CN103518281A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

在基于包含前馈项的占空指令值而控制转换器的工作的燃料电池系统中，抑制负载急增（急减）时的转换器的响应性的下降。燃料电池系统（1）具备：设置在燃料电池（2）与负载装置（5）之间的转换器（10）；及基于包括前馈项的占空指令值而控制转换器（10）的工作的控制单元（7），其中，控制单元（7）在来自负载装置（5）的要求电力超过规定的阈值的运转区域中，使用与转换器（10）相关的物理量的指令值来算出前馈项。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统。

背景技术

以往，提出了一种将接受反应气体（燃料气体及氧化气体）的供给而进行发电的燃料电池与蓄电池等二次电池一起搭载而构成的混合电力供给装置。例如，近年来，提出了一种混合电力供给装置，其具备主电源部（燃料电池）、辅助电源部（蓄电池）、将主电源部的输出电压调整成规定的直流电压而输出的电压调整部（DC-DC转换器等）（参照专利文献1）。这样的装置的电压调整部根据主电源部的工作参数，以前馈驱动模式及反馈驱动模式中的任一方进行工作。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-178287号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在专利文献1记载那样的现有的混合电力供给装置中，测定燃料电池的输出电流、输出电压等，使用这些实测值而生成前馈驱动模式信号。如此使用实测值而生成转换器控制用的前馈信号时，在负载（要求电力）急增或急减的情况下，转换器的响应性下降，其结果是，能产生燃料电池的输出电力相对于要求电力的响应性急剧下降的问题。

本发明鉴于这种情况而作出，其目的是在基于包含前馈项的占空指令值而控制转换器的工作的燃料电池系统中，抑制负载急增（急减）时的转换器的响应性的下降。

用于解决课题的手段

为了实现所述目的，本发明的燃料电池系统具备：设置在燃料电池与负载装置之间的转换器；及基于包括前馈项的占空指令值而控制所述转换器的工作的控制单元，其中，所述控制单元在来自所述负载装置的要求电力超过规定的阈值的运转区域中，使用与所述转换器相关的物理量的指令值来算出所述前馈项。

当采用上述结构时，在高负载区域（来自负载装置的要求电力超过规定的阈值的运转区域）中，使用与转换器相关的物理量的指令值（例如输入电压指令值、电流指令值）能够算出转换器的占空指令值中包含的前馈项。因此，与基于实测值算出前馈项的情况相比时，能够提高高负载区域的转换器的响应性。其结果是，能够减少占空指令值中包含的反馈项的负载，因此能够确保高负载区域的转换器控制的稳定性。而且，能够使燃料电池的输出电力相对于要求电力迅速响应，因此能够降低蓄电池的过放电的可能性。

在本发明的燃料电池系统中，可以采用基于转换器的入口电压指令值及转换器的出口电压指令值而算出前馈项的控制单元。

例如，在设转换器的入口电压指令值为V_{REF_L}、转换器的出口电压指令值为V_{REF_H}时，可以采用基于“D_FF=1-V_{REF_L}/V_{REF_H}”的式子算出前馈项D_FF的控制单元。而且，在设转换器的出口电压实测值为V_{MES_H}时，也可以采用基于“D_FF=1-V_{REF_L}/V_{MES_H}”的式子算出前馈项D_FF的控制单元。

另外，在本发明的燃料电池系统中，也可以采用基于燃料电池的电流电压特性和转换器的入口电流指令值来算出转换器的入口电压指令值的控制单元。而且，也可以采用基于燃料电池的电流电压特性、燃料电池的电流电力特性、燃料电池的电力指令值来算出转换器的入口电压指令值的控制单元。此外，也可以采用基于燃料电池的电流电压特性、转换器的损失特性、转换器的出口电流指令值来算出转换器的入口电压指令值的控制单元。

另外，在本发明的燃料电池系统中，也可以采用对在前馈项的计算中使用的指令值的相位特性进行校正的控制单元。而且，也可以采用对算出了的前馈项的相位特性进行校正的控制单元。

当采用上述结构时，能够对在前馈项的计算中使用的指令值的相位特性、算出的前馈项的相位特性进行校正，因此能够进一步提高响应性。

另外，在本发明的燃料电池系统中，可以采用在来自负载装置的要求电力为规定的阈值以下的运转区域中，基于下式来算出前馈项DFF的控制单元，

[数学式1]

$D_{\mathrm{FF}}=\sqrt{2\mathrm{Lf}}\×\sqrt{\frac{V_{\mathrm{MES}\_H}-V_{\mathrm{MES}\_L}}{V_{\mathrm{MES}\_H}\×V_{\mathrm{MES}\_L}}\×\sqrt{I_{\mathrm{REF}}}}$

。在该式子中，L是转换器内的电抗器的电感，f是转换器的工作频率，V_{MES_H}是转换器的出口电压实测值，V_{MES_L}是转换器的入口电压实测值，I_REF是转换器的入口电流指令值。

已知转换器的响应性在高负载区域（来自负载装置的要求电力超过规定的阈值的运转区域）与低负载区域（来自负载装置的要求电力为规定的阈值以下的运转区域）中存在较大不同，但当采用上述结构时，考虑低负载区域的转换器的响应性而能够准确地算出前馈项。

发明效果

根据本发明，在基于包含前馈项的占空指令值来控制转换器的工作的燃料电池系统中，能够抑制负载急增（急减）时的转换器的响应性的下降。

附图说明

图1是本发明的实施方式的燃料电池系统的结构图。

图2是用于说明本发明的实施方式的燃料电池系统的FC转换器控制的框图。

图3是用于说明现有的FC转换器控制的框图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施方式的燃料电池系统1。本实施方式的燃料电池系统1是搭载于燃料电池车辆的发电系统。

如图1所示，燃料电池系统1将由燃料电池2、蓄电池3产生的电力经由逆变器4向牵引电动机5供给，由此驱动牵引电动机5旋转。燃料电池系统1具备设置在燃料电池2与逆变器4之间的FC转换器10、设置在蓄电池3与逆变器4之间的蓄电池转换器6、对系统整体进行统一控制的控制器7等。

燃料电池2是将多个单电池串联层叠而构成的固体高分子电解质型电池组。在燃料电池2中，在阳极电极产生以下的（1）式的氧化反应，在阴极电极产生以下的（2）式的还原反应，作为燃料电池2整体而产生以下的（3）式的起电反应。

H₂→2H⁺+2e^-…（1）

（1/2）O₂+2H⁺+2e^-→H₂O…（2）

H₂+（1/2）O₂→H₂O…（3）

构成燃料电池2的单电池具有由用于供给燃料气体及氧化气体的隔板将膜/电极结合体（MEA）夹入而成的结构，该膜/电极结合体利用阳极电极及阴极电极这两个电极将高分子电解质膜夹入而构成。在燃料电池2设有将燃料气体向阳极电极供给的系统、将氧化气体向阴极电极供给的系统、将冷却液向隔板内供给的系统，按照来自控制器7的控制信号，控制燃料气体的供给量、氧化气体的供给量，由此能够产生希望的电力。

FC转换器10起到控制燃料电池2的输出电压的功能。如图1所示，本实施方式的FC转换器10是将U相转换器11、V相转换器12、W相转换器13、X相转换器14这4相并联连接而成的多相转换器。FC转换器10根据牵引电动机5等负载装置的负载（要求电力），能够进行仅使用1相（例如U相）的1相驱动、使用2相（例如U相、V相）的2相驱动、使用3相（例如U相、V相、W相）的3相驱动、使用全部的驱动相的4相驱动这样的驱动相的切换。

FC转换器10将燃料电池2的输出电压控制成与目标输出对应的电压。需要说明的是，关于FC转换器10的输入电压及输入电流（燃料电池2的输出电压及输出电流）、FC转换器10的输出电压及输出电流，能够通过未图示的电压传感器及电流传感器来进行检测。

作为在FC转换器10的各驱动相（U相、V相、W相、X相）中使用的开关元件的种类，可以列举例如耦合肖特基二极管、p-i-n/肖特基复合二极管、MOS势垒肖特基二极管等二极管类、双极耦合型晶体管（BJT）、达林顿管这样的电流控制型晶体管、通常闸流晶体管或GTO（Gate Turn Off：门机关断）闸流晶体管等闸流晶体管类、MOS场效应（FET）晶体管、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）、注入促进型绝缘栅极晶体管（IEGT）等电压控制型晶体管等。其中，优选闸流晶体管类及电压控制型晶体管。

蓄电池3相对于牵引电动机5，与燃料电池2并联连接，具有蓄积剩余电力、再生制动时的再生能量的功能，并且作为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作用。作为蓄电池3，可以采用例如镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。

蓄电池转换器6起到控制逆变器4的输入电压的功能，可以采用例如与FC转换器10同样的电路结构。作为蓄电池转换器6，也可以采用升压型的转换器，但也可以将其取代而采用能够进行升压工作及降压工作的升降压型的转换器，可以采用能够进行逆变器4的输入电压的控制的所有结构。

逆变器4可以采用例如以脉冲宽度调制方式驱动的PWM逆变器，按照来自控制器7的控制指令，将从燃料电池2、蓄电池3供给的直流电力转换成三相交流电力，控制牵引电动机5的旋转转矩。

牵引电动机5产生作为燃料电池车辆的动力的旋转转矩，在减速时也产生再生电力。牵引电动机5的旋转转矩在通过减速装置8减速成规定的转速的基础上，经由轴8a而向轮胎9传递。需要说明的是，在本实施方式中，将接受从燃料电池2供给的电力而工作的全部的设备（包括牵引电动机5及减速装置8）总称为负载装置。

控制器7是用于统一控制燃料电池系统1的计算机系统，例如具有CPU、RAM、ROM等。控制器7接受从各种传感器供给的信号（例如，表示油门开度的信号、表示车速的信号、表示燃料电池2的输出电流或输出电压的信号等）的输入，算出负载装置的负载（要求电力）。

负载装置的负载例如是车辆行驶电力与辅机电力的总计值。在辅机电力中，包括由车载辅机类（空气压缩器、氢泵、冷却水循环泵等）消耗的电力、由车辆行驶所需的装置（变速器、车轮控制装置、转向装置、悬架装置等）消耗的电力、由配置在乘员空间内的装置（空调装置、照明器具、音响等）消耗的电力等。

并且，控制器7决定燃料电池2和蓄电池3的各自的输出电力的分配，算出发电指令值。控制器7在算出对于燃料电池2及蓄电池3的要求电力后，以得到所述要求电力的方式控制FC转换器10及蓄电池转换器6的工作。即，控制器7作为本发明的控制单元发挥作用。

在此，使用图2等，更详细地说明本实施方式的燃料电池系统1的控制器7的功能。

以往的FC转换器控制用的控制器如图3所示，基于实测值（电压实测值V_MES、电流实测值I_MES）相对于与FC转换器相关的物理量的指令值（电压指令值V_REF、电流指令值I_REF）的偏差，算出占空指令值中包含的反馈项D_FB，并使用与FC转换器相关的物理量的实测值（电压实测值V_MES、电流实测值I_MES）来算出前馈项。并且，将算出的反馈项D_FB及前馈项D_FF相加而算出占空指令值D，基于该占空指令值D而控制FC转换器10的工作。

相对于此，如图2所示，本实施方式的控制器7使用与FC转换器10相关的物理量的指令值（电压指令值V_REF、电流指令值I_REF），算出占空指令值中包含的前馈项D_FF。控制器7将该前馈项D_FF加上另行算出的反馈项D_FB来算出占空指令值D，基于该占空指令值D来控制FD转换器10的工作。

本实施方式的控制器7根据负载装置的负载（要求电力）而切换前馈项D_FF的算出方法。以下，说明高负载区域和低负载区域的各自的前馈项D_FF的算出方法。

<高负载区域>

首先，说明高负载区域（要求电力超过规定的阈值的运转区域）的前馈项D_FF的算出方法。

控制器7监视负载装置的负载（要求电力），在判断为负载超过规定的阈值时，送出用于计算高负载区域用的前馈项D_FF的切换信号S_S。然后，控制器7在将FC转换器10的入口电压指令值设为V_{REF_L}、将FC转换器10的出口电压指令值设为V_{REF_H}时，基于成为“D_FF=1-V_{REF_L}/V_{REF_H}”的式子而算出前馈项D_FF。需要说明的是，在图2中，由“G_{FF_H}”表示以FC转换器10的入口电压指令值V_{REF_L}、出口电压指令值V_{REF_H}为输入并以前馈项D_FF为输出的功能块。

此时，本实施方式的控制器7基于燃料电池2的电流电压特性（IV特性）和FC转换器10的入口电流指令值I_REF来算出FC转换器10的入口电压指令值V_{REF_L}。此外，也可以基于燃料电池2的电流电压特性、燃料电池2的电流电力特性、燃料电池2的电力指令值P_REF来算出FC转换器10的入口电压指令值V_{REF_L}。而且，也可以基于燃料电池2的电流电压特性、FC转换器10的损失特性、FC转换器10的出口电流指令值来算出FC转换器10的入口电压指令值V_{REF_L}。

另外，本实施方式的控制器7使用图2的实线所示的传递函数G_CR，对在高负载区域的前馈项D_FF的计算中使用的指令值（入口电流指令值I_REF、入口电压指令值V_{REF_L}、出口电压指令值V_{REF_H}）的相位特性进行校正。需要说明的是，也可以取代对各种指令值的相位特性进行校正的情况，而使用图2中虚线所示的传递函数G_CR对算出的前馈项D_FF的相位特性进行校正。作为用于对指令值、前馈项的相位特性进行校正的传递函数G_CR，可以使用二阶系统的传递函数。

<低负载区域>

接着，说明低负载区域（要求电力为规定的阈值以下的运转区域）的前馈项D_FF的算出方法。

控制器7监视负载装置的负载（要求电力），在判断为负载为规定的阈值以下时，送出用于算出低负载区域用的前馈项D_FF的切换信号S_S。并且，控制器7基于下式而算出前馈项D_FF，

[数学式2]

$D_{\mathrm{FF}}=\sqrt{2\mathrm{Lf}}\&times;\sqrt{\frac{V_{\mathrm{MES}\_H}-V_{\mathrm{MES}\_L}}{V_{\mathrm{MES}\_H}\&times;V_{\mathrm{MES}\_L}}\&times;\sqrt{I_{\mathrm{REF}}}}.$

在该式中，L是FC转换器10内的电抗器的电感，f是FC转换器10的工作频率，V_{MES_H}是FC转换器10的出口电压实测值，V_{MES_L}是FC转换器10的入口电压实测值，I_REF是FC转换器10的入口电流指令值。需要说明的是，在图2中，由“G_{FF_L}”表示以FC转换器10的入口电流指令值I_{REF_L}等为输入并以前馈项D_FF为输出的功能块。

另外，控制器7使用由图2中实线所示的传递函数G_CR对在低负载区域的前馈项D_FF的计算中使用的电流指令值I_REF的相位特性进行校正。需要说明的是，也可以取代校正电流指令值I_REF的相位特性的情况，而使用图2中虚线所示的传递函数G_CR对算出的前馈项D_FF的相位特性进行校正。作为用于对指令值、前馈项的相位特性进行校正的传递函数G_CR，可以采用二阶系统的传递函数。

在以上说明的实施方式的燃料电池系统1中，在高负载区域，使用与FC转换器10相关的物理量的指令值（电压指令值V_REF、电流指令值I_REF），能够算出转换器控制用的占空指令值D中包含的前馈项D_FF。因此，与基于实测值而算出前馈项的情况相比时，能够提高高负载区域的FC转换器10的响应性。其结果是，能够减少占空指令值D中包含的反馈项D_FB的负载，因此能够确保高负载区域的转换器控制的稳定性。而且，能够使燃料电池2的输出电力相对于要求电力迅速响应，因此能够使蓄电池3的过放电的可能性下降。

另外，在以上说明的实施方式的燃料电池系统1中，在低负载区域，以与高负载区域不同的计算方法算出前馈项D_FF。因此，考虑与高负载区域不同的低负载区域的FC转换器10的响应性，能够准确地算出前馈项D_FF。

另外，在以上说明的实施方式的燃料电池系统1中，对在前馈项D_FF的计算中使用的指令值（电流指令值I_REF、电压指令值V_REF）的相位特性进行校正，因此能够进一步提高响应性。

需要说明的是，在本实施方式中，说明了在高负载区域基于成为“D_FF=1-V_{REF_L}/V_{REF_H}”的式子而算出前馈项D_FF的例子，但前馈项D_FF的计算方法并不局限于此。例如，在设FC转换器10的出口电压实测值为V_{MES_H}时，也可以基于“D_FF=1-V_{REF_L}/V_{MES_H}”算出前馈项D_FF。

在采用上式的情况下，也可以基于燃料电池2的电流电压特性（IV特性）和FC转换器10的入口电流指令值I_REF来算出FC转换器10的入口电压指令值V_{REF_L}。而且，也可以基于燃料电池2的电流电压特性、燃料电池2的电流电力特性、燃料电池2的电力指令值P_REF来算出FC转换器10的入口电压指令值V_{REF_L}，或基于燃料电池2的电流电压特性、FC转换器10的损失特性、FC转换器10的出口电流指令值来算出FC转换器10的入口电压指令值V_{REF_L}。

另外，在以上的实施方式中，示出了将本发明的燃料电池系统搭载于燃料电池车辆的例子，但也可以在燃料电池车辆以外的各种移动体（机器人、船舶、飞机等）上搭载本发明的燃料电池系统。而且，也可以将本发明的燃料电池系统适用于作为建筑物（住宅、大厦等）用的发电设备而使用的固定用发电系统。此外，也可以适用于便携型的燃料电池系统。

标号说明

1…燃料电池系统，2…燃料电池，5…牵引电动机（负载装置），7…控制器（控制单元），10…FC转换器。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，具备：设置在燃料电池与负载装置之间的转换器；及基于包括前馈项的占空指令值而控制所述转换器的工作的控制单元，其中，

所述控制单元在来自所述负载装置的要求电力超过规定的阈值的运转区域中，使用与所述转换器相关的物理量的指令值来算出所述前馈项。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，

所述控制单元基于所述转换器的入口电压指令值及所述转换器的出口电压指令值而算出所述前馈项。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，

所述控制单元在设所述转换器的入口电压指令值为V_{REF_L}、设所述转换器的出口电压指令值为V_{REF_H}时，基于下式算出所述前馈项D_FF，

D_FF=1-V_{REF_L}/V_{REF_H}。

4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，

所述控制单元在设所述转换器的入口电压指令值为V_{REF_L}、设所述转换器的出口电压实测值为V_{MES_H}时，基于下式算出所述前馈项D_FF，

D_FF=1-V_{REF_L}/V_{MES_H}。

5.根据权利要求2～4中任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述控制单元基于所述燃料电池的电流电压特性和所述转换器的入口电流指令值，算出所述转换器的入口电压指令值。

6.根据权利要求2～4中任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述控制单元基于所述燃料电池的电流电压特性、所述燃料电池的电流电力特性、所述燃料电池的电力指令值，算出所述转换器的入口电压指令值。

7.根据权利要求2～4中任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述控制单元基于所述燃料电池的电流电压特性、所述转换器的损失特性、所述转换器的出口电流指令值，算出所述转换器的入口电压指令值。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述控制单元对在所述前馈项的计算中使用的所述指令值的相位特性进行校正。

9.根据权利要求1～7中任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述控制单元对算出的所述前馈项的相位特性进行校正。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的燃料电池系统，其中，

所述控制单元在来自所述负载装置的要求电力为规定的阈值以下的运转区域中，基于下式算出所述前馈项D_FF，

[数学式1]

$D_{\mathrm{FF}}=\sqrt{2\mathrm{Lf}}\&times;\sqrt{\frac{V_{\mathrm{MES}\_H}-V_{\mathrm{MES}\_L}}{V_{\mathrm{MES}\_H}\&times;V_{\mathrm{MES}\_L}}\&times;\sqrt{I_{\mathrm{REF}}}},$

其中，L为所述转换器内的电抗器的电感，f为所述转换器的工作频率，V_{MES_H}为所述转换器的出口电压实测值，V_{MES_L}为所述转换器的入口电压实测值，I_REF为所述转换器的入口电流指令值。

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