CN101790814A - 燃料电池系统及其电流限制方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，包括具有多个单电池的燃料电池，相对于与系统所要求的系统要求电力对应的系统要求电流，进行基于单电池的最低单电池电压(Vm)的补偿运算，由此进行限制向负载供给的供给电流的处理，其中，以最低单电池电压(Vm)低于规定的最低单电池电压容许值(Vth)时的系统要求电流(I₀)的电流值为基准值，通过PI补偿进行用于限制供给电流(I₁)的补偿运算，使限制该供给电流(I₁)时的PI补偿的增益和恢复供给电流时的该PI补偿的增益为不同的值。不管在何种运转状态下，都能够可靠地限制系统要求电流，而且在电流限制时使供给电流迅速响应并在电流恢复时使供给电流稳定地收敛。

Description

燃料电池系统及其电流限制方法

技术领域

本发明涉及一种包括具有多个单电池的燃料电池的燃料电池系统，特别是涉及对系统要求电流进行控制时的电流限制处理和电流恢复处理。

背景技术

作为利用氢和氧的电化学反应而发电的燃料电池，例如有固体高分子型燃料电池。该固体高分子型燃料电池具备堆叠多个单电池而构成的电池组。构成电池组的单电池具备阳极(燃料极)和阴极(空气极)，在这些阳极和阴极之间，介有具有磺酸基作为离子交换基的固体高分子电解质膜。

向阳极供给包含燃料气体(氢气或将烃进行改性而形成富氢的改性氢)的燃料气体，向阴极供给包含氧作为氧化剂的气体(氧化剂气体)，作为其一例是供给空气。通过向阳极供给燃料气体，燃料气体中所包含的氢和构成阳极的催化剂层的催化剂进行反应，由此产生氢离子。所产生的氢离子通过固体高分子电解质膜，在阴极和氧发生电反应。通过该电化学反应进行发电。

此处，在使用具有多个单电池的燃料电池的情况下，多个单电池中即使有一个不能发电，则燃料电池整体也可能不能发电。因此，例如在日本特开2003-187842号公报中，提出了下述发明：测定各单电池的电压，根据测定的单电池电压中的最低值即最低单电池电压，计算由燃料电池组可输出的电能，并且，使燃料电池组产生可输出的电能以下的电能，即使在任一个单电池的性能降低时，也可据此使燃料电池组以适宜的运转状态进行运转。

此外，在日本特开2005-197008号公报中，提出了下述发明，其要点是：根据最低单电池电压VLOW设定电流目标限制值用于限制从燃料电池取出的发电电流，在实际的电流限制值和发电电流之差低于规定值时，将电流限制值调换为所述电流目标电流值。

但是，在现有的燃料电池系统中，在一定条件下控制燃料电池的发电电力或限制向负载供给的供给电流时，存在限制运算的基准即燃料电池的系统要求电力上升而最终发电电力及供给电力的限制处理不能进行的情况。例如，考虑在装载有燃料电池系统的汽车上，在驾驶员想要加速的情况下限制发电电力及供给电流的情况。发电电力及供给电力被限制时，驾驶员感到马达输出不足而进行进一步踏下油门等操作。由于该操作，系统要求电力上升，结果发电电力及供给电流也上升，最终，不能进行需要的限制处理。

此外，尽管在使供给电流减少的电流限制处理和使被限制后的供给电流上升的电流恢复处理中所要求的响应性不同，但在现有的燃料电池系统中并未考虑这些，而是设定了相同的响应性。即，在任一个单电池电压低于最低单电池电压容许值以下的情况下，限制实际的供给电流的电流值。然后，维持限制状态直到单电池电压上升到容许值，达到容许值之后将供给电流值恢复到系统要求电流。此时，在要求电流限制处理迅速地限制电流时，电流恢复处理也以与电流限制处理相同的响应性被控制，因此电流恢复处理的供给电流可能过冲。另一方面，如果在电流恢复处理中设定不过冲的响应性，则可以预想到，电流限制处理的响应性会变差。

专利文献1：日本特开2003-187842号公报

专利文献2：日本特开2005-197008号公报

发明内容

因此，本发明的目的是，鉴于上述现有技术的课题，提供一种燃料电池系统，其无论在何种运转状态下都能够可靠地限制系统要求电流，并且能够在电流限制时使供给电流迅速地响应而在电流恢复时使供给电流稳定地收敛。

为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统包括具有多个单电池的燃料电池，进行如下所述的处理：相对于与系统所要求的系统要求电力对应的系统要求电流进行基于该单电池的最低单电池电压的补偿运算，由此限制向负载供给的供给电流，其特征在于，所述燃料电池系统进行该补偿运算，所述补偿运算用于以该最低单电池电压低于规定的最低单电池电压容许值时的该系统要求电流的电流值为基准值，通过PI补偿来限制该供给电流，将限制该供给电流时的该PI补偿的增益和恢复该供给电流时的该PI补偿的增益设定为不同的值。

根据该构成，在单电池的最低单电池电压低于规定的最低单电池电压容许值时，将此时的系统要求的电流值作为基准值进行PI补偿运算，因此，能够抑制电流限制处理时系统要求电力与供给电流的下降对应地上升的现象，能够进行可靠的电流限制处理。例如，即使在装载了燃料电池系统的汽车上驾驶员对电流限制感到输出不足而进行了加速操作，由于供给电流的计算基准值固定于电流限制处理开始时的电流值，因此，能够在单电池电压恢复之前可靠地进行电流限制。

此外，根据这种构成，使限制供给电流时的增益和恢复供给电流时的增益适合于各自的状况而进行设定，由此，能够确保迅速的电流限制，并且抑制收敛的供给电流发生过冲。

此外，在所述燃料电池系统中，优选在进行所述电流限制处理期间所述燃料电池整体的目标输出电压被变更的情况下，保持被限制后的供给电流的电流值直至变更后的该目标输出电压稳定，然后重新开始所述电流限制处理。

在燃料电池系统中存在根据运转模式而变更燃料电池的目标输出电压的情况，但根据上述的构成，能够防止在变更目标输出电压时基于PI补偿的电流限制变得不稳定，因此，能够进行稳定性良好的控制用于使燃料电池输出的供给电流成为目标电流值。

此外，在上述燃料电池系统中，优选在全部的所述单电池电压高于所述最低单电池电压容许值且所述系统要求电流的电流值低于被限制后的供给电流的电流值的情况下，以解除所述电流限制处理的方式进行处理。

根据这种构成，单电池电压恢复到最低单电池电压容许值以上且供给电流恢复之后才解除包括电流恢复处理的电流限制处理，因此，能够可靠地避免燃料电池系统中产生的不良情况。

此外，所述燃料电池系统中，其特征在于，具备：单电池电压检测部，检测该燃料电池的各单电池的单电池电压；以及控制运算部，根据从该单电池电压检测部检测出的该单电池电压所得到的所述最低单电池电压对所述系统要求电流进行所述PI补偿，在设所述最低单电池电压相对于所述最低单电池电压容许值的偏差为ΔV、设比例增益为Kp、设积分增益为Ki的情况下，该控制运算部根据Kp×ΔV+Ki×∑ΔV的关系来运算用于限制所述供给电流的校正值ΔI，在限制该供给电流时和恢复该供给电流时，使所述比例增益Kp和积分增益Ki都不同。

根据这种构成，在单电池电压中最低单电池电压低于规定的最低单电池电压容许值时，进行将依据最低单电池电压容许值的最低单电池电压的偏差ΔV作为变量、将比例增益Kp作为P控制的系数、将积分增益Ki作为I控制的系数的PI补偿运算。

而且，此时，在限制供给电流时和恢复供给电流时将比例增益Kp和积分增益Ki变更为相应的适宜的值，因此在电流限制时期能够敏捷地进行电流限制，此外，在电流恢复时期能够提高响应性以避免急速的电流恢复而抑制过冲的产生。

此外，在所述燃料电池系统中，其要点在于，使恢复所述供给电流时的所述PI补偿的所述增益比限制所述供给电流时的所述PI补偿的所述增益小。

根据这种构成，在电流限制时期能够使PI补偿的增益增大而进行迅速的电流限制，而在电流恢复时期能够使PI补偿的增益减小而进行抑制了过冲的产生的电流恢复，因此，能够提高用于使燃料电池输出的供给电流成为目标电流值的控制性。

附图说明

图1是本发明的燃料电池系统的系统构成图。

图2是控制部的模块构成图。

图3是最低单电池电压容许值映射的特性图。

图4是用于说明电流限制处理的动作的定时图。

图5是用于说明控制部进行的处理的流程图。

具体实施方式

图1是适用了本发明的燃料电池系统的系统构成图。

图1中，燃料电池系统10具备：用于将燃料气体(氢气)供给到燃料电池20的燃料气体供给系统4、用于将氧化气体(空气)供给到燃料电池20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具备膜/电极结合体(MEA)24，该膜/电极结合体24为通过网版印刷等在由氟类树脂等形成的质子传导性的离子交换膜等构成的高分子电解质膜21的两面上形成阳极22和阴极23而构成。膜/电极结合体24的两面被具有燃料气体、氧化气体、冷却水的流路的隔板(未图示)夹持，在该隔板和阳极22、阴极23之间分别形成槽状的阳极气体通道25和阴极气体通道26。阳极22为在多孔性支承层上设置燃料极用催化剂层而构成，阴极23为在多孔性支承层上设置空气极用催化剂层而构成。这些电极的催化剂层例如为附着铂微粒而构成。

H₂→2H⁺+2e^-                    ……(1)

(1/2)O₂+2H⁺+2e^-→H₂O           ……(2)

H₂+(1/2)O₂→H₂O                ……(3)

此外，图1中为了说明方便，示意地图示了由膜/电极结合体24、阳极气体通道25和阴极气体通道26构成的单位单电池的构造，但实际上，具备由多个单位单电池(单电池群)经由上述隔板而串联地连接而成的电池组构造。

在燃料电池系统10的冷却液供给系统3中，设有使冷却液循环的冷却路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、将冷却液的热量向外部释放的散热器(热交换器)33、调节向散热器33流入的冷却液的水量的阀34、对冷却液进行加压而使其循环的冷却液泵35、以及检测供给到燃料电池20的冷却液的温度的温度传感器36等。

在燃料电池系统10的燃料气体供给系统4中，配置有存积燃料气体(阳极气体)例如氢气的燃料气体供给装置42、用于将来自该燃料气体供给装置42的燃料气体供给到阳极气体通道25的燃料气体流路40、以及用于将从阳极气体通道25排出的燃料废气循环到燃料气体流路40的循环流路(循环路径)51，由这些气体流路构成燃料气体循环系统。

燃料气体供给装置42例如由高压氢罐、氢吸收合金、改性器等构成。在燃料气体流路40上，设置有控制燃料气体从燃料气体供给装置42的流出的切断阀(主阀)43、检测燃料气体的压力的压力传感器44、调节循环路径51的燃料气体压力的调节阀(喷射器)45、以及控制燃料气体向燃料电池20的供给的切断阀46。

在循环流路51上设置有控制燃料废气从燃料电池20向循环流路51的供给的切断阀52、将燃料废气中包含的水分除去的气液分离器53和排出阀54、将在通过阳极气体通路25时受到压力损失的燃料废气压缩而使其上升到适度的气压并回流到燃料气体流路40的氢泵(循环泵)55、以及防止燃料气体流路40的燃料气体倒流到循环流路51侧的倒流阻止阀56。通过由马达驱动氢泵55，氢泵55的驱动所产生的燃料废气与通过燃料气体流路40从燃料气体供给装置42供给的燃料气体合流后，供给到燃料电池20而再利用。此外，在氢泵55中设置有检测氢泵55的转速的转速传感器57和检测氢泵55前后的循环路径压力的压力传感器58、59。

此外，在循环流路51上，分支配置有排气流路61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排出到车外。排气流路61上设置有吹扫阀63，以进行燃料废气的排气控制的方式构成。通过开闭吹扫阀63，能够重复进行燃料电池20内的循环，将杂质浓度增加的燃料废气排出到外部并导入新的燃料气体以防止单电池电压的下降。此外，还能够在循环流路51的内压中产生脉动，将气体流路中积蓄的水分除去。

另一方面，在燃料电池系统10的氧化气体供给系统7中，配置有用于将氧化气体(阴极气体)供给到阴极气体通道26的氧化气体流路71、以及用于将从阴极气体通道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，设定有从大气取入空气的空气过滤器74、以及将取入的空气压缩并将压缩的空气作为氧化剂气体输送到阴极气体通道26的空气压缩机75，空气压缩机75中设置有检测空气压缩机75的空气供给压力的压力传感器73。在氧化气体流路71和阴极废气流路72之间设有进行湿度交换的加湿器76。在阴极废气流路72上设有调节阴极废气流路72的排气压力的调节阀77、将阴极废气中的水分除去的气液分离器64、以及吸收阴极废气的排气声的消声器65。从气液分离器64排出的阴极废气分流，其中一方流入稀释器62，与滞留在稀释器62内的燃料废气混合稀释，而分流的另一方的阴极废气由消声器65吸声，与由稀释器62混合稀释的气体混合，排出到车外。

此外，在燃料电池系统10的电力系统9中，在一次侧上连接有蓄电池91的输出端子，在二次侧上连接有：与燃料电池20的输出端子连接的DC-DC转换器90、作为二次电池而将剩余电力充电的蓄电池91、监视蓄电池91的充电状况的蓄电池计算机92、向燃料电池20的负载或驱动对象即车辆行走用马达94供给交流电力的变换器93、向燃料电池系统10的各种高压辅机96供给交流电力的变换器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。

此外，在燃料电池20上，检测燃料电池20的各单电池的电压的单电池监视器101与燃料电池20连接。单电池监视器101构成为检测各单电池的单电池电压，进而也检测单电池电压的最低值即最低单电池电压，作为本发明的最低单电池电压检测部而发挥作用。

DC-DC转换器90对燃料电池20的剩余电力或因对车辆行走用马达94的制动动作而产生的再生电力进行电压变换，供给到蓄电池91充电。此外，为了填补燃料电池20的发电电力相对于车辆行走用马达94的要求电力的不足部分，DC-DC转换器90将来自蓄电池91的放电电力进行电压变换，输出到二次侧。

变换器93和95将直流电流变换为三相交流电流，分别输出到车辆行走用马达94和高压辅机96。车辆行走用马达94上设置有检测马达94的转速的转速传感器99。马达94经由差速器而与车轮100机械地结合，马达94的旋转力可变换为车辆的推进力。

电压传感器97和电流传感器98用于根据与电力系统9中叠加的交流信号的电压相对的电流的相位和振幅来测定交流阻抗。交流阻抗与燃料电池20的含水量对应。

此外，燃料电池系统10中，设置有用于控制燃料电池12的发电的控制部80。控制部80例如由具备CPU(中央处理装置)、RAM、ROM、接口电路等的通用计算机构成，读取来自温度传感器32、36、压力传感器44、58、59、转速传感器57、99的传感器信号以及来自电压传感器97、电流传感器98、点火开关82的信号，根据电池运转的状态例如电力负载而驱动各马达，调节氢泵55和空气压缩机75的转速，另外，进行各种阀的开闭控制或阀开度的调节等。

控制部80在控制燃料电池系统10的输出电力时，例如在急速预热时(没有行走用马达94的动作的状态下)，根据车辆用辅机损失功率、蓄电池充电量、高压辅机96的功率限制率来计算车辆系统要求功率(系统所要求的系统要求电力)Preq，并用DC-DC转换器90输出的二次侧电压去除系统要求功率Preq而计算车辆系统要求电流Ireq。此时，进行基于单电池监视器101检测出的最低单电池电压的电流限制处理。

特别地，在本实施方式中，控制部80具备作为下述控制运算部的功能：区分为从最低单电池电压低于最低单电池电压容许值的时刻开始的电流限制期间和最低单电池电压恢复到容许值的时点以后被限制后的供给电流恢复期间，分别计算供给电流，根据通过该运算而得到的供给电流，计算相对于DC-DC转换器90指示的电压值，根据该运算结果来驱动DC-DC转换器90。

图2表示通过控制部80执行规定的计算机程序而实现的本实施方式的功能模块图。

如图2所示，控制部80作为控制运算部，具备要求电流运算部80a、第一减法器80b、电力分配运算部80c、电流/电压指令值运算部80d、第二减法器80e、以及PI运算部80f。

要求电流运算部80a根据系统要求电力Preq计算出要求电流(车辆系统要求电流)I₀，将计算出的要求电流I₀输出到第一减法器80b。具体而言，用燃料电池20的输出电力VFC去除系统要求电力Preq，计算要求电流I₀。

最低单电池电压容许值是指为了保护燃料电池而低温时作为单电池电压可容许的逆电压，是由基于氢气缺乏时的逆电位和电阻值引起的阴极电位减少量所计算出的值。控制部80预先将图3所示的最低单电池电压容许值特性作为最低单电池电压容许值映射103而保存在存储器中。

第二减法器80e根据燃料电池20的输出电流IFC和燃料电池20的温度，参照最低单电池电压容许值特性映射103。即，第二减法器80e在计算偏差ΔV时，根据由电流传感器98检测出的检测电流和由温度传感器32等检测出的燃料电池20的内部温度或由温度传感器102检测出的系统环境温度，检索图3所示的存储于控制部80的存储器中的最低单电池电压容许值映射103，选择表示检测温度所对应的最低单电池电压容许值的阈值Vth。因为阈值Vth取决于温度和电流，所以，与检测电流对应的变化率根据检测温度而变化。例如，在图3中，阈值Vth1、Vth2、Vth3分别表示不同温度的最低单电池电压容许值，各最低单电池电压容许值为温度越高则斜率越平缓的直线特性。

电流限制值ΔI＝最低单电池电压偏差ΔV×比例增益Kp+最低单电池电压积分值∑ΔV×积分增益Ki  ……(4)

PI运算部80f计算出电流限制值ΔI作为要求电流I₀的校正量，将该计算值输出到第一减法器80b。第一减法器80b由要求电流I₀和电流限制值ΔI的偏差计算出本次的目标电流值I₁，将计算出的目标电流值I₁输出到电力分配计算部80c。

在此，PI运算部80f和第一减法器80b在最低单电池电压Vm低于最低单电池电压容许值Vth而进入电流限制处理的情况下，根据电流限制值ΔI校正车辆系统要求电流I₀，计算出目标电流即供给电流I₁。此时，以下述方式进行控制：在最低单电池电压Vm变为最低单电池电压容许值Vth以上且供给电流I₁高于进入电流限制处理时的要求电流I₀时，禁止电流限制，即，不进行基于电流限制值ΔI的要求电流补偿而计算出供给电流I₁(＝I₀)。

此外，PI运算部80f和第一减法器80b在进行电源限制处理期间燃料电池20的目标输出电压变更的情况下，维持目标输出电压变更时的供给电流I₁直至伴随目标输出电压变更的燃料电池20的输出电压稳定。该目标输出电压为燃料电池20的输出电压的目标值，是能够根据燃料电池的运转模式例如是否为低效率运转而变更的值。

根据经过以上的处理所得到的供给电流I₁，电力分配计算部80c计算出相对于燃料电池20的电力指令值的上下限，将计算结果Pc输出到电流/电压指令值计算部80d。相对于该电力指令值的上下限，是用于防止下述情况的限制值：电池组的电容成分引发充放电所导致的输出精度的恶化、以及空气供给量变动所引起的系统要求功率的振荡的产生。

电流/电压指令值计算部80d根据电力分配计算部80c的计算结果，将电流指令值和电压指令值输出到DC-DC转换器90。该电流指令值和电压指令值成为规定燃料电池20的实际输出电流/输出电压的控制信号。

以下，参照图1和图2并参照图4的定时图，说明控制部80的处理动作的顺序。

如图4所示，燃料电池20的目标输出电压最初表示低电压V1。在时刻t0，表示在车辆系统的油门被踏下时，DC-DC转换器90的二次侧的电压被控制，各单电池的单电池电压下降，另一方面，表示燃料电池20的电流根据I-V特性而增加。由此，燃料电池的发电电力增加。在时刻t1，单电池电压中最低单电池电压Vm低于最低单电池电压容许值Vth。PI运算部80f从单电池电压中最低单电池电压低于最低单电池电压容许值的时点开始，以使基于PI补偿的电流限制处理开始而减少供给电流的方式进行控制，由此使单电池电压恢复。

此外，在该PI补偿中，在单电池电压低于容许值的时点(时刻t1)的车辆系统要求电流I₀的电流值作为基准值而由第一减法器80b存储，保持到电流限制处理结束为止。在电流限制处理的期间中，相对于该电流基准值，减去PI运算部80f通过PI补偿运算而计算出的电流限制值ΔI。

在此，PI运算部80f根据上述(4)式进行该PI补偿运算，但使限制供给电流I₁的电流限制期间中(时刻t1～t2)所适用的PI补偿增益相对较大，而使恢复供给电流I₁的电流恢复期间中(时刻t3～t5)所适用的PI补偿增益相对较小。

作为上述PI补偿运算的结果，在刚开始电流限制之后，供给电流I₁开始减少，但是单电池电压的恢复缓慢，单电池电压有一些延迟地转为增加，单电池电压恢复到容许值。从单电池电压达到最低单电池电压容许值的时点(在图4中与时刻t3相当)开始，PI运算部80f根据(4)式进行用于恢复电流的电流恢复处理的PI补偿。但是，在该电流恢复期间，PI运算部80f使用均比上述电流限制期间的增益值小的值作为增益Kp和增益Ki的值。通过PI补偿的增益减小，抑制了校正量即电流限制值ΔI的急剧变化，结果抑制了供给电流I₁中过冲的产生。如果单电池电压变为最低单电池电压容许值Vth以上且车辆系统要求电流I₀达到被限制后的供给电流I₁，则解除电流限制处理。

此外，在电流恢复期间中，也继续监视单电池电压的最低单电池电压是否高于容许值，一旦最低单电池电压再次低于容许值，则重新开始电流限制处理。

在此，如上所述，PI运算部80f和第一减法器80b在正在进行电源限制处理时燃料电池20的目标输出电压被变更的情况下，维持目标输出电压变更时的供给电流I₁直至伴随目标输出电压的变更的燃料电池20的输出电压稳定。在图4中，在到达时刻t2时燃料电池的目标输出电压从低电压V1变更为高电压Vh。因此，在从该目标输出电压从低电压V1开始变更的时刻t2到燃料电池20的输出电压稳定在高电压Vh的时刻t3为止的期间，维持供给电流I₁。即，在该保持期间，PI运算部80f不进行基于(4)式的PI补偿运算，而使用由紧前面的PI补偿运算所计算出的值作为供给电流I₁的值。

图5表示用于说明上述电流限制处理的流程图。以下，参照图1和图2并使用图5的流程图，说明控制部80的处理动作的流程。

首先，在步骤S1中，控制部80的要求电流计算部80a通过参照状态标志，验证是否是电流控制的初次定时(timing)。其结果，如果是初次定时(YES：是)，则进入步骤S2，如果不是初次定时(NO：否)，则转移到步骤S14。

在步骤S14中，控制部80的要求电流计算部80a取出内部区域中存储的要求电流I₀的值，转移到步骤S4。在步骤S2中，控制部80的要求电流计算部80a将定时设定为非初次。

在步骤S3中，控制部80的要求电流计算部80a在控制燃料电池系统10的输出电力时，计算出系统要求电力Preq，由系统要求电力Preq计算出相对于燃料电池20的要求电流I₀。

接着，在步骤S4中，控制部80的第二减法器80e取得最低单电池电压Vm，其表示单电池监视器101检测出的单电池电压中的最低值。

在步骤S5中，第二减法器80e检测燃料电池20的温度和输出电流，参照与检测温度对应的最低单电池电压容许值映射103，读出与检测电流对应的最低单电池电压容许值Vth。

在步骤S6中，第二减法器80e判断最低单电池电压Vm是否为最低单电池电压容许值Vth以上，作为该判断的结果，在最低单电池电压Vm为最低单电池电压基准值以上时(YES)，转移到步骤S15，另一方面，在最低单电池电压Vm小于最低单电池电压基准值时(NO)，进入步骤S7，以下，实施本发明的主要的电流限制处理。

在步骤S7中，控制部80的第二减法器80e计算出从最低单电池电压基准映射103得到的阈值(最低单电池电压容许值)Vth和检测出的单电池电压Vm的偏差ΔV。

然后，在步骤S8中，控制部80的PI运算部80f对于(4)式的比例增益Kp和积分增益Ki分别设定为了电流限制时而预先设定的增益值。

接着，在步骤S9中，控制部80的PI运算部80f由计算出的偏差ΔV、设定的比例增益Kp和积分增益Ki，根据(4)式计算出电流限制值ΔI作为要求电流I₀的校正量。

接着，在步骤S10中，控制部80的第一减法器80b求出要求电流I₀和电流限制值ΔI的偏差，将该偏差输出以作为本次的供给电流(目标电流值)I₁。

然后，在步骤S11中，控制部80的第一减法器80b将要求电流I₀和目标电流值I₁存储于内部区域。

接着，在步骤S12中，控制部80的电力分配计算部80c根据用电流限制值ΔI对要求电流I₀进行校正而得到的供给电流I₁而计算出电力指令值的上下限。

在步骤S13中，控制部80的电流/电压指令值计算部80d输出用于根据计算出的电力指令值来控制DC-DC转换器90的驱动信号即电压指令值和电流指令值。即，根据用于使单电池电压Vm不致变为阈值(最低单电池电压容许值)Vth以下的供给电流I₁而控制燃料电池20的发电量和输出电力，结束该程序的处理。

另一方面，在步骤S6中，在最低单电池电压为最低单电池电压容许值以上的情况下(YES)，转移到步骤S15，控制部80的PI运算部80f验证供给电流I₁在步骤S10中是否已计算完。在供给电流I₁在步骤S10中已计算完的情况下(YES)，进入步骤S16，在供给电流I₁在步骤S10中未计算完的情况下(NO)，即控制流未通过步骤S10的情况下，转移到步骤S20。

在步骤S16中，控制部80的PI运算部80f取出存储于内部区域的供给电流I₁的值。

接着，转移到步骤S17，控制部80的PI运算部80f比较当前设定的目标输出电压和由电压传感器97等检测出的实际的输出电压，验证燃料电池20的目标输出电压是否稳定。在判断为燃料电池20的目标输出电压稳定的情况下(YES)，进入步骤S18，在判断为燃料电池20的目标输出电压不稳定的情况下(NO)，转移到步骤S12。

在步骤S18中，控制部80的PI运算部80f验证供给电流I₁是否高于开始电流限制时的要求电流I₀。然后，在供给电流I₁不高于开始电流限制时的要求电流I₀的情况下(NO)，判断为应继续电流限制而进入步骤S19。另一方面，在供给电流I₁高于开始电流限制时的要求电流I₀的情况下(YES)，判断为应结束电流限制处理而转移到步骤S20。

在步骤S19中，控制部80的PI运算部80f对于(4)式的比例增益Kp和积分增益Ki分别设定为了电流恢复而预先设定的增益值，转移到步骤S9。

在步骤S20中，控制部80的要求电流计算部80a初次设定定时。

如上所述，根据本实施方式，在最低单电池电压Vm低于最低单电池电压容许值Vth时，将此时系统要求的电流值I₀作为基准值而进行PI补偿运算，因此，能够抑制在电流限制处理时系统要求电力对应于供给电流的下降而上升，能够进行可靠的电流限制处理。例如在装载了燃料电池系统的汽车上，即使在驾驶员对电流限制感到输出不足而进行加速操作，供给电流的运算的基准值也会固定于电流限制处理开始时的电流值，因此，能够在单电池电压恢复之前可靠地进行电流限制。

此外，根据本发明，使限制供给电流I₁时的增益Kp、Ki和恢复供给电流时的增益Kp、Ki适合于各自的状况而进行设定，因此，能够确保迅速的电流限制，并且抑制收敛的供给电流的过冲的发生。

此外，在电流限制期间，在燃料电池整体的目标输出电压被变更的情况下，在变更的该目标输出电压稳定之前，保持被限制后的电流的电流值后重新开始上述电流限制处理，因此，能够防止基于PI补偿的电流限制变得不稳定。

此外，在供给电流I1、最低单电池电压Vm共同恢复且可以供给要求电力Preq的状态下解除包含电流恢复处理的电流限制处理，因此，能够保护燃料电池，并且能够无障碍地控制系统的运转。

(其他变形例)

本发明不限于上述实施方式，还可以进行各种变更而应用。

例如，在上述实施方式中，示例了基于式(4)的PI补偿，但并不限于该关系式。本发明可以应用适于作为燃料电池系统的响应控制的关系式，能够变更电流限制期间的增益和电流恢复期间的增益。总之，只要能够在电流限制时迅速地限制电流，并在电流恢复时控制过渡响应以不变为过冲等不稳定的控制即可。

此外，在上述实施方式中，以计算电流限制值ΔI，并从作为基准值的电流值I₀减去电流限制值ΔI的方式进行运算，但是不限于此。例如，也可以进行直接变更基准值的运算。

根据本发明，将单电池的最低单电池电压低于规定的最低单电池电压容许值时的系统要求的电流值作为基准值而进行PI补偿运算，因此，能够抑制电流限制处理时系统要求电力对应于供给电流的下降而上升的现象，能够在单电池电压恢复之前可靠地进行电流限制。此外，根据本发明，使限制供给电流时的增益和恢复供给电流时的增益适合于各自的状况而变更，因此，能够确保迅速的电流限制，并且抑制收敛的供给电流的过冲的发生。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，包括具有多个单电池的燃料电池，进行如下所述的处理：相对于与系统所要求的系统要求电力对应的系统要求电流进行基于该单电池的最低单电池电压的补偿运算，由此限制向负载供给的供给电流，其特征在于，

所述燃料电池系统进行该补偿运算，所述补偿运算用于以该最低单电池电压低于规定的最低单电池电压容许值时的该系统要求电流的电流值为基准值，通过PI补偿来限制该供给电流，

将限制该供给电流时的该PI补偿的增益和恢复该供给电流时的该PI补偿的增益设定为不同的值。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，

在进行所述电流限制处理期间所述燃料电池整体的目标输出电压被变更的情况下，保持被限制后的供给电流的电流值直至变更后的该目标输出电压稳定，然后重新开始所述电流限制处理。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，

在全部的所述单电池电压高于所述最低单电池电压容许值且所述系统要求电流的电流值低于所述被限制后的供给电流的电流值的情况下，解除所述电流限制处理。

4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，具备：

单电池电压检测部，检测该燃料电池的各单电池的单电池电压；以及

控制运算部，根据从该单电池电压检测部检测出的该单电池电压所得到的所述最低单电池电压对所述系统要求电流进行所述PI补偿，

在设所述最低单电池电压相对于所述最低单电池电压容许值的偏差为ΔV、设比例增益为Kp、设积分增益为Ki的情况下，该控制运算部根据Kp×ΔV+Ki×∑ΔV的关系来计算用于限制所述供给电流的校正值ΔI，

在限制该供给电流时和恢复该供给电流时，使所述比例增益Kp和积分增益Ki都不同。

5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，

使恢复所述供给电流时的所述PI补偿的所述增益比限制所述供给电流时的所述PI补偿的所述增益小。

6.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：

燃料电池，具有多个单电池；

单电池监视器，检测该单电池的单电池电压；

偏差计算部，计算检测出的该单电池电压中的最低单电池电压和规定的最低单电池电压容许值之间的偏差；

PI运算部，根据计算出的该偏差通过PI补偿来计算出电流限制值；以及

供给电流计算部，从系统所要求的系统要求电流中减去该电流限制值而计算出供给电流，

该供给电流计算部在该最低单电池电压为该最低单电池电压容许值以上的情况下禁止减去该电流限制值，

该PI运算部将该最低单电池电压比该最低单电池电压容许值低时的该PI补偿的增益和该最低单电池电压为该最低单电池电压容许值以上时的该PI补偿的增益设定为不同的值。

7.一种燃料电池系统的电流限制方法，所述燃料电池系统包括具有多个单电池的燃料电池、以及根据系统所要求的系统要求电力而计算出向负载供给的供给电流的控制部，其特征在于，

使该控制部执行如下所述的步骤：

计算系统所要求的系统要求电流的步骤；

检测该单电池的最低单电池电压的步骤；

判断该最低单电池电压是否低于规定的最低单电池电压容许值的步骤；以及

在该最低单电池电压低于规定的最低单电池电压容许值的情况下进行补偿运算的步骤，所述补偿运算用于以该最低单电池电压低于该最低单电池电压容许值时的该系统要求电流的电流值为基准值，通过PI补偿来限制该供给电流，

将限制该供给电流时的该PI补偿的增益和恢复该供给电流时的该PI补偿的增益设定为不同的值。

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