CN101584070A - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
提供一种燃料电池系统，将燃料电池的输出电压－输出电力特性FC的最大输出特性(f2)和负载装置的最大输出特性(f3)所示坐标图的交点(B点)所表示的系统电压(＝VM)，作为燃料电池的输出电压而输出至DC－DC转换器，得到最佳的输出电力(＝PM)，由此实现燃料电池侧的输出电流－输出电压特性和负载侧的最大输出特性之间的匹配，从而提高运转效率，不产生物理故障。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，特别涉及在车辆(移动体)上搭载的燃料电池系统控制方法。
背景技术
近年来，向移动体等负载供给电力的燃料电池系统进入了实用阶段。燃料电池通过氢等燃料气体和含有氧的氧化气体之间的电化学反应来取出电动势，在输出电流和输出电压之间存在预定的关系(输出电流-输出电压特性)。这样的输出电流-输出电压特性例如根据供给至燃料电池的燃料气体及氧化气体的气体量而变化。此外，对于任一个输出电流-输出电压特性都确定有能够提供最大输出电力(净输出)的输出电流值。在此，输出电力(FC允许电力)是输出电流乘以输出电压而计算出的物理量，在与所供给的气体量的关系上也具有特性。
作为相关的现有技术，提出有一种电源系统，包括：将燃料电池的输出电力(FC允许电力)作为表示与供给气体量之间关系的输出特性而存储的机构、重新取得该输出特性并追加存储的机构、对于相同气体量根据所存储的输出特性来决定输出电力(FC允许电力)的机构(例如日本特开2003-272679号公报(第0034、0035段等)。
发明内容
然而，在燃料电池中存在输出电流-输出电压特性，在另一方的负载侧存在确定输入电流和最大输出之间关系的最大输出特性，因此实现两者的匹配是课题所在。但是，在现有的燃料电池系统中并没有解决该课题。
如果两者不匹配，则例如达不到负载侧所要求的最大输出，或者从燃料电池系统供给大于负载侧所要求的最大输出的多余电力，在燃料电池系统中会发生不良状况(发热、电力平衡的破坏、二次电池的过充电)等。
于是，为了解决上述课题，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，通过实现燃料电池侧的输出电流-输出电压特性和负载侧的最大输出特性的匹配，提高运转效率，并且不产生物理故障。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统具有对负载装置供给电力的燃料电池，其特征在于，参照所述负载装置的最大电力特性和所述燃料电池的输出电力特性，以满足所述负载装置的最大电力特性及所述燃料电池的输出电力特性双方的方式，决定所述燃料电池的最大输出。
具体而言，本发明的一种燃料电池系统，具有对负载装置供给电力的燃料电池，其特征在于，包括：输出电压校正部，参照所述负载装置的最大电力特性和所述燃料电池的输出电压-输出电力特性，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电压；电力推测部，根据所述输出电压推测所述燃料电池的最大输出；以及燃料电池控制部，将所述输出电压指示给所述燃料电池。
若仅着眼于负载装置的最大电力特性，根据该特性设定为能够得到最大电力的燃料电池的输出电压，则实际的燃料电池的输出电压-输出电力特性受到限制，若仅着眼于燃料电池的输出电压-输出电力特性，根据该特性设定为能够得到最大电力的燃料电池的输出电压，则实际的负载装置的最大电力特性受到限制，于是仅能得到偏离所期待的最大电力的低输出电力，或者多余的发电，因此在燃料电池系统中产生不良状况，而通过如上述那样构成，能够防止上述情况的产生，能够设定适当的动作点。
此外，在所述燃料电池系统中，其特征在于，所述输出电压校正部通过推测表示所述负载装置的最大电力特性的特性曲线和表示所述燃料电池的输出电压-输出电力特性的特性曲线的交点，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电压。
根据该结构，能够得到满足双方的特性的适当的动作点，防止因产生剩余电力而使功率平衡受到破坏的情况，此外能够抑制二次电池的过充电及系统内部无用的发热。
另外，在所述燃料电池系统中，其特征在于，所述输出电压校正部通过由多个离散点定义的映射(Map)保存所述输出电压-输出电力特性，在计算所述输出电压时，实施所述数值点间的插值运算，计算所述输出电压。
根据该结构，能够通过插值运算正确地推测没有记录在映射中的输出电压-输出电力特性值，能够节约存储输出电压-输出电力特性的存储装置的存储容量，并且能够提高用于供给对负载装置而言真正有效的最大电力的计算精度。
另外，优选的是，在所述燃料电池系统中，在相邻的所述离散点处的所述输出电压-输出电力特性的斜率为彼此相反极性的情况下，所述输出电压校正部实施所述插值运算。
通过这样设定条件，能够推测在离散点之间夹着极大点的情况，能够确保适当地实施插值运算。
另外，优选的是，在所述燃料电池系统中，在相邻的所述离散点处的所述输出电压-输出电力特性的斜率的绝对值为预定值以上的情况下，所述输出电压校正部实施所述插值运算。
通过这样设定条件，即使在离散点间夹着极大点，但排除了一方的离散点位于极大点附近等不需要进行插值运算的情况，因此能够仅在插值运算有效的情况下允许进行插值运算。
为了解决上述课题，本发明的一种燃料电池系统，具有对负载装置供给电力的燃料电池，其特征在于，包括：输出电流校正部，参照所述负载装置的最大电力特性和所述燃料电池的输出电流-输出电力特性，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电流；电力推测部，根据所述输出电流推测所述燃料电池的最大输出；以及燃料电池控制部，将与所述输出电流对应的所述燃料电池的输出电压指示给所述燃料电池。
若仅着眼于负载装置的最大电力特性，根据该特性设定为能够得到最大电力的燃料电池的输出电流，则实际的燃料电池的输出电流-输出电力特性受到限制，若仅着眼于燃料电池的输出电流-输出电力特性，根据该特性设定为能够得到最大电力的燃料电池的输出电流，则实际的负载装置的最大电力特性受到限制，于是仅能得到偏离所期待的最大电力的低输出电力，或者多余的发电，因此在燃料电池系统中产生不良状况，而通过如上述那样构成，能够防止上述情况的产生，能够设定适当的动作点。
此外，在所述燃料电池系统中，其特征在于，所述输出电流校正部通过推测表示所述负载装置的最大电力特性的特性曲线和表示所述燃料电池的输出电流-输出电力特性的特性曲线的交点，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电流。
根据上述结构，能够得到满足双方的特性的适当的动作点，防止因产生剩余电力而使功率平衡受到破坏的情况，此外能够抑制二次电池的过充电及系统内部无用的发热。
另外，优选的是，在所述燃料电子系统中，所述输出电流校正部通过由多个离散点定义的映射保存所述输出电流-输出电力特性，在计算所述输出电流时，实施所述离散点间的插值运算，计算所述输出电流。
根据上述结构，通过插值运算能够正确地推测出在映射中没有记录的输出电流-输出电力特性值，能够节约存储输出电流-输出电力特性的存储装置的存储容量，并能够提高用于供给对负载装置而言真正有效的最大电力的计算精度。
另外，优选的是，在所述燃料电子系统中，在相邻的所述离散点处的所述输出电流-输出电力特性的斜率为彼此相反极性的情况下，所述输出电流校正部实施所述插值运算。
通过这样设定条件，能够推测离散点之间夹着极大点的情况，能够确保适当地实施插值运算。
另外，优选的是，在所述燃料电子系统中，在相邻的所述离散点处的所述输出电流-输出电力特性的斜率的绝对值为预定值以上的情况下，所述输出电流校正部实施所述插值运算。
通过这样设定条件，即使在离散点间夹着极大点，但也排除了一方的离散点位于极大点附近等不需要进行插值运算的情况，因此能够仅在插值运算有效的情况下允许进行插值运算。
此外，在本发明的所述燃料电池系统中，其特征在于，所述负载装置是驱动电机。负载装置为驱动电机的情况为优选的发明。
为了解决上述课题，在本发明的一种用于燃料电池系统的电力控制方法中，所述燃料电池系统具有对负载装置供给电力的燃料电池，该用于燃料电池系统的电力控制方法的特征在于，包括以下步骤：参照所述负载装置的最大电力特性和所述燃料电池的输出电压-输出电力特性，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电压；根据所述输出电压推测所述燃料电池的最大输出；以及将所述输出电压指示给所述燃料电池。
为了解决上述课题，在本发明的一种用于燃料电池系统的电力控制方法中，所述燃料电池系统具有对负载装置供给电力的燃料电池，该用于燃料电池系统的电力控制方法的特征在于，包括以下步骤：参照所述负载装置的最大电力特性和所述燃料电池的输出电流-输出电力特性，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电流；根据所述输出电流推测所述燃料电池的最大输出；以及将与所述输出电流对应的所述燃料电池的输出电压指示给所述燃料电池。
附图说明
图1是适用了本发明的燃料电池系统的系统结构图。
图2是适用了本发明的燃料电池系统10的控制部80的功能框图。
图3是表示燃料电池的输出电压-输出电力特性和负载装置的最大输出特性的关系的特性曲线图。
图4是表示本发明的实施方式一的处理步骤的流程图。
图5是通过格点的离散值表示燃料电池的特性的特性曲线图，图5A是表示燃料电池的输出电流-输出电压特性的图，图5B是表示燃料电池的输出电流-输出电力特性的图。
图6是表示本发明的实施方式二的处理步骤的流程图。
具体实施方式
接下来参照附图说明用于实施本发明的优选的实施方式。
(实施方式一)
本发明的实施方式是将本发明适用于搭载有混合型燃料电池的电气汽车的情况。以下的实施方式只不过是本发明的适用方式的示例，而并不限定本发明。
在该实施方式一中，根据燃料电池的输出电流-输出电力特性和负载装置的最大输出特性，求出输出最佳的最大输出电力的动作点。
图1是适用了本发明的燃料电池系统的系统结构图。
图1中，燃料电池系统10作为主要的构成要素包括：用于向燃料电池20供给燃料气体(氢气)的燃料气体供给系统4、用于向燃料电池20供给氧化气体(空气)的氧化气体供给系统7、用于冷却燃料电池20的冷却液供给系统3以及对来自燃料电池20的发电电力进行充放电的电力系统9。
燃料电池20具有在高分子电解质膜21的双面上通过丝网印刷形成阳极22和阴极23等而成的膜-电极接合体24，所述高分子电解质膜21由通过氟类树脂等形成的质子传导性的离子交换膜等构成。膜-电极接合体24的双面被具有燃料气体、氧化气体、冷却水流路的隔板(Separator)(未图示)夹在中间，在该隔板和阳极22及阴极23之间，分别形成有槽状的阳极气体通路25及阴极气体通路26。将燃料极用催化剂层设置在多孔支撑层上而构成阳极22，将空气极用催化剂层设置在多孔支撑层上而构成阴极23。这些电极的催化剂层例如附着白金粒子而形成。
在阳极22发生(1)式的氧化反应，在阴极23发生如下(2)式的还原反应。作为燃料电池20整体，发生如下(3)式的起电反应。
H2→2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O …(2)
H2+(1/2)O2→H2O …(3)
另外，在图1中，为了便于说明，示意地图示了由膜-电极接合体24、阳极气体通路25及阴极气体通路26构成的单电池(cell)的结构，但实际上具有经由上述隔板而串联连接了多个单电池(电池组)的堆(Stack)结构。
燃料电池系统10的冷却液供给系统3中设置有使冷却液循环的冷却路径31、检测从燃料电池20排出的冷却液的温度的温度传感器32、将冷却液的热向外部散热的散热器(热交换器)33、调整流入散热器33的冷却液的水量的阀34、将冷却液加压而循环的冷却液泵35、检测供给至燃料电池20的冷却液的温度的温度传感器36等。
燃料电池系统10的燃料气体供给系统4中配置有燃料气体供给装置42、用于将来自燃料气体供给装置42的燃料气体(阳极气体)例如氢气供给至阳极气体通路25中的燃料气体流路40、用于使从阳极气体通路25排出的燃料废气在燃料气体流路40中循环的循环流路(循环路径)51，通过这些气体流路构成燃料气体循环系统。
燃料气体流路40中设置有控制来自料气体供给装置42的燃料气体流出的截止阀(总阀)43、检测燃料气体的压力的压力传感器44、调整循环路径51的燃料气体压力的调整阀45、控制对燃料电池20的燃料气体供给的截止阀46。燃料气体供给装置42例如由高压氢罐、储氢合金、改性器等构成。
循环流路51中设置有控制从燃料电池20对循环流路51的燃料废气供给的截止阀52、除去燃料废气中含有的水分的气液分离器53及排出阀54、将在通过阳极气体通路25时损失压力的燃料废气压缩而升压至合适的气压而回流至燃料气体流路40中的氢泵(循环泵)55、防止燃料气体流路40的燃料气体向循环流路51一侧逆流的逆流阻止阀56。通过使用电机驱动氢泵55，由氢泵55驱动的燃料废气在燃料气体流路40中与从燃料气体供给装置42供给的燃料气体汇流之后，供给至燃料电池20，被再利用。另外，氢泵55上设置有检测氢泵55的转速的转速传感器57。
此外，在循环流路51上分支有用于将从燃料电池20排出的燃料废气经由稀释器(例如氢浓度降低装置)62排出至车外的排气流路61。排气流路61上设置有清洁阀63，进行燃料废气的排气控制。通过开闭清洁阀63，向外部排出在燃料电池20内反复循环而杂质浓度增加了的燃料废气，并导入新的燃料气体，能够防止电池电压下降。此外，能够使循环流路51的内压产生起伏，将积存在气体流路中的水分除去。
另一方面，在燃料电池系统10的氧化气体供给系统7中配置有：用于向阴极气体通路26供给氧化气体(阴极气体)的氧化气体流路71、用于将从阴极气体通路26排出的阴极废气排出的阴极废气流路72。
在氧化气体流路71上设有从大气取入空气的空气清洁器74、将所取入的空气压缩并将压缩后的空气作为氧化剂气体供给至阴极气体通路26的空气压缩机75。空气压缩机75上设置有检测空气压缩机75的转速的转速传感器73。在氧化气体流路71和阴极废气流路72之间设置有进行湿度交换的加湿器76。阴极废气流路72上设置有调整阴极废气流路72的排气压力的调压阀77、除去阴极废气中的水分的气液分离器64、吸收阴极废气的排气声的消声器65。从气液分离器64排出的阴极废气被分流，一方流入稀释器62，与滞留在稀释器62内的燃料废气混合稀释。此外，被分流的另一方阴极废气被消声器65吸声，与被稀释器62混合稀释后的气体混合，排出至车外。
此外，在燃料电池系统10的电力系统9上连接有：一次侧连接有蓄电池(Battery)91的输出端子而二次侧连接有燃料电池20的输出端子的DC-DC转换器(Converter)90、作为二次电池而蓄积剩余电力的蓄电池91、监测蓄电池91的充电状况的蓄电池计算机92、对燃料电池20的负载或驱动对象即车辆行驶用电机94供给交流电力的逆变器(Inverter)93、对燃料电池系统10的各种高压辅助设备96供给交流电力的逆变器95、测定燃料电池20的输出电压的电压传感器97以及测定输出电流的电流传感器98。
DC-DC转换器90对燃料电池20的剩余电力或者通过对车辆行驶用电机94的制动动作而产生的再生电力进行电压变换而供给至蓄电池91，从而进行充电。此外，为了补充燃料电池20的发电电力对车辆行驶用电机94的要求电力不足的部分，DC-DC转换器90对来自蓄电池91的放电电力进行电压变换而输出至二次侧。
逆变器93、95将直流电流变换为三相交流电流，分别输出至车辆行驶用电机94及高压辅助设备96。车辆行驶用电机94上设置有检测电机94的转速的转速传感器99。电机94经由差速器而与车轮100机械地结合，能够将电机94的旋转力变换为车辆的推进力。
电压传感器97及电流传感器98根据施加在电力系统9上的交流信号的电压所对应的电流的相位和振幅测定交流阻抗。交流阻抗与燃料电池20的含水量对应。该交流阻抗测定所测定的含水量对应于燃料电池20中堆叠的单电池整体的平均含水量。
此外，燃料电池系统10中设置有用于控制燃料电池20的发电的控制部80。控制部80例如由具有CPU(中央处理装置)、RAM、ROM、接口电路等的通用计算机构成。控制部80取入来自温度传感器32和36、圧力传感器44、转速传感器57、73、99的传感器信号及来自电压传感器97、电流传感器98、点火开关82的信号，根据电池运转状态例如电力负载驱动各电机，调整氢泵55及空气压缩机75的转速，并且进行各种阀(Valve)的开闭控制或者阀开度的调整等。
特别是，作为本发明特征的控制功能，控制部80参照车辆行驶用电机94及高压辅助设备96等负载装置的最大电力特性和燃料电池20的输出电压-输出电力特性，计算能提供燃料电池20的最大输出的输出电压，根据该输出电压推测燃料电池20的最大输出，求出与所推测的最大输出对应的输出电压，作为对DC-DC转换器90的控制量而输出。
另外，该负载装置的最大电力特性随着环境温度及劣化状态等各种条件而变化，优选定期或不定期地测定最大电力特性而进行更新。此外，燃料电池的输出电压-输出电压特性也随着燃料电池的温度、含水量、劣化状态等而变化，因此优选定期或不定期地测定燃料电池的输出电流及输出电压而进行更新。
此外，提供燃料电池的最大输出的输出电压不需要与控制上述DC-DC转换器的时序一致地进行推测运算，也可以定期或不定期地进行更新。
图2是通过执行与本发明的电压控制方法相关的软件程序而实现适用了本发明的燃料电池系统10的控制部80的功能框图。
图2所示的控制部80作为功能块具有：推测燃料电池20的输出电压的电力推测部801、根据负载装置(车辆行驶用电机94及高压辅助设备96，在此特别指车辆行驶用电机94)的最大输出电压对燃料电池20的输出电力进行校正的输出电压校正部802、控制燃料电池20以发电出校正后的输出电力的燃料电池控制部803、计算负载装置的车辆行驶用电机94的转矩量的驱动系统控制部804。
以下说明控制部80所具有的各功能块的详细功能。
图3是表示燃料电池的输出电压-输出电力特性和负载装置的最大输出特性的关系的坐标图。
在图3中，在燃料电池(以下称为“FC”)的输出电压-输出电力特性为FC的最大输出特性f1的情况下，通过将系统电压设定为FC输出最大的电压VF1，理论上的系统输出成为最大。即，如果将系统电压设为VF1，则能够得到FC的最大输出特性f1的极大值即最大值PF1。
另一方面，在燃料电池的输出电压-输出电力特性为FC(燃料电池)的最大输出特性f2的情况下，即使将系统电压设定为提供燃料电池的最大输出(＝PF2)的电压(＝VF2)(参照A点)，由于实际的负载装置的消耗电力根据负载装置的最大输出(电力)特性f3而受到限制，因此实际上负载装置的最大输出小于PF2，为P’F2。在这种情况下，PF2-P’F2成为剩余电力ΔP，应该充电给蓄电池91。此时，若该剩余电力ΔP过大，则产生蓄电池91的过充电。
另一方面，即使根据负载装置的最大输出特性f3，将系统电压设定为提供负载装置的最大输出(＝PMG)的VMG，期待使负载装置的输出成为最大输出(＝PMG)(参照C点)，由于此时负载装置的输出受到燃料电池的最大输出特性f2的限制，因此P’MG成为实际的输出电力。
由此可知，考虑到燃料电池的输出电压-输出电力特性和负载装置的最大电力特性双方，在确定不会产生对蓄电池的过充电且能够得到最大的负载输出的动作点时，需要根据燃料电池的输出电压-输出电力特性和负载装置的最大输出特性双方确定系统电压的电压值。
例如，在图3中，在燃料电池的输出电压-输出电力特性为FC的最大输出特性f2的情况下，将该特性f2和负载装置的最大输出特性f3的交点(B点)所示的系统电压(＝VFM2)设为燃料电池的输出电压即对DC-DC转换器90的指令电压值，由此能够最大限度地抑制剩余电力，并且能够给予负载装置最大的输出(＝PFM2)。另外，通过考虑负载效率，能够实现降低最大负载输出的误差。
另一方面，在图3中，在燃料电池的输出电压-输出电力特性为FC的最大输出特性f1的情况下，与根据特性f1提供的输出电力相比，根据负载装置的最大输出特性f3提供的最大输出电力更大，因此不受到该特性f3的限制。因此，仅考虑FC的最大输出特性f1，将提供其极大值的系统电压(＝VF1)设定为燃料电池的输出电压即对DC-DC转换器90的指令电压值，由此能够最大限度抑制剩余电力，并能够给予负载装置最大的输出(＝PF1)。
图4是表示本实施方式一的处理步骤的流程图。以下参照图1～3，使用图4所示的流程，说明控制部80执行的燃料电池的输出电压的控制动作。
本实施方式一的动作的前提是，燃料电池20的输出电压-输出电力特性(参照图3的特性曲线f2)及负载装置的最大输出特性(参照图3的特性曲线f3)存在交点(图3中的B点)。
首先，在步骤S1中，输出电压校正部802参照燃料电池20的输出电压-输出电力特性及负载装置的最大输出特性，求出所述燃料电池的输出电流-输出电压特性曲线和负载装置的最大输出特性曲线的交点，计算动作点电压值(＝VM)。
接着，在步骤S2中，电力推测部801运算与动作点电压值(＝VM)对应的燃料电池20的适当输出电压值(＝PM)。
然后，在步骤S3中，燃料电池控制部803将在步骤S1中计算的动作点电压值(＝VFM2)作为燃料电池20的指令电压值而输出给DC-DC转换器90。
同时，驱动系统控制部804根据在步骤S2中推定的适当输出电力(＝PM)计算转矩量，将表示该转矩量的信号St发送至负载装置即车辆行驶用电机94。通过以上步骤，结束用于设定在燃料电池系统中输出适当电力的输出电力指令的处理动作。
另外，在本实施方式中，根据图3所示的燃料电池的输出电压-输出电力特性，推定输出适当输出电力的动作点，但是也可以根据输出电流-输出电力特性推定动作点。根据燃料电池的输出电流-输出电压特性，输出电流或输出电压的一方被确定，则另一方确定。因此，只要将燃料电池的输出电流-输出电压特性以关系表映射或关系式的形式进行保存，就能够进行从输出电流到输出电压的换算，或者从输出电压到输出电流的换算。
以往，仅着眼于负载装置的最大电力特性，根据该特性设定为能够得到最大电力的燃料电池的输出电压，从而实际的燃料电池的输出电压-输出电力特性受到了限制，或者仅着眼于燃料电池的输出电压-输出电力特性，根据该特性设定为能够得到最大电力的燃料电池的输出电压，从而实际的负载装置的最大电力特性受到了限制。
根据上述实施方式一，能够防止由于仅能得到这些与期待的最大电力偏离的低输出电力或者多余的发电而使燃料电池系统产生不良状况，能够设定适当的动作点。
(实施方式二)
本发明的实施方式二是如下的例子：在以离散的值存储燃料电池的输出电流(电压)-输出电力特性的系统中，求出相邻的离散点之间存在的能提供最大输出电力的插值点。
本实施方式的燃料电池系统与上述实施方式一相同，因而省略说明。
对于系统，控制部80所保存的上述FC的最大输出特性或负载装置的最大输出特性，不是图3所示的连续曲线，而是代表曲线上几个点的离散的映射被列表化而进行存储。在这种系统中，有时要求得的动作点在两个离散点之间，需要制作在这些离散点间的插值式，求出所述交点。在本实施方式二中说明该插值方法。
图5是通过格点的离散值表示燃料电池的特性的坐标图，图5A是表示燃料电池的输出电流-输出电压特性的图，图5B是表示燃料电池的输出电流-输出电力特性的图。
燃料电池的最大输出特性曲线不同于负载装置的最大输出曲线，不能通过单纯的线性关系进行近似，因此在与控制部80的指令电压值的分离度对应地存储与特性曲线上的所有点对应的输出电力时，需要庞大的存储容量。因此，一般而言存储图5A及B中虚线的特性曲线上黑圆点所示的代表点的离散值。
图5B的特性图(离散的输出电流-输出电力特性)是根据图5A的特性图(离散的输出电流-输出电压特性)通过Pi＝Ii×Vi的运算求得的。在此，例如根据图5B的特性图求出使燃料电池的输出电力为最大的电流值时，在与该电流值(Ia)对应的表示燃料电池的最大输出电力的离散点a上，成为所推定的电力(＝Pa)。但是，燃料电池真正的最大输出电力是存在于离散点a和离散点b之间的点c，因此直接根据映射进行的输出电力推定中产生推定误差。
因此，在预定条件下，认为相邻的两个离散点之间存在输出电力为极大值的插值点，进行以下的插值运算。该条件是指，相邻的两个离散点的输出电流-输出电力特性的变化率的极性相反的情况。例如，在到某个离散点为止随着输出电流I的增加，输出电力P增加，而从与该离散点相邻的下一个离散点开始随着输出电流I的增加，输出电力P减少，该情况下能够推定在这两个离散点之间存在极大值的电流值。特别是，在这两个离散点的变化率的绝对值为预定值以上即一定程度以上的斜率的情况，表示从斜率为零的极大点偏离一定程度。在这种情况下，由于能够期待得到更大的输出电力，因此通过插值运算求出插值点是有意义的。
例如，在图5A的特性图中，对离散点a和离散点b而言，斜率的符号(变化率的极性)不同，并且离散点a的斜率和离散点b的斜率都很大，因此优选进行插值运算。因此，对离散点a和离散点b之间的输出电流-输出电压特性进行直线插值，利用插值式运算输出电流-输出电压特性曲线上的、离散点a和离散点b之间的插值点c的电流值IM。该插值式例如一般通过(1)式表示。
V＝K1×I+K2 .................................(1)
在此，若将离散点a及离散点b的电流值及电压值分别设为(Ia，Va)及(Ib，Vb)，则K1＝(Vb-Va)/(Ib-Ia)，K2是I＝0时的截距值(I＝0时的电压值)。例如，若离散点a和离散点b之间的插值点c的电流值设为IM，则(1)式变为(2)式。
VM＝K1×IM+K2 .................................(2)
在此，VM是与插值点c的输出电流IM对应的输出电压。若例如将插值点c假设为离散点a和离散点b的中间点，则插值点c的电流值IM通过(3)式来表示。
IM＝(Ia+Ib)/2 .................................(3)
接着，根据该插值的电流值IM，用插值式运算离散点a和离散点b之间的插值点c的输出电力值PM。输出电力P是输出电流I与输出电压V之积(P＝I×V)，因此，该插值式的形式一般通过(2)式表示。
P＝I×V＝I×(K1×I+K2) .......................(3)
将(2)式代入(3)式得到(4)式，根据插值的电流值IM求出最大输出电力PM。
PM＝IM×VM＝IM×(K1×IM+K2) ...................(4)
通过这样的插值运算，能够更加正确地推定燃料电池的最大输出。例如，在离散点a和离散点b位于图5B所示的最大输出特性的极大点前后的情况下，通过进行插值运算，得到插值点c的电流值IM，正确地求出与该电流值IM对应的燃料电池的最大输出值PM。
另外，在上述实施方式一中，根据图3所示的燃料电池的输出电压-输出电力特性推定适当输出电力，但在本实施方式二中，根据图5B所示的燃料电池的输出电流-输出电力特性推定适当输出电力。如上所述，根据燃料电池的输出电流-输出电压特性(参照图5A)，若输出电流或输出电压的一方确定，则另一方确定。在本实施方式中，以关系表映射或者关系式的形式保存燃料电池的输出电流-输出电压特性(参照图5A)，因此能够进行从输出电流到输出电压的换算，或者从输出电压到输出电流的换算。
图6是表示本实施方式二的处理步骤的流程图。以下参照图1～3及5，用图6所示的流程，说明控制部80所执行的燃料电池的输出电压的控制动作。
在步骤S11中，输出电压校正部802参照燃料电池20的输出电流-输出电力特性(参照图3的特性曲线f1、f2)及负载装置的最大输出特性(参照图的特性曲线f3)，检索是否存在燃料电池的输出电流-输出电力特性曲线和负载装置的最大输出特性曲线的交点。
接着移至步骤S12，在存在上述两个特性曲线的交点的情况下(否)，是与上述实施方式一相同的状态，例如图3的特性极性f2那样，能够判定为特性曲线f2与负载装置的最大输出特性f3的交点是用于输出适当的输出电力的动作点。接着，移至步骤S13，输出电力校正部802计算出该交点的动作点电流值(＝IM)。然后移至步骤S18。
另一方面，在步骤S12中，在不存在上述两个特性曲线的交点的情况下(是)，例如图3的特性极性f1那样，由于不与负载装置的最大输出特性f3相交，因此能够判定为该输出电流-输出电力特性曲线的极大点是用于输出对燃料电池而言适当且最大的输出电力的动作点。在这种情况下移至步骤S14。
在步骤S14中，输出电压校正部802检索为了燃料电池的输出电流-输出电力特性而记录的多个离散点中夹着极大值的相邻的离散点。即，检索离散点的特性曲线的斜率的极性相反的离散点的组。
接着移至步骤S15，输出电压校正部802判定检索到的两个离散点的特性曲线的斜率是否为预定值以下。特性曲线的斜率为预定值以下表示特性曲线的斜率相对较缓，或者不存在斜率，因此表示位于特性曲线的极大点附近或者与极大点一致。因此，在步骤S15的判定结果判定为特性曲线的斜率为预定值以下的情况下(是)，移至步骤S16，输出电压校正部802将被判定为斜率为预定值以下一方的离散点确定为是用于得到适当的输出电压的动作点，计算该离散点的动作点电流值，然后移至步骤S18。另一方面，在步骤S15的判定结果判定为特性曲线的斜率大于预定值的情况下(否)，移至步骤S17，输出电压校正部802通过上述插值运算求出插值点，将插值点确定为动作点，计算该插值点的动作点电流值，然后移至步骤S18。如上所述求出插值点的电流值IM。
另外，插值点的电流值IM能够根据检索到的两个离散点的特性曲线的斜率大小进行线性插值而确定。例如，如果两离散点的特性曲线的斜率的绝对值大致相等，则能够推测为在两离散点的中间点附近存在极大点，因此能够将两离散点的电流值的平均值(＝(Ia+Ib)/2)作为动作点电流值IM来计算。在两离散点的特性曲线的斜率的绝对值不同的情况下，也可以将用斜率大小的倒数加权平均后的电流值作为动作点电流值IM来计算。
接着移至步骤S18，电力推测部801运算与通过上述步骤S13、S16或S17中的任一步骤计算出的动作点电流值(＝IM)对应的燃料电池20的适当输出电压值(＝PM)。
接着移至步骤S19，燃料电池控制部803将通过步骤S13、S16或S17中任一步骤计算出的动作点的电压值(＝VM)，作为对燃料电池20的指令电压值输出至DC-DC转换器90。同时，驱动系统控制部804根据步骤S18中推定的适当输出电力(＝PM)计算转矩量，将表示该转矩量的信号St发送至车辆行驶用电机94。通过上述步骤，结束用于在燃料电池系统中设定适当的输出电力的处理动作。
根据上述实施方式二，能够得到与上述实施方式一相同的作用效果，此外，即使系统中记录的输出电流(电压)-输出电力特性的离散点与带来最大输出电力的特性曲线上的极大值偏离，但也能够通过插值运算来计算出能够输出靠近最大输出电力或者最大输出电力的插值点，因此能够以系统所允许的最大输出电力进行运转。
(其他实施方式)
除了上述实施方式以外，本发明能够进行各种变更而使用。
例如，本发明的燃料电池系统在如本实施方式所示适用于混合燃料电池系统时效果很好，但是也能够适用于其他一般的燃料电池系统。
另外，本发明的燃料电池系统不限于车辆，本发明能够适用于在陆地、地下、海上、海中、空中、宇宙空间内移动的所有移动体。此外，当然也能够在固定式燃料电池系统中适用本发明。
(产业实用性)
根据本发明，参照负载装置的最大电力特性和所述燃料电池的输出电压-输出电力特性，计算能提供所述燃料电池的最大输出的输出电压或输出电流，因此能够设定满足双方的特性的适当的动作点。由此，能够提供一种燃料电池系统，能够防止因产生剩余电力而使功率平衡受到破坏的情况，并且能够抑制二次电池的过充电及系统内部无用的发热。
Claims (13)
1.一种燃料电池系统，具有对负载装置供给电力的燃料电池，其特征在于，包括：
输出电压校正部，参照所述负载装置的最大电力特性和所述燃料电池的输出电压-输出电力特性，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电压；
电力推测部，根据所述输出电压推测所述燃料电池的最大输出；以及
燃料电池控制部，将所述输出电压指示给所述燃料电池。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述输出电压校正部通过推测表示所述负载装置的最大电力特性的特性曲线和表示所述燃料电池的输出电压-输出电力特性的特性曲线的交点，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电压。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述输出电压校正部通过由多个离散点定义的映射保存所述输出电压-输出电力特性，在计算所述输出电压时，实施所述离散点间的插值运算，计算所述输出电压。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中，
在相邻的所述离散点处的所述输出电压-输出电力特性的斜率为彼此相反极性的情况下，所述输出电压校正部实施所述插值运算。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，
在相邻的所述离散点处的所述输出电压-输出电力特性的斜率的绝对值为预定值以上的情况下，所述输出电压校正部实施所述插值运算。
6.一种燃料电池系统，具有对负载装置供给电力的燃料电池，其特征在于，包括：
输出电流校正部，参照所述负载装置的最大电力特性和所述燃料电池的输出电流-输出电力特性，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电流；
电力推测部，根据所述输出电流推测所述燃料电池的最大输出；以及
燃料电池控制部，将与所述输出电流对应的所述燃料电池的输出电压指示给所述燃料电池。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，
所述输出电流校正部通过推测表示所述负载装置的最大电力特性的特性曲线和表示所述燃料电池的输出电流-输出电力特性的特性曲线的交点，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电流。
8.如权利要求6或7所述的燃料电池系统，其中，
所述输出电流校正部通过由多个离散点定义的映射保存所述输出电流-输出电力特性，在计算所述输出电流时，实施所述离散点间的插值运算，计算所述输出电流。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，
在相邻的所述离散点处的所述输出电流-输出电力特性的斜率为彼此相反极性的情况下，所述输出电流校正部实施所述插值运算。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中，
在相邻的所述离散点处的所述输出电流-输出电力特性的斜率的绝对值为预定值以上的情况下，所述输出电流校正部实施所述插值运算。
11.如权利要求1-10中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述负载装置是驱动电机。
12.一种用于燃料电池系统的电力控制方法，所述燃料电池系统具有对负载装置供给电力的燃料电池，该用于燃料电池系统的电力控制方法的特征在于，包括以下步骤：
参照所述负载装置的最大电力特性和所述燃料电池的输出电压-输出电力特性，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电压；
根据所述输出电压推测所述燃料电池的最大输出；以及
将所述输出电压指示给所述燃料电池。
13.一种用于燃料电池系统的电力控制方法，所述燃料电池系统具有对负载装置供给电力的燃料电池，该用于燃料电池系统的电力控制方法的特征在于，包括以下步骤：
参照所述负载装置的最大电力特性和所述燃料电池的输出电流-输出电力特性，计算提供所述燃料电池的最大输出的输出电流；
根据所述输出电流推测所述燃料电池的最大输出；以及
将与所述输出电流对应的所述燃料电池的输出电压指示给所述燃料电池。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |