止回閥36粘結而導致的氫氣循環系統中的異常。同時，如示出在圖3中的修正燃料電池系統20B所示，外部氣溫傳感器68可設在該系統內，以及當已檢測到異常預定次數時，可基于由外部氣溫傳感器68檢測到的外部氣溫T判定是與電動機34的驅動相關的異常還是氫氣循環系統中的異常。在這種情況中，若在已檢測到異常預定次數時外部氣溫T等于或低于預定溫度Tref，該預定溫度Tref被設定為比止回閥36凍結時假定的溫度低的溫度，可判定是由于止回閥36凍結發生粘結而導致的氫氣循環系統中的異常，以及若該外部氣溫T高于該預定溫度Tref，可判定是由于除凍結以外的其它原因導致的氫氣循環系統中的異常或者是與電動機34的驅動相關的異常。當考慮循環通路30內、泵32的輸出側上的壓力P或者外部氣溫T進行異常判定時，可執行圖4所示啟動程序以替換圖2所示啟動程序。在圖4所示啟動程序中，當異常檢測次數N等于或大于閥值Nref且外部氣溫T等于或低于預定溫度Tref時(步驟S270)，或者該外部氣溫T高于預定溫度Tref但循環通路30內、泵32的輸出側上的壓力P等于或大于閥值Pref時(步驟S280)，判定是由于止回閥36粘結而導致的氫氣循環系統中的異常(步驟S290)并停止該系統(步驟S310)。當外部氣溫T高于預定溫度Tref且循環通路30內、泵32的輸出側上的壓力P小于閥值Pref時，判定是與電動機的驅動相關的異常(步驟S300)并停止該系統(步驟S310)。因此，可判定一種異常是氫氣循環系統中的異常還是與電動機34的驅動相關的異常，便于對該異常作出適當回應。
根據本示例性實施例的燃料電池系統20判定作為與電動機34的驅動相關的異常的過電流異常、鎖止異常和IPM異常。燃料電池系統20也可判斷其它異常，只要它們與電動機34的驅動相關并且是由于氫氣循環系統中的異常而發生的。還可使燃料電池系統20僅檢查過電流異常、鎖止異常和IPM異常中的一種或兩種異常。
根據本示例性實施例的燃料電池系統20用于氫氣循環系統中的異常。或者，設置有將作為氧化劑的純氧循環給燃料電池22的氧氣循環系統的系統還能用于氧氣循環異常。此外，盡管根據本示例性實施例的燃料電池系統20用于氫氣循環系統中的異常，但其還可用于氫氣供給系統中的異常。
在上述示例性實施例中，根據本發明的氫驅動動力系統用于燃料電池系統，但只要本發明的氫驅動動力源利用氫氣產生動力，其不限于燃料電池系統，例如可以是氫發動機。
盡管這里已參照特定實施例對本發明進行了描述，但對本領域技術人員而言許多修正和變型都是顯而易見的。相應地，所有這些修正和變型都包括在本發明的范圍內。
權利要求
1.一種氫驅動動力系統，它設置有從燃料供給箱向氫驅動動力源供應氣體燃料的供給系統，其特征在于，所述氫驅動動力系統包括設置在所述供給系統內的由無傳感器電動機驅動的泵，所述無傳感器電動機不具有用于檢測所述電動機的至少轉動位置的傳感器。
2.根據權利要求1所述的氫驅動動力系統，其特征在于，所述供給系統經由循環通路使從所述燃料供給箱供應到所述氫驅動動力源的氣體燃料循環，以便將氣體燃料供應到所述氫驅動動力源，并且所述泵使氣體燃料在所述循環通路內循環。
3.根據權利要求1或2所述的氫驅動動力系統，其特征在于，它還包括用于檢測與驅動所述電動機相關的多種不同類型異常的異常檢測裝置；和用于當在給出啟動所述電動機的指令之后到已經過預定時間段為止已經由所述異常檢測裝置檢測到無論何種類型的異常預定次數時判定所述供給系統中發生異常的異常判定裝置。
4.根據權利要求3所述的氫驅動動力系統，其特征在于，所述供給系統設置有安裝在所述泵的輸出側上的止回閥，所述異常判定裝置判定所述止回閥的粘結為所述供給系統中的異常。
5.根據權利要求4所述的氫驅動動力系統，其特征在于，它還設置有用于檢測外部氣溫的外部氣溫檢測裝置，所述異常判定裝置基于由所述外部氣溫檢測裝置檢測的外部氣溫判定所述止回閥是否粘結。
6.根據權利要求4或5所述的氫驅動動力系統，其特征在于，它還設置有用于檢測所述泵的輸出側上的壓力的壓力檢測裝置，所述異常判定裝置基于由所述壓力檢測裝置檢測的壓力判定所述止回閥是否粘結。
7.根據權利要求3至6中任一項所述的氫驅動動力系統，其特征在于，它還包括用于在已經由所述異常判定裝置判定所述止回閥中存在異常時停止所述系統的系統停止裝置。
8.根據權利要求3至7中任一項所述的氫驅動動力系統，其特征在于，它還包括重啟指示裝置，該重啟指示裝置用于在已經由所述異常檢測裝置檢測到異常時指示所述系統重啟，直到由所述異常判定裝置判定所述供給系統中存在異常。
9.根據權利要求1或2所述的氫驅動動力系統，其特征在于，它還包括用于檢測與所述電動機的驅動相關的多種不同類型異常的異常檢測裝置；和用于在已經由所述異常檢測裝置在預定時間段內檢測到無論何種類型的異常預定次數時停止所述系統的系統停止裝置。
10.根據權利要求9所述的氫驅動動力系統，其特征在于，它還包括重啟指示裝置，該重啟指示裝置用于在已經由所述異常檢測裝置檢測到異常時指示所述系統重啟，直到由所述系統停止裝置停止所述系統。
11.根據權利要求3至10中任一項所述的氫驅動動力系統，其特征在于，所述異常檢測裝置檢測所述電動機內的過電流異常、所述電動機中的元件內的短路電流異常以及所述電動機內的鎖止異常中的至少一種異常，作為所述多種異常中的一種異常。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的氫驅動動力系統，其特征在于，所述氫驅動動力源是燃料電池。
13.根據權利要求1至11中任一項所述的氫驅動動力系統，其特征在于，所述氫驅動動力系統是氫發動機。
14.一種氫驅動動力系統，其特征在于，它包括從燃料供給箱向氫驅動動力源供應氣體燃料的供給系統；和設置在所述供給系統內的由無傳感器電動機驅動的泵，所述無傳感器電動機不具有用于檢測所述電動機的至少轉動位置的傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種氫驅動動力系統。該氫驅動動力系統的一種形式是設置有從燃料供給箱(24)給燃料電池(22)供應氣體燃料的供給系統的燃料電池系統(20)，其特征在于，泵(32)設在該供給系統內，該泵由無傳感器電動機(34)驅動，該無傳感器電動機不具有用以檢測該電動機(34)的至少轉動位置的傳感器。
文檔編號F02B43/10GK1930713SQ200380102277
公開日2007年3月14日 申請日期2003年10月30日 優先權日2002年11月1日
發明者石川哲浩, 佐藤仁, 兵庫隆 申請人:豐田自動車株式會社, 株式會社豐田自動織機