CN102473939B - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
燃料电池系统(FCS)具备燃料电池(FC)和与燃料电池(FC)连接的电动机(ES4)，其具备：连接在燃料电池(FC)与电动机(ES4)之间，对燃料电池(FC)的输出进行调整而向电动机(ES4)输出的转换器(ES1)；控制燃料电池(FC)及转换器(ES1)的控制器(EC)，控制器(EC)对转换器(ES1)输出要求电力或基于燃料电池(FC)的运转状态的要求电压，转换器(ES1)选择性地执行输出反馈控制和电压反馈控制，该输出反馈控制以满足该输出的要求电力的方式执行向电动机(ES4)输出的供给电力的调整，该电压反馈控制以满足该输出的要求电压的方式执行向电动机(ES4)输出的输出电压的调整。
Description
技术领域
本发明涉及具备燃料电池和与该燃料电池连接的负载的燃料电池系统。
背景技术
作为具备燃料电池和与该燃料电池连接的负载的燃料电池系统，已知有利用第一DC/DC转换器使燃料电池的输出电压升高而向负载输出，并且在负载需要的电力仅依靠燃料电池的输出的话不足时将该不足量从蓄电装置经由第二DC/DC转换器向所述负载输出，在燃料电池的输出电力超过负载的电力时经由所述第一DC/DC转换器及第二DC/DC转换器从燃料电池向蓄电装置供给电力而对蓄电装置充电的系统（例如，参照专利文献1）。
下述专利文献1所记载的燃料电池系统中的控制装置算出作为负载的电动机的目标电力，根据该目标电力来算出电动机的目标电压，算出燃料电池的目标输出电流，将该目标输出电流作为第一DC/DC转换器的目标电流而进行反馈控制，并将电动机的目标电压作为第二DC/DC转换器的目标电压进行反馈控制。
专利文献1：日本特开2007-318938号公报
上述专利文献1所记载的技术根据目标电力来算出目标电压及目标电流而进行反馈控制，因此需要推定燃料电池中的电压与电流的关系的所谓I-V推定。基于该I-V推定，算出目标电压或目标电流，因此例如在I-V推定的精度低时，在要求电力（指令功率）与实际的供给输出（实际功率）之间可能会发生背离。具体而言，基于I-V推定来决定与指令功率对应的目标电压、目标电流，对DC/DC转换器指示输出该目标电压时，即使能够输出该目标电压，但是若I-V推定的精度低，则输出与对应的目标电流不同的电流，结果是实际功率与指令功率不同。因此，提高I-V推定的精度极其重要。
为了提高I-V推定的精度，而提高I-V推定的学习循环，因此考虑反复执行高速运算的情况。然而，本发明者们发现了即使执行此种高速运算，也会得到噪声或燃料电池的电容器成分，难以准确地运算燃料电池的实际的I-V特性。
发明内容
本发明鉴于此种课题而作出，其目的在于提供一种能够抑制要求电力（指令功率）与实际的供给电力（实际功率）的背离的燃料电池系统。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统具备燃料电池和与所述燃料电池连接的负载，其特征在于，具备：连接在所述燃料电池与所述负载之间，对所述燃料电池的输出进行调整而向所述负载输出的转换器；控制所述燃料电池及所述转换器的控制部，所述控制部对所述转换器输出要求电力或基于所述燃料电池的运转状态的要求电压，所述转换器选择性地执行电力反馈控制和电压反馈控制，该电力反馈控制以满足该输出的要求电力的方式执行向所述负载输出的供给电力的调整，该电压反馈控制以满足该输出的要求电压的方式执行向所述负载输出的输出电压的调整。
根据本发明的燃料电池系统，由于控制燃料电池及转换器的控制部对转换器输出基于要求电力或燃料电池的运转状态的要求电压，因此能够对应于燃料电池的运转状态将要求电力或要求电压向转换器指示输出。转换器在输出要求电力时，执行电力反馈控制，该电力反馈控制以满足该要求电力的方式执行向负载输出的供给电力的调整，因此不是经由I-V推定来算出目标电压，而是直接通过以使要求电力与供给电力匹配的方式调整电压而能够进行高速、高精度的供给电力控制。而且，在本发明中，选择性地执行该电力反馈控制和电压反馈控制。电压反馈控制以满足要求电压的方式执行向负载输出的输出电压的调整，能够进行与燃料电池的运转状态对应的电压调整。例如，在间歇运转中，不从燃料电池有意地取出电力，因此在电力反馈控制中，控制可能会发散，但像本发明那样通过选择性地执行电压反馈控制，而能够应对此种运转状态。
发明效果
根据本发明，能够提供一种可抑制要求电力（指令功率）与实际的供给电力（实际功率）的背离的燃料电池系统。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的结构的图。
图2是图1所示的燃料电池系统的输出控制的流程图。
图3是用于说明电力反馈控制的框图。
图4是用于说明电压反馈控制的框图。
图5是用于说明以往的反馈控制的框图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。为了容易理解说明，而在各附图中对同一结构要素尽可能标注相同的符号，省略重复的说明。
首先，参照图1，说明本发明的实施方式的搭载于燃料电池车辆的燃料电池系统FCS。图1是表示作为燃料电池车辆的车载电源系统发挥功能的燃料电池系统FCS的系统结构的图。燃料电池系统FCS可以搭载于燃料电池机动车（FCHV）、电力机动车、混合动力机动车等车辆。
燃料电池系统FCS具备燃料电池FC、氧化气体供给系统ASS、燃料气体供给系统FSS、电力系统ES、冷却系统CS、控制器EC。燃料电池FC接受反应气体（燃料气体、氧化气体）的供给而进行发电。氧化气体供给系统ASS是用于将作为氧化气体的空气向燃料电池FC供给的系统。燃料气体供给系统FSS是用于将作为燃料气体的氢气向燃料电池FC供给的系统。电力系统ES是用于控制电力的充放电的系统。冷却系统CS是用于对燃料电池FC进行冷却的系统。控制器EC（控制部）是对燃料电池系统FCS整体进行总括控制的控制器。
燃料电池FC构成作为将多个单电池（具备阳极、阴极及电解质的单一的电池（发电体））串联层叠而成的固体高分子电解质型的单电池堆。在燃料电池FC中，在通常的运转中，在阳极处发生（1）式的氧化反应，在阴极处发生（2）式的还原反应。作为燃料电池FC整体而产生（3）式的起电反应。
H2→2H++2e- （1）
（1/2）O2+2H++2e-→H2O （2）
H2+（1/2）O2→H2O （3）
氧化气体供给系统ASS具有氧化气体流路AS3和氧化废气流路AS4。氧化气体流路AS3是向燃料电池FC的阴极供给的氧化气体所流动的流路。氧化废气流路AS4是从燃料电池FC排出的氧化废气所流动的流路。
在氧化气体流路AS3设有空气压缩机AS2和加湿器AS5。空气压缩机AS2是用于经由过滤器AS1从大气中取入氧化气体的压缩机。加湿器AS5是用于对由空气压缩机AS2加压的氧化气体进行加湿的加湿器。
在氧化废气流路AS4设有压力传感器S6、背压调整阀A3、加湿器AS5。背压调整阀A3是用于调整氧化气体供给压力的阀。加湿器AS5被设置作为用于在氧化气体（干气）与氧化废气（湿气）之间进行水分交换的设备。
燃料气体供给系统FSS具有燃料气体供给源FS1、燃料气体流路FS3、循环流路FS4、循环泵FS5、排气排水流路FS6。燃料气体流路FS3是从燃料气体供给源FS1向燃料电池FC的阳极供给的燃料气体所流动的流路。循环流路FS4是用于使从燃料电池FC排出的燃料废气向燃料气体流路FS3返回的流路。循环泵FS5是将循环流路FS4内的燃料废气向燃料气体流路FS3压力输送的泵。排气排水流路FS6是与循环流路FS4分支连接的流路。
燃料气体供给源FS1例如由高压氢罐或氢吸留合金等构成，并存储高压（例如，35MPa～70MPa）的氢气。若打开截止阀H1，则从燃料气体供给源FS1向燃料气体流路FS3流出燃料气体。燃料气体通过调节器H2或喷射器FS2，例如减压至200kPa左右，而向燃料电池FC供给。
在燃料气体流路FS3设有截止阀H1、调节器H2、喷射器FS2、截止阀H3、压力传感器S4。截止阀H1是用于截止或容许来自燃料气体供给源FS1的燃料气体的供给的阀。调节器H2调整燃料气体的压力。喷射器FS2控制向燃料电池FC的燃料气体供给量。截止阀H3是用于截止向燃料电池FC的燃料气体供给的阀。
调节器H2是将其上游侧压力（一次压）调压成预先设定的二次压的装置，例如，由对一次压进行减压的机械式的减压阀等构成。机械式的减压阀具有将背压室和调压室隔开隔膜形成的壳体，通过背压室内的背压在调压室内将一次压减压成规定的压力而形成二次压。通过在喷射器FS2的上游侧配置调节器H2，而能够有效地减少喷射器FS2的上游侧压力。
喷射器FS2是利用电磁驱动力直接以规定的驱动周期对阀芯进行驱动而使该阀芯从阀座隔离，由此能够调整气体流量、气压的电磁驱动式的开闭阀。喷射器FS2具备：具有喷射燃料气体等气体燃料的喷射孔的阀座；将该气体燃料供给引导至喷射孔的喷嘴体；被收纳保持成能够相对于该喷嘴体沿着轴线方向（气体流动方向）移动且对喷射孔进行开闭的阀芯。
喷射器FS2的阀芯由作为电磁驱动装置的螺线管驱动，通过从控制器EC输出的控制信号而能够控制喷射器FS2的气体喷射时间及气体喷射时期。喷射器FS2为了向其下游供给要求的气体流量，而变更在喷射器FS2的气体流路设置的阀芯的开口面积（开度）及开放时间的至少一方，由此来调整向下游侧供给的气体流量（或氢摩尔浓度）。
在循环流路FS4设有截止阀H4，并连接有排气排水流路FS6。在排气排水流路FS6设有排气排水阀H5。排气排水阀H5是用于根据来自控制器EC的指令而工作，由此将循环流路FS4内的包含杂质在内的燃料废气和水分向外部排出的阀。通过排气排水阀H5的开阀，而循环流路FS4内的燃料废气中的杂质的浓度下降，并能够提高在循环系统内循环的燃料废气中的氢浓度。
经由排气排水阀H5排出的燃料废气与在氧化废气流路AS4中流动的氧化废气混合，由稀释器（未图示）稀释。循环泵FS5通过电动机驱动而将循环系统内的燃料废气向燃料电池FC循环供给。
电力系统ES具备DC/DC转换器ES1、蓄电池ES2、牵引逆变器ES3、牵引电动机ES4、辅机类ES5。燃料电池系统FCS构成作为将DC/DC转换器ES1和牵引逆变器ES3并联地与燃料电池FC连接的并联混合动力系统。
DC/DC转换器ES1具有：提高从蓄电池ES2供给的直流电压而向牵引逆变器ES3输出的功能；降低燃料电池FC发出的直流电力或通过再生制动而牵引电动机ES4回收的再生电力，向蓄电池ES2充电的功能。通过DC/DC转换器ES1的这些功能，来控制蓄电池ES2的充放电。而且，通过DC/DC转换器ES1进行的电压转换控制，来控制燃料电池FC的运转点（输出端子电压、输出电流）。在燃料电池FC安装有电压传感器S1和电流传感器S2。电压传感器S1是用于检测燃料电池FC的输出端子电压的传感器。电流传感器S2是用于检测燃料电池FC的输出电流的传感器。
蓄电池ES2作为剩余电力的储藏源、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发挥功能。作为蓄电池ES2，例如，优选镍·镉蓄电池、镍·氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。在蓄电池ES2安装有用于检测SOC（State ofcharge：充电状态）的SOC传感器S3。
牵引逆变器ES3例如是利用脉冲宽度调制方式驱动的PWM逆变器。牵引逆变器ES3按照来自控制器EC的控制指令，将从燃料电池FC或蓄电池ES2输出的直流电压转换成三相交流电压，而控制牵引电动机ES4的旋转转矩。牵引电动机ES4例如是三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动力源。
辅机类ES5是在燃料电池系统FCS内的各部分配置的各电动机（例如，泵类等动力源）、用于对这些电动机进行驱动的逆变器类、以及各种车载辅机类（例如，空气压缩机、喷射器、冷却水循环泵、散热器等）的总称。
冷却系统CS具有散热器CS1、冷却液泵CS2、冷却液去路CS3、冷却液回路CS4。散热器CS1是对用于冷却燃料电池FC的冷却液进行散热而冷却的部件。冷却液泵CS2是用于使冷却液在燃料电池FC与散热器CS1之间循环的泵。冷却液去路CS3是将散热器CS1和燃料电池FC连结的流路，设有冷却液泵CS2。通过对冷却液泵CS2进行驱动，而冷却液从散热器CS1通过冷却液去路CS3向燃料电池FC流动。冷却液回路CS4是将燃料电池FC和散热器CS1连结的流路，并设有水温传感器S5。通过冷却液泵CS2的驱动，而对燃料电池FC进行了冷却的冷却液向散热器CS1回流。
控制器EC（控制部）是具备CPU、ROM、RAM及输入输出接口的计算机系统，对燃料电池系统FCS的各部进行控制。例如，控制器EC接收到从点火装置开关输出的起动信号IG时，开始燃料电池系统FCS的运转。然后，控制器EC基于从油门传感器输出的油门开度信号ACC、从车速传感器输出的车速信号VC等，求出燃料电池系统FCS整体的要求电力。燃料电池系统FCS整体的要求电力是车辆行驶电力与辅机电力的总值。
在此，辅机电力包括：车载辅机类（加湿器、空气压缩机、氢泵及冷却水循环泵等）所消耗的电力、车辆行驶所需的装置（变速器、车轮控制装置、转向装置及悬架装置等）所消耗的电力、配设在乘员空间内的装置（空调装置、照明器具及音频设备等）所消耗的电力等。
并且，控制器EC决定燃料电池FC和蓄电池ES2的各自的输出电力的分配。控制器EC以燃料电池FC的发电量与目标电力一致的方式控制氧化气体供给系统ASS及燃料气体供给系统FSS。而且，控制器EC向DC/DC转换器ES1输出指示信号，执行由DC/DC转换器ES1进行的转换器控制，并控制燃料电池FC的运转点（输出端子电压、输出电流）。而且，控制器EC为了得到与油门开度对应的目标转矩，例如，将U相、V相及W相的各交流电压指令值作为开关指令向牵引逆变器ES3输出，并控制牵引电动机ES4的输出转矩及转速。而且，控制器EC控制冷却系统CS而将燃料电池FC控制成适当的温度。
接着，参照图2、图3、图4、图5，说明基于控制器EC和DC/DC转换器ES1的燃料电池FC的运转点控制。图2是表示基于控制器EC和DC/DC转换器ES1的燃料电池FC的运转点控制的流程图。图3是用于说明电力反馈控制的框图。图4是用于说明电压反馈控制的框图。图5是用于说明以往的反馈控制的框图。
在步骤S01中，控制器EC判断当前的运转模式是否为想要从燃料电池FC取出电力的运转模式。想要从燃料电池FC取出电力的运转模式是通常的运转模式。另一方面，不想要从燃料电池FC取出电力的运转模式是间歇运转模式、起动·停止模式、冰点下起动模式这样的运转模式的情况。在当前的运转模式是想要从燃料电池FC取出电力的的运转模式时，向步骤S02的处理前进，在当前的运转模式是不想要从燃料电池FC取出电力的运转模式时，向步骤S03的处理前进。
在步骤S02中，从控制器EC对DC/DC转换器ES1输出作为要求电力的FC指令功率，DC/DC转换器ES1执行电力反馈控制。如图3所示，DC/DC转换器ES1根据从控制器EC输出的FC指令功率21与燃料电池FC的FC发电电力22的偏差，而算出FC电力偏差23（=FC指令功率21-FC发电电力22）。对该FC电力偏差23实施PID补偿24（比例补偿（P补偿）、积分补偿（I补偿）、微分补偿（D补偿）），输出转换器指令电压作为控制量。
在本实施方式中，如此输出作为要求电力的FC指令功率21，基于该FC指令功率21与FC发电电力22的偏差来进行电力反馈控制，因此不进行I-V推定而能够实现高速、高精度的电力控制。为了进行比较，参照图5说明以往的反馈控制。如图5所示，DC/DC转换器基于从控制器输出的FC指令功率41，基于I-V推定来执行从电力向电压的转换，算出FC指令电压42。根据该FC指令电压42与FC实际电压43的偏差，而算出FC电压偏差44（=FC指令电压-FC实际电压）。对该FC电压偏差44实施PID补偿45，输出转换器指令电压作为控制量。因此，若I-V推定的精度低，则无法算出与FC指令功率41适当对应的FC指令电压42，结果是FC指令功率41与FC实际发电功率会背离。基于如此背离的输入来算出FC电压偏差44，即使实施PID补偿45而输出转换器指令电压，也无法进行准确的控制。而且，若I-V推定的精度低，则加快运算速度，结果也相同，从而无法消除功率误差。相对于此，在本实施方式中，如上所述，由于无需进行I-V推定，因此能够实现高精度的电力控制。
返回图2，在步骤S03中，从控制器EC对DC/DC转换器ES1输出基于燃料电池FC的运转状态的作为要求电压的FC指令电压，DC/DC转换器ES1执行电压反馈控制。如上所述，步骤S03的处理在不想要从燃料电池FC取出电力的运转模式（间歇运转模式、起动?停止模式、冰点下起动模式等）时进行。这种情况下，进行电力反馈控制时，例如在间歇运转模式时，即使通过DC/DC转换器ES1使动作点电压变化，由于不向燃料电池FC供给燃料气体，因此发电量不增加，而PID控制中的积分项（I补偿项）可能会发散。因此，在本实施方式中，不想要从燃料电池FC取出电力时，无需极细微地控制电力，着眼于这种情况，执行电压反馈控制。
更具体而言，如图4所示，DC/DC转换器ES1根据从控制器EC输出的FC指令电压31与燃料电池FC的FC实际电压32的偏差，来算出FC电压偏差33（=FC指令电压31-FC实际电压32）。对该FC电压偏差33实施PID补偿34（比例补偿（P补偿）、积分补偿（I补偿）、微分补偿（D补偿）），输出转换器指令电压作为控制量。
符号说明：
FCS：燃料电池系统
FC：燃料电池
ASS：氧化气体供给系统
AS1：过滤器
AS2：空气压缩机
AS3：氧化气体流路
AS4：氧化废气流路
AS5：加湿器
A3：背压调整阀
CS：冷却系统
CS1：散热器
CS2：冷却液泵
CS3：冷却液去路
CS4：冷却液回路
FSS：燃料气体供给系统
FS1：燃料气体供给源
FS2：喷射器
FS3：燃料气体流路
FS4：循环流路
FS5：循环泵
FS6：排气排水流路
H1：截止阀
H2：调节器
H3：截止阀
H4：截止阀
H5：排气排水阀
ES：电力系统
ES1：DC/DC转换器
ES2：蓄电池
ES3：牵引逆变器
ES4：牵引电动机
ES5：辅机类
EC：控制器
S1：电压传感器
S2：电流传感器
S3：SOC传感器
S4、S6：压力传感器
S5：水温传感器
ACC：油门开度信号
IG：起动信号
VC：车速信号
Claims (1)
1.一种燃料电池系统，具备燃料电池和与所述燃料电池连接的负载，其特征在于，具备：
连接在所述燃料电池与所述负载之间，对所述燃料电池的输出进行调整而向所述负载输出的转换器；和
控制所述燃料电池及所述转换器的控制部，
所述控制部对所述转换器输出要求电力或基于所述燃料电池的运转状态的要求电压，
所述转换器选择性地执行电力反馈控制和电压反馈控制，该电力反馈控制根据该输出的要求电力与所述燃料电池的发电电力之间的偏差来执行向所述负载输出的供给电力的调整，该电压反馈控制根据该输出的要求电压与所述燃料电池的实际电压之间的偏差来执行向所述负载输出的输出电压的调整，
在处于意图从所述燃料电池取出电力的运转模式的情况下，选择所述电力反馈控制，在处于不意图从所述燃料电池取出电力的运转模式的情况下，选择所述电压反馈控制。
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