CN102470767A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种即使在电动机的驱动电压低且可产生的转矩存在限制的情况下，也能够抑制过剩的电力引起的不良情况的燃料电池系统及其控制方法。在具备燃料电池和电动机的燃料电池系统中，具备：基于输出要求来运算输出要求转矩TACC的输出要求转矩运算单元(201)；基于电动机的驱动电压Vd来运算电动机能够产生的转矩上限值TLIM的转矩上限值运算单元(202)；基于输出要求转矩TACC和转矩上限值TLIM来运算电动机要求转矩TREQ的电动机要求转矩运算单元(203)；基于电动机要求转矩TREQ来运算电动机要求功率PM的电动机要求功率运算单元(204)；及基于电动机要求功率PM来运算燃料电池的发电要求功率PFC的发电要求功率运算单元(205)。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及搭载于车辆的燃料电池系统，尤其是涉及从燃料电池和蓄电池向驱动车辆的电动机供给电力的混合动力型的燃料电池系统。
背景技术
在搭载于车辆的燃料电池系统中，具备用于从燃料电池及蓄电装置向电动机供给电力的逆变器。例如，在日本特开2005-348530号公报中公开了一种除了逆变器之外还具备两个DC-DC转换器的燃料电池系统。它们是对燃料电池的输出电压进行控制并向逆变器供给电力的第一DC-DC转换器、及对逆变器的输入电压进行控制并供给蓄电装置的电力的第二DC-DC转换器(专利文献1)。
根据专利文献1记载的发明，控制第一DC-DC转换器，而将燃料电池的输出电压值设定在蓄电装置的电路电压的最大值与最小值之间的范围内，由此减少电压转换动作的执行频度，由此能够抑制电力损失的增大(段落0012)。
另外，关于逆变器的电力转换控制，在专利文献1中记载了基于驾驶员对油门踏板的踏下操作量等的油门开度的信号来算出转矩指令，将该转矩指令向逆变器输入，从而向电动机的各相输出用于产生要求的转矩的各相电流(段落0023)。
专利文献1：日本特开2005-348530号公报
发明内容
然而，在电动机的驱动电压较低时，电动机能够产生的转矩存在上限。如专利文献1那样，基于油门开度而算出转矩指令，即使对电动机指示该转矩指令，在驱动电压较低时，也不能以转矩指令那样的转矩进行驱动。并且，由电动机消耗的功率成为与实际产生的转矩对应的功率。
在此，在燃料电池系统中，与基于油门开度来算出转矩指令的情况并行地，以输出弥补对应于该转矩指令而增加的电动机的要求功率的发电功率的方式算出对燃料电池的发电要求功率。例如，在上述专利文献1所记载的燃料电池系统中，无论电动机是否能够以转矩指令那样的转矩进行驱动，燃料电池都发出假定以转矩指令那样的转矩进行驱动时的电力。
然而，如上所述，在电动机不能以转矩指令那样的转矩进行驱动时，与按照转矩指令驱动电动机的情况相比，实际被电动机所消耗的功率减少，因此收支的平衡崩溃，燃料电池的发电功率产生剩余。此种发电功率的剩余量会引起蓄电装置的过充电，会导致蓄电装置的破损、损害电力分配的平衡。
因此，为了解决上述问题点，在本发明的优选的方式中，提供一种即使在电动机的驱动电压低且可产生的转矩存在限制的情况下，也通过适当地控制电力收支而能够抑制过剩的电力引起的不良情况的产生的燃料电池系统及其控制方法。
解决上述课题的燃料电池系统的一方式具备：燃料电池；以能够供给来自所述燃料电池的发电功率的方式连接的电动机；及运算所述燃料电池的发电要求功率来控制所述燃料电池的控制装置，所述控制装置基于根据输出要求所运算的输出要求转矩和对应于所述电动机的驱动电压所运算的、所述电动机能够产生的转矩上限值来运算所述电动机要求转矩，所述控制装置基于所述电动机要求转矩来运算所述发电要求功率。
解决上述课题的燃料电池系统的另一方式具备燃料电池和以能够供给所述燃料电池的发电功率的方式连接的电动机，所述燃料电池系统具备：基于输出要求来运算输出要求转矩的输出要求转矩运算单元；基于所述电动机的驱动电压来运算所述电动机能够产生的转矩上限值的转矩上限值运算单元；基于所述输出要求转矩和所述转矩上限值来运算电动机要求转矩的电动机要求转矩运算单元；基于所述电动机要求转矩来运算所述电动机要求功率的电动机要求功率运算单元；及基于所述电动机要求功率来运算燃料电池的发电要求功率的发电要求功率运算单元。
解决上述课题的燃料电池系统的控制方法的一方式中，该燃料电池系统具备燃料电池和以能够供给所述燃料电池的发电功率的方式连接的电动机，所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，具备：基于输出要求来运算输出要求转矩的步骤；基于所述电动机的驱动电压来运算转矩上限值的步骤；基于所述输出要求转矩和所述转矩上限值来运算所述电动机要求转矩的步骤；及基于所述电动机要求转矩来运算燃料电池的发电要求功率的步骤。
在电动机中，与驱动电压相对应，尤其是驱动电压较低时，能够产生的转矩存在极限(上限)。由电动机所消耗的功率根据以该转矩上限值驱动时的转速来决定。根据本发明的结构，基于所输入的输出要求来运算输出要求转矩时，基于电动机的驱动电压来运算转矩上限值，以不超过该转矩上限值的方式运算电动机要求转矩。并且，燃料电池的发电要求功率基于以该转矩上限值进行了上限处理的电动机要求转矩来运算。因此，即使在输入了要求转矩上限值以上的转矩的输出要求时，也在仅以转矩上限值驱动电动机的状况下，运算与以转矩上限值驱动的电动机所能够消耗的功率相符的发电要求功率。由此，能够避免由于发出电动机无法消耗尽的过剩的功率而产生不良的情况。
本发明能够根据需要选择性地附加以下的要素。
(1)所述输出要求转矩也可以基于油门开度和所述电动机的转速来运算。在本发明中，“输出要求”是对燃料电池系统的输入值，但将燃料电池系统搭载于移动体(例如汽车)时，该“输出要求”成为油门(加速踏板)开度。由此，这种情况的输出要求转矩基于油门开度和电动机的转速来运算。
(2)也可以具备与所述电动机连接的逆变器，基于所述逆变器的输入电压和所述电动机的转速来运算所述转矩上限值作为所述电动机能够产生的上限值。在具备向电动机供给电力的、电力转换装置即逆变器的系统中，电动机的驱动电压是与逆变器的输入电压对应而决定的电压，例如三相交流电压。由此，此种系统中的转矩上限值基于逆变器的输入电压和电动机的转速来运算。
(3)也可以构成为所述转矩上限值基于所述逆变器的输入电压的电压控制响应特性来运算。在具备向电动机供给电力的逆变器的系统中，电动机的驱动电压对应于逆变器的输入电压，逆变器的输入电压基于转换器等的输入电压的设定单元的控制特性来决定。例如，从指示逆变器的输入电压的变更到逆变器的输入电压变化成指令那样的值为止发生延迟，即，出现电压控制响应的延迟。根据上述结构，转矩上限值基于该逆变器的输入电压的电压控制响应特性来运算，因此即使在逆变器的输入电压的控制发生延迟的期间中，也运算没有过剩与不足的燃料电池的发电要求功率。
(4)所述电动机要求转矩如下所述进行运算：在所述输出要求转矩为所述转矩上限值以下时为所述输出要求转矩，在所述输出要求转矩超过所述转矩上限值时为所述转矩上限值。根据上述结构，在输出四级转矩超过了转矩上限值时，执行输出转矩上限值的上限处理。
(5)所述发电要求功率优选将所述电动机要求功率和所述电动机以外的负载装置的要求功率总计来运算。根据上述结构，由于也包含电动机以外的负载装置的要求功率来运算发电要求功率，因此在此种负载装置的要求功率较大时、负载装置较多而总计的要求功率变大时，能够决定基于准确的收支运算的燃料电池的发电要求功率。
需要说明的是，包括上述选项，作为用于解决上述课题的燃料电池系统的具体的方式，可以考虑如下的方式。
(1)一种燃料电池系统，其特征在于，具备：与电动机连接的逆变器；连接在燃料电池与所述逆变器之间且设定所述燃料电池的输出电压的第一转换器；连接在蓄电装置与所述逆变器之间且设定所述逆变器的输入电压的第二转换器；控制所述第一转换器及所述第二转换器的控制装置，所述控制装置基于油门开度和所述电动机的转速来运算输出要求转矩，所述控制装置基于所述逆变器的输入电压和所述电动机的转速来运算所述电动机能够产生的转矩上限值，所述控制装置对所述输出要求转矩和所述转矩上限值进行比较，在所述输出要求转矩为所述转矩上限值以下时运算所述输出要求转矩作为电动机要求转矩，在所述输出要求转矩超过所述转矩上限值时，运算所述转矩上限值作为所述电动机要求转矩，所述控制装置基于所运算的所述电动机要求转矩和所述电动机的转速来运算电动机要求功率，所述控制装置基于所述电动机要求功率和负载装置的要求功率来运算所述燃料电池的发电要求功率。
(2)一种燃料电池系统，其特征在于，具备：与电动机连接的逆变器；连接在燃料电池与所述逆变器之间且设定所述燃料电池的输出电压的第一转换器；连接在蓄电装置与所述逆变器之间且设定所述逆变器的输入电压的第二转换器；及控制所述第一转换器及所述第二转换器的控制装置，所述控制装置基于油门开度和所述电动机的转速来运算输出要求转矩，所述控制装置基于所述逆变器的输入电压、所述电动机的转速、所述逆变器的输入电压的电压控制响应特性来运算所述电动机能够产生的转矩上限值，所述控制装置对所述输出要求转矩和所述转矩上限值进行比较，在所述输出要求转矩为所述转矩上限值以下时运算所述输出要求转矩作为电动机要求转矩，在所述输出要求转矩超过所述转矩上限值时运算所述转矩上限值作为所述电动机要求转矩，所述控制装置基于所运算的所述电动机要求转矩和所述电动机的转速来运算电动机要求功率，所述控制装置基于所述电动机要求功率和负载装置的要求功率来运算所述燃料电池的发电要求功率。
发明效果
根据上述发明，以不超过可产生的转矩上限值的方式运算电动机要求转矩，并运算发电要求功率，因此能够避免由于发出未被电动机消耗尽的过剩的功率而产生不良的情况。
附图说明
图1是实施方式的FCHV系统的系统结构图。
图2是本实施方式1的执行燃料电池系统控制的功能框图。
图3是与通常的逆变器4的输入电压VINV下的油门开度对应的转速N-输出要求转矩TACC的特性图。
图4是与相对低的逆变器14的输入电压VINV下的油门开度对应的转速N-输出要求转矩TACC的特性图。
图5是与逆变器14的输入电压VINV对应的转速N-电动机要求转矩TREQ的特性图。
图6是本实施方式1的燃料电池系统的控制流程图。
图7是本实施方式2的执行燃料电池系统控制的功能框图。
图8是说明油门开度Acc、逆变器输入电压VINV及电动机要求转矩TREQ的响应特性的时序图。
图9是本实施方式2的燃料电池系统的控制流程图。
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。
在以下的附图的记载中，利用相同或类似的标号来表示相同或类似的部分。但是，附图是示意性的图。因此，具体的特性等应对照以下的说明进行判断。另外，当然在附图相互之间包含特性互不相同的部分。另外，在以下的实施方式中，记载了要利用一个控制装置进行全部的处理的情况，但也包括多个控制部协作来实现本发明的控制处理的情况。
(实施方式1)
本实施方式1涉及基于根据逆变器的输入电压决定的转矩上限值来对电动机要求转矩设置上限的方式。
(系统结构)
图1是本实施方式1的搭载于车辆的燃料电池系统100的框图。此种车辆是混合动力型燃料电池车(FCHV：Fuel Cell Hybrid Vehicle)。
燃料电池系统100构成为包括燃料电池10、第一转换器11、第二转换器12、蓄电池13、逆变器14、电动机15、辅机逆变器18、高电压辅机19及控制装置20。
燃料电池10是将多个单元电池串联层叠而构成的发电单元。单元电池具有利用隔板将膜/电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)夹入的结构，膜/电极接合体具有利用阳极及阴极将高分子电解质膜等离子交换膜夹入的结构。阳极是在多孔质支承层上设置阳极用催化剂层而成，阴极是在多孔质支承层上设置阴极用催化剂层而成。经由隔板，从未图示的燃料气体供给系统将燃料气体(例如氢气)向各单元电池的阳极供给。经由隔板，从未图示的氧化气体供给系统将氧化气体(例如空气)向各单元电池的阴极供给。在隔板形成有冷却液的流路，且从未图示的冷却液供给系统供给冷却液。在燃料电池10中，在阳极发生(1)式的氧化反应，在阴极发生(2)式的还原反应，作为燃料电池10整体，发生(3)式的起电反应。
H2→2H++2e-...(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O...(2)
H2+(1/2)O2→H2O...(3)
通过将多个单元电池串联连接，而燃料电池10将输出电压VFC向输出端子输出。燃料电池10具有规定的电流-电压输出特性，对应于输出电压VFC的变化，而输出电流及输出电力发生变化。
第一转换器11是电压转换器，具备作为DC-DC转换器的结构。第一转换器11在使用三相运转方式时，例如具备三相桥式转换器等电路结构。三相桥式转换器具备由电抗器、整流用的二极管、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)等构成的开关元件。通过将这些元件组合，而形成将输入的直流电压暂时转换成交流的类似于逆变器的电路部分和对该交流再次进行整流而转换成不同的直流电压的部分。需要说明的是，第一转换器11的电路结构不受上述的限制，而可以采用能够控制燃料电池10的输出电压VFC的所有结构。
第一转换器11在一次侧连接有燃料电池10的输出端子，在二次侧连接有逆变器14的输入端子。第一转换器11构成为按照来自控制装置20的命令CVFC，来控制一次侧的端子电压(燃料电池10的输出电压VFC)。即，通过该第一转换器11，将燃料电池10的输出电压VFC控制成与目标输出对应的电压(即，目标输出电压VFC)。另外，第一转换器11以使燃料电池10的输出电压VFC与逆变器14的输入电压VINV匹配的方式来转换电压。
蓄电池13是蓄电装置，作为燃料电池10所发电的电力中的剩余电力的储藏源、再生制动时的再生能量储藏源、与燃料电池车辆的加速或减速相伴的负载变动时的能量缓冲器而发挥作用。作为蓄电池13，利用例如镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。蓄电池13的输出端子电压VBAT成为第二转换器12的输入电压。
第二转换器12是电压转换器，具备与第一转换器11同样的作为DC-DC转换器的结构。第二转换器12在一次侧连接有蓄电池13的输出端子，在二次侧连接有逆变器14的输入端子。第二转换器12构成为按照来自控制装置20的命令CVINV来控制二次侧的端子电压(逆变器14的输入电压VINV)。例如，在电动机15的要求电力发生急剧变化时(以下，假定为增加了的情况)，第二转换器12直至达到所设定的目标输入电压(要求电压)为止对逆变器14的输入电压VINV进行控制。需要说明的是，第二转换器12的电路结构可以采用能够控制逆变器14的输入电压VINV的所有结构。
逆变器14是电力转换器，构成为将向输入端子供给的直流输入电压转换成交流电压而向电动机15供给。逆变器14的电路结构例如具备以脉冲宽度调制方式来驱动的PWM逆变器电路。逆变器14构成为将与第二转换器12所控制的输入电压VINV对应的三相交流电压向电动机15供给。另外，构成为将当前时点下输出的驱动电压(逆变器输出电压)Vd作为驱动电压信号SVd向控制装置20输出。
电动机15是车辆行驶用的牵引电动机，在供给驱动电力时对本车辆施加推进力，在减速时产生再生电力。差动器16是减速装置，构成为以规定的比率对电动机15的高速旋转进行减速，使设有轮胎17的轴旋转。在轴上设有未图示的车轮速度传感器等，能够检测车辆的车速。转速传感器23检测电动机15的转速而将转速信号SN向控制装置20输出。
辅机逆变器18是电力转换器，构成为将向输入端子供给的直流电流转换成交流电流而向高电压辅机19供给。辅机逆变器18的电路结构与上述逆变器14相同。辅机逆变器18构成为将与第二转换器12所控制的输入电压VINV对应的三相交流电压向高电压辅机19供给。需要说明的是，高电压辅机19是用于使本燃料电池系统100发挥功能的未图示的加湿器、空气压缩机、氢泵及冷却液泵等的总称。
控制装置20是控制燃料电池系统100的计算机系统，例如具备CPU、RAM、ROM等。控制装置20从油门开度传感器21输入与油门开度Acc对应的油门开度信号SACC。另外，输入来自传感器组22的各种信号，实施控制所需的各种运算。作为传感器组22，包括：检测燃料电池10的输出电流的电流传感器；检测输出电压的电压传感器；检测燃料电池10的冷却液温度的温度传感器；检测空气压缩机、氢泵及冷却液泵等的转速的转速传感器等。另外，控制装置20输入来自检测电动机15的转速N的转速传感器23的转速信号SN。
控制装置20参照这些信号控制系统整体。进行简要说明时，基于油门开度Acc及电动机转速N来运算输出要求转矩TACC，接着运算电动机要求转矩TREQ。然后，基于电动机要求转矩TREQ和电动机转速N来运算电动机要求功率PM，基于电动机要求功率PM和高电压辅机功率PAUX来运算发电要求功率PFC。然后，根据燃料电池10的电流-电压(I-V)特性来运算为了输出发电要求功率PFC所需的燃料电池10的输出电压VFC。根据需要，控制装置20决定燃料电池10和蓄电池13的各自的输出电力的分配。并且，为了得到求出的燃料电池10的要求电力，而向第一转换器11输出命令CVFC，控制燃料电池10的输出电压VFC。另外，为了取出求得的蓄电池13的要求电力，而向第二转换器12输出命令CVINV，控制逆变器14的输入电压VINV。逆变器14的输入电压VINV对应于向电动机15施加的电动机要求转矩TREQ。
(功能块)
图2表示在本实施方式1中通过控制装置20而功能性地实现的、用于控制燃料电池系统100的功能框图。控制装置20定期或不定期地调出执行本发明的控制处理(参照图6)的程序，从而功能性地实现这些功能块。
需要说明的是，图2所示的功能块是便于区分功能的结构，未必非要如图2那样进行功能分离。只要是能够基于图2所列举的输入控制燃料电池10的输出电压VFC的结构，也可以具备与图2不同的功能块。
如图2所示，控制装置20构成为具备输出要求转矩运算单元201、转矩上限值运算单元202、电动机要求转矩运算单元203、电动机要求功率运算单元204及发电要求功率运算单元205作为功能块。
输出要求转矩运算单元201是基于从油门开度信号SACC取得的油门开度Acc及从转速信号SN取得的电动机15的转速N来运算输出要求转矩TACC的功能块。该输出要求转矩鉴于油门开度Acc，是本来所要求的电动机15的要求转矩TREQ。
图3表示通常的逆变器输入电压VINV下的、与油门开度对应的转速N-输出要求转矩TACC的特性图。作为电动机中的一般的特性，如图3所示，当电动机的转速确定时，对应于转速而能够产生的转矩基于规定的转速-转矩特性(以下称为“N-T特性”)来确定。此种N-T特性在逆变器的输入电压VINV(即对应于电动机的驱动电压Vd)充分高时(VINV＝V0)妥当。输出要求的大小，例如，油门开度变化时，该N-T特性也变化。
在图3所示的例子中，例示了油门开度Acc为开度a时的N-T特性TACC(a)、油门开度Acc为开度b时的N-T特性TACC(b)及油门开度Acc为开度c时的N-T特性TACC(c)。如图3所示，在电动机15的转速N为Nreq的情况下，当油门开度Acc为开度a时，根据N-T特性TACC(a)，能够算出输出要求转矩TACC作为Tna。当油门开度Acc为开度b时，根据N-T特性TACC(b)，能够算出输出要求转矩TACC作为Tnb。当油门开度Acc为开度c时，根据N-T特性TACC(c)，能够算出输出要求转矩TACC作为Tnc。输出要求转矩运算单元201以数据表的方式或关系式的方式存储图3所示的N-T特性，并利用在输出要求转矩TACC的运算中。
在本实施方式1中，在鉴于逆变器14的输入电压VINV即第二转换器12的输出要求电压而电动机15不可能产生本来要求的转矩TREQ时，对应于此而限制燃料电池10的发电量。进行该处理的功能块是如下说明的转矩上限值运算单元202及电动机要求转矩运算单元203。
转矩上限值运算单元202是基于逆变器14的输入电压VINV来运算电动机15可产生的转矩上限值TLIM的功能块。
图4表示相对低的逆变器输入电压VINV下的与油门开度对应的转速N-输出要求转矩TACC的特性图。与逆变器14的输入电压(即对应于电动机的驱动电压Vd)充分高的图3的情况不同，在逆变器14的输入电压VINV相对低(VINV＝Vl(＜V0))的区域中，不可能按照图3所示的N-T特性那样产生转矩。如图4所示，虽然对应于电动机的转速N而能够产生的转矩成为确定的N-T特性，但这表示在该逆变器14的输入电压VINV下能够产生的电动机15的转矩T的最大值。此种规定了转矩的上限的转矩上限值TLIM在输出要求的大小例如油门开度发生变化时，对应于油门开度而变化。图4所示的N-T特性对应于逆变器14的输入电压VINV进行变化，因此优选对应于输入电压VINV而预先准备多种N-T特性。
在图4所示的例子中，例示了油门开度Acc为开度a时的转矩上限值特性TLIM(a)、油门开度Acc为开度b时的转矩上限值特性TLIM(b)、及油门开度Acc为开度c时的转矩上限值特性TLIM(c)。如图4所示，在电动机15的转速N为Nreq的情况下，当油门开度Acc为开度a时，根据转矩上限值特性TLIM(a)，能够算出转矩上限值TLIM作为Tla。当油门开度Acc为开度b时，根据转矩上限值特性TLIM(b)，能够算出转矩上限值TLIM作为Tlb。当油门开度Acc为开度c时，根据转矩上限值特性TLIM(c)，能够算出转矩上限值TLIM作为Tlc。转矩上限值运算单元202以数据表的方式或关系式的方式来存储图4所示的转矩上限值特性，并利用在转矩上限值TLIM的运算中。
电动机要求转矩运算单元203是基于运算出的输出要求转矩TACC和转矩上限值TLIM来运算电动机要求转矩TREQ的功能块。具体而言，电动机要求转矩运算单元203在输出要求转矩TACC为转矩上限值TLIM以下时算出输出要求转矩TACC作为电动机要求转矩TREQ(＝TACC)。另外，在输出要求转矩TACC超过转矩上限值TLIM时，算出转矩上限值TLIM作为电动机要求转矩TREQ(＝TLIM)。利用转矩上限值TLIM对输出要求转矩TACC进行上限处理。
电动机要求功率运算单元204是基于电动机要求转矩TREQ来运算电动机要求功率的功能块。电动机要求功率PM成为将电动机要求转矩TREQ乘以转速N而得到的值(PM＝N×TREQ)。
发电要求功率运算单元205是基于电动机要求功率PM来运算燃料电池的发电要求功率PFC的功能块。发电要求功率PFC除了运算出的电动机要求功率PM之外还将电动机以外的负载装置的要求功率总计而运算。具体而言，算出将高电压辅机19中所需要的高电压辅机功率PAUX与电动机要求功率PM总计而得到的值作为发电要求功率PFC。
在以上的处理中，输出要求转矩运算单元201基于图3所示的N-T特性而决定输出要求转矩TACC，转矩上限值运算单元202基于图4所示的N-T特性而决定转矩上限值TLIM。并且，电动机要求转矩运算单元203将两者进行比较，来决定电动机要求转矩TREQ。这些处理也能够从图5所示的、按照各油门开度Acc决定的、与逆变器14的输入电压VINV对应的转速N-电动机要求转矩TREQ的N-T特性来理解。
当油门开度Acc确定时，图5所示的、与逆变器14的输入电压VINV对应的转速N-电动机要求转矩TREQ的N-T特性也确定。在图5中，例示了逆变器输入电压VINV为Va时的电动机要求转矩特性tV(Va)、逆变器输入电压VINV为Vb时的电动机要求转矩特性tV(Vb)、及逆变器输入电压VINV为Vc时的电动机要求转矩特性tV(Vc)。如图5所示，在电动机15的转速N为Nreq的情况下，当驱动电压为Va时，能够根据电动机要求转矩特性tV(Va)，算出电动机要求转矩TREQ作为Tra。当驱动电压为Vb时，能够根据电动机要求转矩特性tV(Vb)，算出电动机要求转矩TREQ作为Trb。当驱动电压为Vc时，能够根据电动机要求转矩特性tV(Vc)，算出电动机要求转矩TREQ作为Trc。
在此，如图5所示，在逆变器输入电压VINV为Va的情况下，假定为没有基于转矩上限值TLIM的限制时，基于图3所示的N-T特性，决定TACC作为电动机要求转矩TREQ。然而，现实情况是电动机15中存在图4所示的转矩上限特性。因此，在逆变器输入电压VINV为Va时，决定由转矩上限值TLIM限制的Tra作为电动机要求转矩TREQ。假定与没有转矩限制时的电动机要求转矩TACC和含有转矩限制而决定的电动机要求转矩Tra的差分ΔT(＝TACC-Tra)所对应的功率ΔP(＝Nreq×ΔT)是未进行转矩限制的情况产生的剩余的发电功率。根据本发明，通过适当的转矩限制处理，来禁止电力收支上剩余的功率ΔP的发电，由此成功地抑制剩余电力的产生。
需要说明的是，通过利用图5的与逆变器14的输入电压VINV对应的转速N-电动机要求转矩TREQ的N-T特性，而能够简化输出要求转矩运算单元201、转矩上限值运算单元202及电动机要求转矩运算单元203的处理。例如，预先按照油门开度Acc来测定图5那样的N-T特性，并以数据表的方式或关系式的方式来存储该特性。然后，将油门开度Acc、电动机15的转速N及逆变器14的输入电压VINV作为输入值，参照该数据表或关系式来特定电动机要求转矩TREQ。通过此种处理，通过一次的数据表或关系式的参照就能够决定对应于转矩上限值TLIM而被限制的电动机要求转矩TREQ。
(动作)
接着，参照图6的流程图，说明通过上述功能块实现的本实施方式1的燃料电池系统100的控制处理。以下的控制处理成为定期或不定期地反复执行的一套处理。例如，在本实施方式中，对于每规定的控制周期Tint，在控制装置20内调出(调用)执行图6所示的控制处理的程序。
在步骤S10中，控制装置20判定是否为每控制周期Tint访问的控制时间。判定的结果是控制时间已到来时(是)，向步骤S11移动，图2所示的输出要求转矩运算单元201从油门开度传感器21读入油门开度信号SACC，并从转速传感器23读入转速信号SN。并且，基于油门开度信号SACC所示的油门开度Acc和转速信号SN所示的电动机转速N，来运算输出要求转矩TACC。即，参照表示图3所示的N-T特性的数据表或关系式，来特定与油门开度Acc对应的转速N-输出要求转矩特性TACC(Acc)，并根据该N-T特性来运算与电动机转速N对应的输出要求转矩TACC。
接着，向步骤S12移动，图2所示的转矩上限值运算单元202取得当前时点下的逆变器14的输入电压VINV。并且，参照取得的与逆变器输入电压VINV对应的、表示图4所示的N-T特性的数据表或关系式。并且，特定与油门开度Acc对应的转矩上限值特性TLIM(Acc)，并根据该N-T特性来运算与电动机转速N对应的转矩上限值TLIM。
接着，在步骤S13中，图2所示的电动机要求转矩运算单元203对运算出的输出要求转矩TACC与转矩上限值TLIM进行比较。比较的结果是输出要求转矩TACC为转矩上限值TLIM以下时(是)，向步骤S14移动，电动机要求转矩运算单元203算出输出要求转矩TACC作为电动机要求转矩TREQ(＝TACC)。另一方面，上述比较的结果是输出要求转矩TACC超过转矩上限值TLIM时(否)，向步骤S15移动，电动机要求转矩运算单元203算出转矩上限值TLIM作为电动机要求转矩TREQ(＝TLIM)。
接着，向步骤S16移动，图2所示的电动机要求功率运算单元204基于电动机要求转矩TREQ来运算电动机要求功率。具体而言，运算将电动机要求转矩TREQ与转速N相乘而得到的值作为电动机要求功率PM(＝N×TREQ)。
接着，向步骤S17移动，发电要求功率运算单元205基于电动机要求功率PM来运算燃料电池的发电要求功率PFC。具体而言，发电要求功率PFC算出将运算出的电动机要求功率PM和在高电压辅机19中所需的高电压辅机功率PAUX总计而得到的值作为发电要求功率PFC。
需要说明的是，在步骤S10中，判断为不是控制时间时(否)，不执行该控制处理而结束。
然后，控制装置20基于燃料电池10的I-V特性来决定用于向燃料电池10输出发电要求功率的输出电压VFC，并将用于控制成该输出电压VFC的命令CVFC向第一转换器11输出。通过该处理，而从燃料电池10输出与发电要求功率PFC对应的没有过剩与不足的发电功率。该发电功率与进行了转矩的上限处理的电动机15所消耗的电力相等，因此抑制产生过剩的电力的情况。
(本实施方式1的优点)
根据本实施方式1，具有以下的优点。
(1)根据本实施方式1，在基于输入的输出要求即油门开度来运算输出要求转矩TACC时，基于逆变器输入电压VINV来运算转矩上限值TLIM，并以不超过该转矩上限值TLIM的方式运算电动机要求转矩TACC。并且，基于利用该转矩上限值TLIM进行了上限处理的电动机要求转矩TREQ来运算燃料电池10的发电要求功率PFC。因此，即使油门开度Acc要求转矩上限值TLIM以上的转矩，也仅能将电动机15驱动至转矩上限值TLIM为止，在该状况下，运算与利用转矩上限值TLIM驱动的电动机15所能够消耗的功率相符的发电要求功率PFC。由此，能够避免由于发出电动机15无法消耗尽的过剩的功率而产生的不良情况。
(2)根据本实施方式1，构成为基于油门开度Acc和电动机15的转速N来运算输出要求转矩TACC，因此适合于在车辆上搭载的燃料电池系统100。
(3)根据本实施方式1，由于构成为与逆变器输入电压VINV、电动机转速N及油门开度Acc对应地存储转矩上限值TLIM，因此能够决定适当的转矩上限值TLIM。
(4)根据本实施方式1，在输出要求转矩TACC超过转矩上限值TLIM时，以转矩上限值TLIM成为电动机要求转矩TREQ的方式进行运算，因此能够使电动机要求转矩TREQ适合于电动机15实际产生的转矩。
(5)根据本实施方式1，由于将电动机要求功率PM与高电压辅机19所消耗的高电压辅机功率PAUX相加来决定发电要求功率PFC，因此能够运算出反映了适当的电力收支的发电要求功率PFC。
(实施方式2)
本实施方式2涉及考虑了逆变器14中的电压控制响应特性的燃料电池系统100的控制方法。
在本实施方式2中，关于燃料电池系统100的结构，与基于图1说明的上述实施方式1相同，因此使用相同标号，省略其说明。
图7表示在本实施方式2中通过控制装置20而功能性地实现的用于控制燃料电池10的功能框图。控制装置20定期或不定期地调出执行本发明的控制处理(参照图9)的程序，从而功能性地实现这些功能块。
需要说明的是，图7所示的功能块是便于区分功能的结构，不必非要如图7那样进行功能分离。只要是能够基于图7所列举的输入而控制燃料电池10的输出电压VFC的结构，也可以具备与图7不同的功能块。
如图7所示，控制装置20构成为具备输出要求转矩运算单元201、转矩上限值运算单元202、电动机要求转矩运算单元203、电动机要求功率运算单元204、发电要求功率运算单元205及加法运算单元206作为功能块。关于输出要求转矩运算单元201、转矩上限值运算单元202、电动机要求转矩运算单元203、电动机要求功率运算单元204及发电要求功率运算单元205，与上述实施方式1中的说明相同，因此省略其说明。
尤其是在本实施方式2中，在具备加法运算单元206这一点上与上述实施方式1不同。该加法运算单元206是将逆变器14的输入电压VINV与根据第二转换器12的电压控制响应特性而导出的电压偏置量ΔV相加的功能块。即，特征在于向转矩上限值运算单元202输入逆变器输入电压VINV与失调电压ΔV的加法运算值(＝VINV+ΔV)的点。以下，基于图8来说明将基于第二转换器12的电压控制响应特性的失调电压ΔV与逆变器输入电压VINV相加的技术性意义。
图8表示说明油门开度Acc、逆变器输入电压VINV及电动机要求转矩TREQ的响应特性的时序图。图8表示与燃料电池系统100的控制相关的控制周期Tint按照时刻t1、t2、t3这样的顺序到来时的控制特性。
到时刻t1为止，输入Acc1作为油门开度Acc。对应于此，从第二转换器12输入VINV1作为逆变器输入电压VINV，并输出TREQ1作为电动机要求转矩TREQ。
当前，在时刻t2，踏下油门，油门开度Acc从Acc1变化为Acc2。如上述实施方式1中说明所示，当油门开度Acc变化时，图7所示的输出要求转矩运算单元201使输出要求转矩TACC变化，电动机要求转矩运算单元203使电动机要求转矩TREQ变化。
在此，作为现实的装置的第二转换器12在从被指示输出所要求的逆变器输入电压VINV的指令值即命令CVINV开始到将该指令值反映至输出电压为止产生与规定的输出响应特性对应的控制延迟。例如，在图8所示的例子中，接受到油门开度Acc从Acc1变化成Acc2的情况，而在时刻t2对第二转换器12指示使逆变器输入电压VINV从VINV1变化成VINV2的命令CVINV。接受到该命令的第二转换器12使该输出电压从时刻t2开始变化。该输出电压的响应特性例如是线形的变化。在此，第二转换器12的输出响应特性V0(t)以时刻t2为起点时，例如能够以式(4)这样的关系式来近似。
V0(t)＝ΔV·t/Tint+VINV1…(4)
式(4)所示的输出响应特性V0(t)是经过了控制周期Tint时电压变化了ΔV的响应特性。即，每当经过与控制周期Tint相当的时间时，逆变器14的输入电压上升ΔV。并且，当到达所要求的逆变器输入电压即VINV2时，逆变器14的输入电压VINV成为一定值(VINV2)。
由于上述那样的输出响应特性存在于第二转换器12，因此即使对应于油门开度Acc的变化而发送使第二转换器12的要求输出电压(＝VINV)变化的命令CVINV，逆变器14的输入电压也不会立即产生变化。由此，为了运算转矩上限值TLIM而向图7的转矩上限值运算单元202输入的逆变器输入电压VINV与紧前的控制时间的逆变器14的输入电压VINV相比未变化。即，如图8所示，在时刻t2，向转矩上限值运算单元202输入的逆变器14的输入电压大致保持为VINV1(＝V0(t2))。
在此，由于上述第二转换器12的输出响应特性V0(t)、燃料电池10的发电响应特性产生的延迟，而在时刻t2由控制装置20算出的发电要求功率PFC实际上被反映的时间是时刻t3的时间。由此，在时刻t2应运算的发电要求功率PFC必须基于在时刻t3的时点假定的转矩上限值TLIM来运算。因此，为了在时刻t3求出正确的转矩上限值TLIM，而在时刻t3输入的逆变器14的输入电压(＝V0(t3)＝VINV1+ΔV)必须在时刻t2的时点向转矩上限值运算单元202输入。
因此，在本实施方式2中，通过图7的加法运算单元206，将根据第二转换器12的响应特性V0(t)而推测为经过了控制周期Tint后产生的失调电压ΔV预先与逆变器14的输入电压VINV进行加法运算，然后向转矩上限值运算单元202输入。向转矩上限值运算单元202输入的电压对应于式(5)的V1(t)。
V1(t)＝V0(t)+ΔV…(5)
在未执行此种处理时，由电动机要求转矩运算单元203运算的电动机要求转矩TREQ如图8的T0(t)所示进行变化。该方面在本实施方式2中如上所述，基于推测为经过控制周期Tint后产生的输出电压的偏置量ΔV，来运算电动机要求转矩TREQ，因此作为运算值，如图8的T1(t)所示成为运算电动机要求转矩TREQ的情况。需要说明的是，TACC是假定为未发生因输出响应特性引起的延迟时的电动机要求转矩TREQ。
接着，参照图9的流程图，说明通过上述功能块实现的本实施方式2的燃料电池系统100的控制处理。以下的控制处理是定期或不定期地反复执行的一套处理。例如，在本实施方式中，对于每规定的控制周期Tint，在控制装置20内调出(调用)执行图9所示的控制处理的程序。
在步骤S20中，控制装置20判定是否为每控制周期Tint访问的控制时间。判定的结果是控制时间已到来时(是)，图7所示的输出要求转矩运算单元201向步骤S21移动，与图6的步骤S11同样地，基于油门开度信号SACC表示的油门开度Acc和转速信号SN表示的电动机转速N，来运算输出要求转矩TACC。
接着，向步骤S22移动，图7所示的加法运算单元206输入逆变器14的输入电压VINV。另外，输入根据预先测定的第二转换器12等的输出响应特性V0(t)(参照式(4))所决定的失调电压ΔV。并且，向转矩上限值运算单元202输出将检测到的逆变器14的输入电压VINV和所推测的失调电压ΔV相加所得到的电压值。
接着，向步骤S23移动，图7所示的转矩上限值运算单元202与图6的步骤S12同样地，参照图4所示的表示N-T特性的数据表或关系式。并且，特定与油门开度Acc对应的转矩上限值特性TLIM(Acc)，根据该N-T特性来运算与电动机转速N对应的转矩上限值TLIM。此时，所参照的N-T特性是逆变器输入电压为VINV+ΔV时的N-T特性。
接着，在步骤S24中，图7所示的电动机要求转矩运算单元203与图6的步骤S13同样地，对运算出的输出要求转矩TACC和转矩上限值TLIM进行比较。比较的结果是输出要求转矩TACC为转矩上限值TLIM以下时(是)，向步骤S25移动，电动机要求转矩运算单元203算出输出要求转矩TACC作为电动机要求转矩TREQ(＝TACC)。另一方面，上述比较的结果是输出要求转矩TACC超过转矩上限值TLIM时(否)，向步骤S26移动，电动机要求转矩运算单元203算出转矩上限值TLIM作为电动机要求转矩TREQ(＝TLIM)。
接着，向步骤S27移动，图7所示的电动机要求功率运算单元204与图6的步骤S16同样地，基于电动机要求转矩TREQ来运算电动机要求功率。
接着，向步骤S28移动，图7所示的发电要求功率运算单元205与图6的步骤S17同样地，基于电动机要求功率PM来运算燃料电池的发电要求功率PFC。
需要说明的是，在步骤S20中，判断为不是控制时间时(否)，不执行该控制处理而结束。
然后，控制装置20基于燃料电池10的I-V特性来决定用于使发电要求功率向燃料电池10输出的输出电压VFC，并将用于控制成该输出电压VFC的命令CVFC向第一转换器11输出。
以上，根据本实施方式2，即使在第二转换器12等发生因输出响应特性引起的延迟时，也从燃料电池10输出与发电要求功率PFC对应的没有过剩与不足的发电功率。该发电功率与进行了转矩的上限处理的电动机15所消耗的电力相等，因此抑制产生过剩的电力的情况。
(变形例)
本发明并未限定为上述实施方式，在不违反本发明的宗旨的范围内，能够适当变形来适用。
例如，在上述实施方式中，在具备第一转换器11、第二转换器12及逆变器14的燃料电池系统100中适用了本发明，但并未限定于此。也可以对于具备一个或三个以上DC-DC转换器的燃料电池系统适用本发明。
另外，电动机15能够进行直流驱动，对于不需要逆变器14的燃料电池系统也能够适用本发明。在此种燃料电池系统中，只要取代逆变器的输入电压而检测并利用电动机15的输入电压即可。
另外，电动机15未必是车辆行驶用的电动机。只要是在对应于驱动电压而产生的转矩中存在上限那样的电动机就能够适用本发明。
另外，在上述实施方式中，作为输出要求，输入了油门(加速踏板)开度Acc，但并未限定于此。例如，在载置型的燃料电池系统中，有时不存在与油门相当的操作单元。在此种系统中，只要是利用油门以外的与输出要求相关的信息的结构即可。
工业实用性
本发明的燃料电池系统及其控制方法并不局限于车辆，也可以搭载并适用于其他的移动体。作为此种移动体，可以适用于火车、船舶、航空器、潜水艇等。另外，并不局限于车辆那样的移动体，也可以适用于定置型电源系统、便携型电源系统。
标号说明：
10…燃料电池，11…第一转换器，12…第二转换器，13…蓄电池，14…逆变器，15…电动机，16…差动器，17…轮胎，18…辅机逆变器，19…高电压辅机，20…控制装置，21…油门开度传感器，22…传感器组，23…转速传感器，100…燃料电池系统，201…输出要求转矩运算单元，202…转矩上限值运算单元，203…电动机要求转矩运算单元，204…电动机要求功率运算单元，205…发电要求功率运算单元，206…加法运算单元，Acc…油门开度，N…电动机转速，PAUX…高电压辅机功率，PFC…发电要求功率，PM…电动机要求功率，SACC…油门开度信号，SN…转速信号，SVd…驱动电压信号，T…转矩，TACC…输出要求转矩，Tint…控制周期，TLIM…转矩上限值，TREQ…电动机要求转矩，VBAT…输出电压，Vd…驱动电压，Vd2…驱动电压，VFC…输出电压，VFC…目标输出电压，VINV…逆变器14的输入电压，ΔV…失调电压

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池；
以能够供给来自所述燃料电池的发电功率的方式连接的电动机；及
运算所述燃料电池的发电要求功率来控制所述燃料电池的控制装置，
所述控制装置基于根据输出要求所运算的输出要求转矩和对应于所述电动机的驱动电压所运算的、所述电动机能够产生的转矩上限值来运算所述电动机要求转矩，
所述控制装置基于所述电动机要求转矩来运算所述发电要求功率。
2.一种燃料电池系统，具备燃料电池和以能够供给所述燃料电池的发电功率的方式连接的电动机，所述燃料电池系统具备：
基于输出要求来运算输出要求转矩的输出要求转矩运算单元；
基于所述电动机的驱动电压来运算所述电动机能够产生的转矩上限值的转矩上限值运算单元；
基于所述输出要求转矩和所述转矩上限值来运算电动机要求转矩的电动机要求转矩运算单元；
基于所述电动机要求转矩来运算所述电动机要求功率的电动机要求功率运算单元；及
基于所述电动机要求功率来运算燃料电池的发电要求功率的发电要求功率运算单元。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述输出要求转矩基于油门开度和所述电动机的转速来运算。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其中，
具备与所述电动机连接的逆变器，
基于所述逆变器的输入电压和所述电动机的转速来运算所述转矩上限值作为所述电动机能够产生的上限值。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，
所述转矩上限值基于所述逆变器的输入电压的电压控制响应特性来运算。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述电动机要求转矩如下所述进行运算：
在所述输出要求转矩为所述转矩上限值以下时为所述输出要求转矩，
在所述输出要求转矩超过所述转矩上限值时为所述转矩上限值。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述发电要求功率将所述电动机要求功率和所述电动机以外的负载装置的要求功率总计来运算。
8.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
与电动机连接的逆变器；
连接在燃料电池与所述逆变器之间且设定所述燃料电池的输出电压的第一转换器；
连接在蓄电装置与所述逆变器之间且设定所述逆变器的输入电压的第二转换器；
控制所述第一转换器及所述第二转换器的控制装置，
所述控制装置基于油门开度和所述电动机的转速来运算输出要求转矩，
所述控制装置基于所述逆变器的输入电压和所述电动机的转速来运算所述电动机能够产生的转矩上限值，
所述控制装置对所述输出要求转矩和所述转矩上限值进行比较，在所述输出要求转矩为所述转矩上限值以下时运算所述输出要求转矩作为电动机要求转矩，在所述输出要求转矩超过所述转矩上限值时，运算所述转矩上限值作为所述电动机要求转矩，
所述控制装置基于所运算的所述电动机要求转矩和所述电动机的转速来运算电动机要求功率，
所述控制装置基于所述电动机要求功率和负载装置的要求功率来运算所述燃料电池的发电要求功率。
9.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
与电动机连接的逆变器；
连接在燃料电池与所述逆变器之间且设定所述燃料电池的输出电压的第一转换器；
连接在蓄电装置与所述逆变器之间且设定所述逆变器的输入电压的第二转换器；及
控制所述第一转换器及所述第二转换器的控制装置，
所述控制装置基于油门开度和所述电动机的转速来运算输出要求转矩，
所述控制装置基于所述逆变器的输入电压、所述电动机的转速、所述逆变器的输入电压的电压控制响应特性来运算所述电动机能够产生的转矩上限值，
所述控制装置对所述输出要求转矩和所述转矩上限值进行比较，在所述输出要求转矩为所述转矩上限值以下时运算所述输出要求转矩作为电动机要求转矩，在所述输出要求转矩超过所述转矩上限值时运算所述转矩上限值作为所述电动机要求转矩，
所述控制装置基于所运算的所述电动机要求转矩和所述电动机的转速来运算电动机要求功率，
所述控制装置基于所述电动机要求功率和负载装置的要求功率来运算所述燃料电池的发电要求功率。
10.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备燃料电池和以能够供给所述燃料电池的发电功率的方式连接的电动机，所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，具备：
基于输出要求来运算输出要求转矩的步骤；
运算对应于所述电动机的驱动电压所运算的、所述电动机能够产生的转矩上限值的步骤；
基于所述输出要求转矩和所述转矩上限值来运算所述电动机要求转矩的步骤；及
基于所述电动机要求转矩来运算燃料电池的发电要求功率的步骤。
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