CN105576271B - 燃料电池系统和最大电力计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够减轻燃料电池所能够输出的最大电力的计算误差的燃料电池系统。该燃料电池系统具备：接受反应气体的供给来进行发电的燃料电池(40)；基于由电流传感器(140)和电压传感器(150)计测的输出电流和输出电压更新燃料电池(40)的输出特性的输出特性更新单元；使用输出特性计算燃料电池(40)所能够输出的最大电力的最大电力计算单元；以及判定是否处于设想输出特性的值暂时下降的设想状况的判定单元，在由判定单元判定为处于设想状况下的期间，最大电力计算单元使用即将向设想状况转移前由输出特性更新单元更新的输出特性来计算最大电力。

Description

燃料电池系统和最大电力计算方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及最大电力计算方法。
背景技术
以往，提出了具备接受反应气体(燃料气体和氧化气体)的供给来进行发电的燃料电池的燃料电池系统，并且该燃料电池系统已实用化。该燃料电池系统的燃料电池的阴极侧被供给作为氧化气体的空气，燃料电池的阳极侧被供给作为燃料气体的氢气，通过这些空气和氢气的电气化学反应，生成电力。
在这样的燃料电池系统中，为了提高燃料电池的发电效率，进行推定燃料电池的电流电压特性(以下，也称作“I－V特性”)，并基于该I－V特性确定燃料电池的输出的控制(参照专利文献1)。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2003－346849号公报
发明内容
本发明要解决的问题
另外，由于I－V特性根据燃料电池的运转状态和/或运转环境发生变动，因此，通过定期更新I－V特性的值，能够减轻因该变动而产生的误差。然而，在具有这样的I－V特性的更新功能的燃料电池系统中，例如，在燃料电池的运转状态转移到间歇运转的情况下，发电状态会下降，因此，燃料电池的I－V特性的值被更新为发电状态下降时的值。I－V特性的值下降是指在同一运转条件下，相对于电流I的电压V的值下降。
间歇运转是例如空转时、低速行驶时或再生制动时等那样暂时转移的运转状态，大多在短时间内恢复到通常运转。在这样的在间歇运转时I－V特性的值被更新、之后再次开始通常运转的情况下，会在直至I－V特性的值下一次被更新之前，基于发电状态下降时的I－V特性控制燃料电池。在该情况下，比实际上燃料电池所能够输出的最大电力小的电力会被算出为燃料电池的最大电力，并被进行控制。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能够减轻燃料电池所能够输出的最大电力的计算误差的燃料电池系统和最大电力计算方法。
用于解决问题的手段
为了实现上述目的，本发明涉及的燃料电池系统具备：燃料电池，接受反应气体的供给来进行发电；计测单元，计测所述燃料电池的输出电流和输出电压；输出特性更新单元，基于由所述计测单元计测的所述输出电流和所述输出电压更新所述燃料电池的输出特性；最大电力计算单元，使用所述输出特性计算所述燃料电池所能够输出的最大电力；以及判定单元，判定是否处于设想所述输出特性的值暂时下降的设想状况下，在由所述判定单元判定为处于所述设想状况下的期间，所述最大电力计算单元使用即将向该设想状况转移前由所述输出特性更新单元更新的所述输出特性来计算所述最大电力。
另外，本发明涉及的电流电压特性推定方法是计算接受反应气体的供给来进行发电的燃料电池所能够输出的最大电力的方法，包括：计测工序，计测所述燃料电池的输出电流和输出电压；输出特性更新工序，基于在所述计测工序中计测的所述输出电流和所述输出电压更新所述燃料电池的输出特性；最大电力计算工序，使用所述输出特性来计算所述最大电力；以及判定工序，判定是否处于设想所述输出特性的值暂时下降的设想状况下，在所述判定工序中判定为处于所述设想状况下的期间，在所述最大电力计算工序中使用即将向所述设想状况转移前在所述输出特性更新工序中更新的所述输出特性来计算所述最大电力。
通过采用该结构和方法，能够基于由计测单元计测的输出电流和输出电压，随时更新燃料电池的输出特性，使用该更新后的输出特性，计算燃料电池所能够输出的最大电力，另一方面，在判定为处于设想输出特性的值暂时下降的设想状况下的期间，能够使用即将向设想状况转移前被更新的输出特性来计算最大电力。
在所述燃料电池系统中，可以还包括告知单元，在由所述最大电力计算单元计算出的所述最大电力被限制的情况下，向使用者告知所述最大电力被限制。
在所述燃料电池系统中，也可以是，所述设想状况下至少是使所述燃料电池的发电暂时休止并间歇进行所述反应气体的供给的间歇运转期间、所述反应气体的供给不足的状态下的运转期间、以及所述输出电压下降到设想值以下的期间中的任一期间。
发明效果
根据本发明，能够提供能够减轻燃料电池所能够输出的最大电力的计算误差的燃料电池系统。
附图说明
图1是本发明的实施方式涉及的燃料电池系统的结构图。
图2是用于说明图1的燃料电池系统的最大电力计算方法的流程图。
图3是用于说明图1的燃料电池系统的最大电力计算方法的流程图。
图4是用于说明图1的燃料电池系统的最大电力计算方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式涉及的燃料电池系统进行说明。本实施方式涉及的燃料电池系统是搭载于作为移动体的燃料电池汽车(FCHV：Fuel Cell HybridVehicle)的发电系统。
首先，使用图1对本实施方式涉及的燃料电池系统的结构进行说明。图1是搭载有本实施方式涉及的燃料电池系统100的车辆的概略结构。
燃料电池40是从所供给的反应气体(燃料气体和氧化气体)产生电力的单元，能够利用固体高分子型、磷酸型、熔融碳酸盐型等各种类型的燃料电池。燃料电池40具有将具备MEA等的多个单体电池串联层叠的电池堆构造。该燃料电池40的实际运转动作点下的输出电流和输出电压分别由电流传感器140和电压传感器150检测。从燃料气体供给源10向燃料电池40的燃料极(阳极)供给氢气等燃料气体，另一方面，从氧化气体供给源70向氧气极(阴极)供给空气等氧化气体。
燃料气体供给源10例如由氢气罐和/或各种阀等构成，通过调整阀开度和/或打开/关闭时间等来控制向燃料电池40供给的燃料气体量。氧化气体供给源70例如由空气压缩机和/或驱动空气压缩机的马达、变换器等构成，通过调整该马达的转速等，来调整向燃料电池40供给的氧化气体量。
蓄电池60是能够充放电的二次电池，例如由镍氢电池等构成。也可以取代蓄电池60而设置二次电池以外的能够充放电的蓄电器(例如，电容器)。该蓄电池60和燃料电池40与牵引马达用的变换器110并联连接，在蓄电池60与变换器110之间设有DC/DC转换器130。
变换器110例如是脉宽调制方式的PWM变换器，根据从控制装置80赋予的控制指令，将从燃料电池40或蓄电池60输出的直流电力变换为三相交流电力，并将其供应给牵引马达115。牵引马达115是用于驱动车轮116L、116R的马达，该马达的转速由变换器110控制。
DC/DC转换器130具有：将从蓄电池60输入的DC电压升高或降低并向燃料电池40侧输出的功能；和将从燃料电池40等输入的DC电压升高或降低并向蓄电池60侧输出的功能。通过该DC/DC转换器130的功能，实现蓄电池60的充放电。作为DC/DC转换器130，例如能够采用由四个功率晶体管和专用的驱动电路构成的全桥转换器。
蓄电池60和DC/DC转换器130之间连接有车辆辅机和/或FC辅机等辅机类120。蓄电池60成为这些辅机类120的电源。此外，车辆辅机是指车辆运转时等所使用的各种电力设备(照明设备、空调设备、液压泵等)，FC辅机是指燃料电池40的运转所使用的各种电力设备(用于供给燃料气体和/或氧化气体的泵等)。
控制装置80由作为运算处理装置的CPU、作为存储器的ROM和RAM等构成，基于从检测FC电压的电压传感器150(计测单元)、检测FC电流的电流传感器140(计测单元)、检测燃料电池40的温度的温度传感器50、检测蓄电池60的充电状态的SOC传感器(未图示)、检测加速器踏板的开度的加速器踏板传感器(未图示)等输入的各传感器信号，综合地控制燃料电池系统100的各部分。
控制装置80具有以下的功能(输出特性更新单元)：当接收从点火开关输出的启动信号时，开始燃料电池40的运转，按规定的运算周期从电压传感器150和电流传感器140取得燃料电池40的输出电压和输出电流，依次更新燃料电池40的I－V特性映射。例示性地，控制装置80设想燃料电池40的电压被表示为电流的函数(一次函数或规定的n次函数)，使用基于最小二乘法等的估计方法，创建I－V特性映射。控制装置80基于该I－V特性映射，依次更新电流电力特性(以下，也称作“I－P特性”)映射。在此，已知I－P特性映射基于I－V特性映射唯一地确定。在本说明书中，将I－V特性映射和I－P特性映射中的任一方或双方统称为燃料电池40的输出特性映射。I－V特性映射和I－P特性映射被保存在存储器内。
控制装置80基于输出特性映射，确定燃料电池40和蓄电池60各自的输出电力的分配，以使燃料电池40的发电量与目标电力一致的方式控制氧化气体供给系统和燃料气体供给系统，并且控制DC/DC转换器130来调整燃料电池40的输出电压，由此控制燃料电池40的运转点(输出电压、输出电流)。
控制装置80具有判定是否处于设想输出特性映射的值暂时下降的状况(以下，称作“设想状况”)的功能(判定单元)。作为设想状况，例如是间歇运转期间、空气缺乏状态下的运转期间、电压的异常下降下降状态等。
间歇运转是使燃料电池40的发电暂时休止并间歇进行反应气体的供给的运转。空气缺乏状态下的运转是指氧化气体的供给不足的状态下的运转，例如，相当于急速暖机运转。电压的异常下降状态是指燃料电池40的电池电压或电池堆电压为设想电压以下的状态。设想电压以下针对设想燃料电池40的电池会劣化的范围而设定。
控制装置80具有使用输出特性映射来计算燃料电池40所能够输出的最大电力的功能(最大电力计算单元)。该功能下的控制装置80在设想状况下的期间，使用即将向设想状况转移前被更新的输出特性映射来计算最大电力。即，在设想状况下的期间，控制装置80中止输出特性映射的更新。
此外，输出特性映射不限于这一种，例如，也可以准备随时持续更新的输出特性映射和在成为设想状况下时中断更新的输出特性映射，并根据是否处于设想状况下，切换计算最大电力时所使用的输出特性映射。
控制装置80具有在计算出的最大电力被原本能够输出的最大电力限制的情况下向驾驶员告知最大电力被限制的功能(告知单元)。作为最大电力被限制的情况，例如，因发电状态的恶化而实施限制燃料电池40的输出电流的输出限制处理的情况是相符的。作为实施输出限制处理的条件，例如存在如下情况：燃料电池40的温度为比稳定区域高的温度；燃料气体的余量降低至需要注意的区域；燃料电池40的电池堆的水分状态处于过度干燥的状态。
向驾驶员的告知，可以通过在显示装置上显示最大电力被限制来进行，也可以通过从扬声器输出通知最大电力被限制的语音和/或声音来进行。
接下来，参照图2～图4对基于控制装置80的最大电力计算功能进行具体说明。图2是例示设想状况为间歇运转的情况下的处理步骤的流程图。该处理步骤在从燃料电池40的运转开始至运转停止的期间被反复执行。
首先，控制装置80判定是否正在实施间歇运转(步骤S101)。在该判定为“是”的情况下，控制装置80使用即将实施间歇运转前被更新的输出特性映射，来计算燃料电池40所能够输出的最大电力(步骤S102)。
另一方面，当在上述步骤S101中判定为没有实施间歇运转的情况下(步骤S101；否)，控制装置80使用按规定的运算周期随时更新的最新的输出特性映射，计算燃料电池40所能够输出的最大电力(步骤S103)。
在此，计算能够输出的最大电力的方法可适当利用公知的方法。以下，例示性进行说明。
首先，控制装置80基于根据驾驶员的加速器操作等驾驶操作所输出的输出要求，确定燃料电池40的输出目标电力。接下来，控制装置80基于I－P特性映射来取得与输出目标电力对应的输出目标电流。接下来，控制装置80基于I－V特性映射取得与输出目标电流对应的输出目标电压。由此，控制装置80能够基于输出目标电流和输出目标电压计算最大电力。
另外，在实施输出限制处理的情况下，例如如以下那样计算能够输出的最大电力。控制装置80基于I－V特性映射，取得与被进行输出制限的目标电流对应的输出目标电压。由此，控制装置80能够基于被进行输出限制的目标电流和输出目标电压，计算最大电力。
图3是例示设想状况为空气缺乏状态下的运转期间的情况下的处理步骤的流程图。该处理步骤在从燃料电池40的运转开始至运转停止的期间被反复执行。
首先，控制装置80判定是否处于空气缺乏状态下的运转期间(步骤S201)。在该判定为“是”的情况下，控制装置80使用即将向空气缺乏状态下的运转转移前被更新的输出特性映射，计算燃料电池40所能够输出的最大电力(步骤S202)。
另一方面，在上述步骤S201中，在判定为不是空气缺乏状态下的运转的情况下(步骤S201；否)，控制装置80使用按规定的运算周期随时更新的最新的输出特性映射，计算燃料电池40所能够输出的最大电力(步骤S203)。
图4是例示设想状况与电压的异常下降状态相符的情况下的处理步骤的流程图。该处理步骤在从燃料电池40的运转开始至运转停止的期间被反复执行。
首先，控制装置80判定是否与电压的异常下降状态相符(步骤S301)。在该判定为“是”的情况下，控制装置80使用即将成为与电压的异常下降状态相符前被更新的输出特性映射，计算燃料电池40所能够输出的最大电力(步骤S302)。
另一方面，当在上述步骤S301中判定为与电压的异常下降状态不相符的情况下(步骤S301；否)，控制装置80使用按规定的运算周期随时更新的最新的输出特性映射，计算燃料电池40所能够输出的最大电力(步骤S303)。
根据以上说明的实施方式涉及的燃料电池系统100，能够基于由电流传感器140和电压传感器150计测的输出电流和输出电压，随时更新燃料电池40的输出特性，使用该更新出的输出特性，计算燃料电池40所能够输出的最大电力，另一方面，在判定为处于设想输出特性的值暂时下降的设想状况下的期间，能够使用即将向设想状况转移前被更新的输出特性，计算最大电力。
因此，根据实施方式涉及的燃料电池系统100，能够减轻燃料电池40所能够输出的最大电力的计算误差。
此外，在以上的实施方式中，示出了将本发明涉及的燃料电池系统搭载于燃料电池汽车的例子，但是也可以将本发明涉及的燃料电池系统搭载于燃料电池汽车以外的各种移动体(机器人、船舶、航空器等)。另外，也可以将本发明涉及的燃料电池系统应用于作为建筑物(住宅、大厦等)用的发电设备而使用的定置用发电系统。进而，还能够应用于便携型燃料电池系统。
标号说明
10…燃料气体供给源、40…燃料电池、50…温度传感器、60…蓄电池、70…氧化气体供给源、80…控制装置、100…燃料电池系统、110…变换器、115…牵引马达、120…辅机类、130…DC/DC转换器、140…电流传感器、150…电压传感器。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池，接受反应气体的供给来进行发电；
计测单元，计测所述燃料电池的输出电流和输出电压；
输出特性更新单元，基于由所述计测单元计测的所述输出电流和所述输出电压在每个规定的运算周期更新所述燃料电池的输出特性映射；
基于在每规定的运算周期更新的所述输出特性映射，控制根据所述输出电流及所述输出电压确定的所述燃料电池的运转点的单元；
最大电力计算单元，从所述输出特性映射取得与所述燃料电池的输出目标电力对应的输出目标电流及输出目标电压，基于该取得的所述输出目标电流及所述输出目标电压，计算所述燃料电池所能够输出的最大电力；以及
判定单元，判定是否符合处于设想所述燃料电池的输出特性的值暂时下降的设想状况下的使所述燃料电池的发电暂时休止并间歇进行所述反应气体的供给的间歇运转期间、作为所述反应气体的氧气的供给不足的空气缺乏状态下的运转期间、以及所述输出电压下降到设想值以下的电压的异常下降状态中的任一个，
在由所述判定单元判定为符合所述设想状况下的任一个的期间，所述最大电力计算单元使用即将向该设想状况转移前由所述输出特性更新单元更新的所述输出特性映射来计算所述最大电力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还具备：
告知单元，在由所述最大电力计算单元计算出的所述最大电力被限制的情况下，向使用者告知所述最大电力被限制。
3.一种最大电力计算方法，是计算接受反应气体的供给来进行发电的燃料电池所能够输出的最大电力的方法，包括：
计测工序，计测所述燃料电池的输出电流和输出电压；
输出特性更新工序，基于在所述计测工序中计测的所述输出电流和所述输出电压在每个规定的运算周期更新所述燃料电池的输出特性映射；
基于在每规定的运算周期更新的所述输出特性映射，控制根据所述输出电流及所述输出电压确定的所述燃料电池的运转点的工序；
最大电力计算工序，从所述输出特性映射取得与所述燃料电池的输出目标电力对应的输出目标电流及输出目标电压，基于该取得的所述输出目标电流及所述输出目标电压，计算所述最大电力；以及
判定工序，判定是否符合处于设想所述燃料电池的输出特性的值暂时下降的设想状况下的使所述燃料电池的发电暂时休止并间歇进行所述反应气体的供给的间歇运转期间、作为所述反应气体的氧气的供给不足的空气缺乏状态下的运转期间、以及所述输出电压下降到设想值以下的电压的异常下降状态中的任一个，
在所述判定工序中判定为符合所述设想状况下的任一个的期间，在所述最大电力计算工序中使用即将向所述设想状况转移前在所述输出特性更新工序中更新的所述输出特性映射来计算所述最大电力。
4.根据权利要求3所述的最大电力计算方法，其中，还包含：
告知工序，在所述最大电力计算工序中计算出的所述最大电力被限制的情况下，向使用者告知所述最大电力被限制。
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