CN105609816B - 阀控制装置及阀控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供阀控制装置及阀控制方法，根据阀的个体差引起的阀的开度的变动量来控制阀。对调节向燃料电池供给的反应气体的压力的阀进行控制的阀控制装置具备：推定部，推定阀的阀有效截面积；及开度调节部，以基于由推定部推定出的阀有效截面积进行了校正的控制量来调节阀的开度。

Description

阀控制装置及阀控制方法
本申请主张基于2014年11月13日提出的申请号为2014-230656号的日本专利申请的优先权，其全部公开内容通过参照而援引于本申请中。
技术领域
本发明涉及阀控制装置及阀控制方法。
背景技术
向燃料电池供给反应气体的气体供给系统具备调节向燃料电池供给的反应气体的压力的阀和控制该阀的阀控制装置。在JP2000-163134A中记载了使用作为映射数据而预先记录的阀有效截面积来控制反应气体的流量。
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1的气体供给系统中，未考虑阀的个体差引起的阀的开度的变动量，因此存在燃料电池的反应气体的压力产生过度与不足的情况这样的课题。因此，希望一种能够根据阀的个体差引起的阀的开度的变动量来控制阀的技术。
用于解决课题的手段
本发明为了解决上述课题的至少一部分而作出，可以作为以下的方式实现。
(1)根据本发明的一方式，提供一种对调节向燃料电池供给的反应气体的压力的阀进行控制的阀控制装置。该阀控制装置具备：推定部，推定所述阀的阀有效截面积；及开度调节部，以基于由所述推定部推定出的所述阀有效截面积进行了校正的控制量来调节所述阀的开度。根据该方式，能够根据阀的个体差引起的阀的开度的变动量来控制阀。
(2)在上述方式的阀控制装置中，可以是，在流过所述阀的所述反应气体的流量成为比较低的值且连接于所述阀的一次侧流路与二次侧流路之间的差压成为比较高的值的条件下使所述燃料电池运转时，所述推定部推定所述阀有效截面积。根据该方式，在阀有效截面积的个体差的影响比较大的低流量且高差压的条件下推定阀有效截面积，由此能够提高推定阀有效截面积的精度。
(3)在上述方式的阀控制装置中，可以是，还具备：存储部，存储基于由所述推定部推定出的所述阀有效截面积的信息；及消去时调节部，当所述信息被从所述存储部消去的情况下，将连接于所述阀的一次侧流路与二次侧流路之间的差压调节为比通常运转高的值，在由所述消去时调节部调节了所述差压的状态下，所述推定部推定所述阀有效截面积。根据该方式，在阀有效截面积的个体差的影响比较大的高差压的条件下推定阀有效截面积，由此能够抑制从通常运转的脱离，并能够提高推定阀有效截面积的精度。
(4)在上述方式的阀控制装置中，可以是，还具备：流量取得部，取得表示流过所述阀的所述反应气体的流量的信息；温度取得部，取得表示所述反应气体的温度的信息；差压取得部，取得表示连接于所述阀的一次侧流路与二次侧流路之间的差压的信息；及压力取得部，取得表示所述二次侧流路的压力的信息，所述推定部基于所述流量、所述温度、所述差压及所述压力来推定所述阀有效截面积。根据该方式，能够基于孔口流量公式推定阀有效截面积。
本发明也能够以阀控制装置以外的各种方式实现。例如，本申请发明能够以燃料电池系统、气体供给装置及阀控制方法等方式实现。
附图说明
图1是表示燃料电池系统的概略结构的说明图。
图2是表示阀的开度与差压的关系的坐标图。
图3是表示阀的开度与阀有效截面积的关系的坐标图。
图4是表示阀控制装置的详细结构的说明图。
图5是表示第二实施方式的阀控制装置的详细结构的说明图。
具体实施方式
A.第一实施方式
图1是表示燃料电池系统10的概略结构的说明图。燃料电池系统10具备燃料电池20，为了供给电力而使燃料电池20运转。在本实施方式中，燃料电池系统10搭载于车辆，供给车辆的行驶所使用的电力。
燃料电池20基于反应气体的电化学反应而发电。在本实施方式中，燃料电池20是固体高分子型燃料电池。在本实施方式中，燃料电池20基于氢与氧的电化学反应而发电。在本实施方式中，向燃料电池20供给氢气及空气作为反应气体。
燃料电池20具有将多个单电池层叠而成的组结构，为了维持发电性能而需要在组内保持一定的水分。在本实施方式中，燃料电池系统10是对向燃料电池20供给的空气不实施加湿的无过湿系统，因此在组的温度上升时，即使在发电负载比较低的情况下，也需要使向燃料电池20供给的空气的压力上升。因此，即使在空气的流量比较低的情况下，也要求稳定地调节向燃料电池20供给的空气的压力。
燃料电池系统10具备向燃料电池20供给空气作为氧化气体的气体供给装置30。在本实施方式中，气体供给装置30将大气中的空气向燃料电池20供给。气体供给装置30具备泵210、阀260及阀控制装置500。
气体供给装置30的泵210将通过取入流路305从大气中取入的空气向燃料电池20进行压力输送。由泵210压力输送的空气通过供给流路310向燃料电池20的内部流路330供给。通过了内部流路330的空气通过排出流路350从燃料电池20排出。
气体供给装置30的阀260设置在排出流路350与排气流路370之间，调节向燃料电池20供给的空气的压力。与阀260连接的排出流路350是相对于阀260位于空气的流动的上游侧的一次侧流路。与阀260连接的排气流路370是相对于阀260位于空气的流动的下游侧的二次侧流路。
在本实施方式中，阀260是能够基于电信号来调节开度的电动阀。在本实施方式中，阀260是包含感知开度的传感器而不具备各种传感器的无传感器规格。通过阀260的空气的流量Q与泵210的做功量相关。
在本实施方式中，在燃料电池系统10设有流量传感器412、压力传感器413、温度传感器414、大气压传感器419作为各种传感器。
燃料电池系统10的流量传感器412感知通过取入流路305的空气的流量。由流量传感器412感知的流量与通过阀260的空气的流量Q相关。
燃料电池系统10的压力传感器413感知通过供给流路310的空气的压力Pp。排出流路350的空气的压力PU与由压力传感器413感知的压力Pp相关。压力PU成为从压力Pp减去内部流路330的压力损失的推定值所得到的压力。
燃料电池系统10的大气压传感器419感知大气压Pa。排气流路370的空气的压力PL与由大气压传感器419感知的压力Pa相关。压力PL成为将排气流路370的压力损失的推定值与压力Pa相加所得到的压力。
燃料电池系统10的温度传感器414感知燃料电池20的内部温度。由温度传感器414感知的内部温度与通过阀260的空气的温度T相关。
阀260的阀有效截面积S使用基于孔口流量公式的下式(1)来表示。
【数学式1】
Q：通过阀260的空气的流量
A：流量系数
T：通过阀260的空气的温度
PL：通过阀260之后的空气的压力
dP：通过阀260前后的空气的差压(＝PU-PL)
图2是表示阀260的开度与差压dP的关系的坐标图。图2的横轴表示阀260的开度。图2的纵轴表示差压dP。在阀260的开度比较小的区域中，差压dP的变化量比较大，在阀260的开度比较大的区域中，差压dP的变化量比较小。例如，从开度p2增加为开度p3的差压dP的变化量RS2比从开度p1增加为开度p2的差压dP的变化量RS1小，且比从开度p3增加为开度p4的差压dP的变化量RS3大。
图3是表示阀260的开度与阀有效截面积S的关系的坐标图。图3的横轴表示阀260的开度。图3的纵轴表示阀有效截面积S。中央值Vc表示与中央值种类的阀260的开度对应的阀有效截面积S。下限值Vs表示与下限值种类的阀260的开度对应的阀有效截面积S。上限值Vb表示与上限值种类的阀260的开度对应的阀有效截面积S。由于阀260的个体差，即使阀有效截面积S为相同的状态，阀260的开度也会产生变动。例如，实现阀有效截面积Sn的开度在中央值种类中为开度pc，相对于此在下限值种类中为更小的开度ps，在上限值种类中为更大的开度pb。
图4是表示阀控制装置500的详细结构的说明图。燃料电池20的阀控制装置500对阀260进行控制。在本实施方式中，阀控制装置500通过输出对阀260进行驱动的电信号来调节阀260的开度。阀控制装置500具备控制部510、存储部530、存储部540及接口550。
阀控制装置500的存储部530存储由控制部510处理的各种信息。在本实施方式中，存储于存储部530的信息是在制造时预先记录的信息。在本实施方式中，存储部530是ROM(Read Only Memory)。在存储部530预先存储有表示与中央值种类的阀260的开度对应的阀有效截面积S的信息即基准值BL。在本实施方式中，基准值BL是图3所示的中央值Vc。
阀控制装置500的存储部540存储由控制部510处理的各种信息。在本实施方式中，存储于存储部540的信息在对存储部540的电源的供给停止的情况下被消去。在本实施方式中，存储部540是SRAM(Static Random Access Memory)。在存储部540存储有表示阀260的个体差引起的开度的变动的变动量VR作为由控制部510生成的信息。
阀控制装置500的接口550与燃料电池系统10的各种设备电连接，在这些设备与控制部510之间进行信息的接收和供给。在本实施方式中，接口550除了与阀260连接之外，还与泵210、流量传感器412、压力传感器413、温度传感器414及大气压传感器419连接。
阀控制装置500的控制部510执行用于控制阀260的各种处理。在本实施方式中，控制部510的各结构通过控制部510的CPU(Central Processing Unit)基于计算机程序进行动作而通过软件实现。在其他的实施方式中，控制部510的至少一部分的结构可以基于控制部510的电路结构而通过硬件实现。
控制部510具备第一推定部522、第二推定部524及开度调节部526。在本实施方式中，控制部510还具备流量取得部512、温度取得部514、差压取得部516及压力取得部518。
控制部510的流量取得部512取得表示通过阀260的空气的流量Q的信息。在本实施方式中，流量取得部512经由接口550取得表示由流量传感器412感知的流量的信息，基于该流量来求出流量Q，由此取得表示流量Q的信息。在本实施方式中，流量取得部512使用与燃料电池20的电流值对应的氧消耗量和与燃料电池20的温度对应的水蒸气量，对由流量传感器412感知的流量进行校正，由此求出流量Q。在其他的实施方式中，可以是流量取得部512经由接口550取得表示泵210的做功量的信息，基于泵210的做功量来求出流量Q，由此取得表示流量Q的信息。在其他的实施方式中，流量取得部512可以从设于阀260的流量传感器取得表示流量Q的信息。
控制部510的温度取得部514取得表示通过阀260的空气的温度T的信息。在本实施方式中，温度取得部514经由接口550从温度传感器414取得表示燃料电池20的温度的信息，基于该温度来求出温度T，由此取得表示温度T的信息。在其他的实施方式中，温度取得部514可以从设于阀260的温度传感器取得表示温度T的信息。
控制部510的差压取得部516取得表示通过阀260的前后的空气的差压dP的信息。在本实施方式中，差压取得部516经由接口550从压力传感器413取得表示压力Pp的信息，并经由接口550从大气压传感器419取得表示大气压Pa的信息，基于上述压力Pp及大气压Pa来求出差压dP，由此取得表示差压dP的信息。即，差压取得部516基于压力Pp及大气压Pa来推定差压dP。在其他的实施方式中，差压取得部516可以从阀260或设于阀260的前后的差压传感器取得表示差压dP的信息。
控制部510的压力取得部518取得表示通过了阀260之后的空气的压力PL的信息。在本实施方式中，压力取得部518经由接口550从压力传感器419取得表示大气压Pa的信息，基于该大气压Pa来求出压力PL，由此取得表示压力PL的信息。即，压力取得部518基于大气压Pa来推定压力PL。在其他的实施方式中，压力取得部518也可以从设于排气流路370的压力传感器取得表示压力PL的信息。
控制部510的第一推定部522推定阀260的阀有效截面积S。在本实施方式中，在流量Q成为比较低的值且差压dP成为比较高的差压的条件下，在使所述燃料电池运转时，第一推定部522推定阀有效截面积S。在本实施方式中，第一推定部522基于由流量取得部512测定的流量Q、由温度取得部514测定的温度T、由差压取得部516测定的差压dP、由压力取得部518测定的压力PL来推定阀有效截面积S。
控制部510的第二推定部524基于由第一推定部522推定出的阀有效截面积S来推定阀260的个体差引起的开度的变动量VR。在本实施方式中，第二推定部524从存储部530参照基准值BL，推定设于气体供给装置30的阀260的开度相对于中央值种类的开度而偏差的开度的级数作为变动量VR。在本实施方式中，第二推定部524以阀260全闭的状态为基准来判断阀260的开度。在本实施方式中，第二推定部524在推定出变动量VR之后将其信息存储于存储部540。
控制部510的开度调节部526以根据由第二推定部524推定出的变动量VR进行了校正的控制量来调节阀260的开度。在本实施方式中，开度调节部526使用存储于存储部540的变动量VR来校正阀260的控制量。
根据以上说明的第一实施方式，以基于阀有效截面积S推定出的变动量VR来调节阀260的开度，因此能够根据阀260的个体差引起的开度的变动量来控制阀260。
而且，在流量Q成为比较低的值且差压dP成为比较高的值的条件下使燃料电池20运转时，推定阀有效截面积S。这样，在阀有效截面积S的个体差的影响比较大的低流量且高差压的条件下推定阀有效截面积S，由此能够提高推定阀有效截面积S的精度。
而且，基于流量Q、温度T、差压dP及压力PL来推定阀有效截面积S，由此能够基于孔口流量公式推定阀有效截面积S。
B.第二实施方式
图5是表示第二实施方式的阀控制装置500B的详细结构的说明图。第二实施方式的燃料电池系统10除了取代第一实施方式的阀控制装置500而具备阀控制装置500B这一点之外，与第一实施方式同样。第二实施方式的阀控制装置500B除了控制部510具备消去时调节部511B这一点、以及取代第一实施方式的第一推定部522而具备第一推定部522B这一点之外，与第一实施方式的阀控制装置500同样。
阀控制装置500B的消去时调节部511B在变动量VR被从存储部540消去的情况下将差压dP调节为比通常运转高的值。在本实施方式中，变动量VR被从存储部540消去的状况例如是对阀控制装置500B的电源即蓄电池进行更换时向存储部540供给的电力中断的情况(所谓蓄电池清除)。在本实施方式中，消去时调节部511B经由接口550向阀260输出控制信号，由此将差压dP调节为比通常运转高的值。
阀控制装置500B的第一推定部522B除了在通过消去时调节部511B调节了差压dP的状态下推定阀有效截面积S这一点之外，与第一实施方式的第一推定部522同样。在本实施方式中，在等待了伴随着消去时调节部511B对差压dP的调节而流量Q下降之后，第一推定部522B推定阀有效截面积S。在本实施方式的燃料电池系统10中，即便在使差压dP比通常运转积极地増加的情况下，在燃料电池20中也能够满足要求输出，因此不会给驾驶性能造成影响。然而，在使流量Q比通常运转积极地下降的情况下，来自燃料电池20的输出可能不再满足要求输出，驾驶性能可能会下降。
根据以上说明的第二实施方式，与第一实施方式同样，以基于阀有效截面积S推定出的变动量VR来调节阀260的开度，因此能够根据阀260的个体差引起的开度的变动量来控制阀260。
而且，在变动量VR被从存储部540消去的情况下将差压dP调节为比通常运转高的值的状态下，推定阀有效截面积S。这样，在阀有效截面积S的个体差的影响比较大的高差压的条件下推定阀有效截面积S，因此能够抑制从通常运转的脱离，并能够提高推定阀有效截面积S的精度。
C.其他的实施方式
本发明并不局限于上述的实施方式、实施例、变形例，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，发明内容一栏记载的各方式中的技术特征所对应的实施方式、实施例、变形例中的技术特征为了解决上述的课题的一部分或全部，或者为了实现上述的效果的一部分或全部，可以适当进行更换、组合。而且，其技术特征在本说明书中只要不是作为必须的特征进行说明，就可以适当删除。例如，本发明并不局限于调节向燃料电池20供给的空气的压力的阀的控制，也可以应用于调节其他的气体的压力的阀的控制。
阀控制装置可以在使用孔口流量公式推定出差压dP相对于阀260的开度的变化量的基础上，在与向燃料电池20供给的空气相关的目标的压力与当前的压力的偏差内包含差压dP相对于开度的变化量的情况下，调节阀260的开度。由此，能够防止伴随着阀260的开度的调节而向燃料电池20供给的空气的压力急剧上升及急剧下降的情况。
阀控制装置可以在基于流量Q推定出向燃料电池20供给的空气的压力的响应性的基础上决定调节阀260的开度的时机。由此，能够防止伴随着阀260的开度的调节而向燃料电池20供给的空气的压力急剧上升及急剧下降的情况。
附图标记说明
10…燃料电池系统
20…燃料电池
30…气体供给装置
210…泵
260…阀
305…取入流路
310…供给流路
330…内部流路
350…排出流路
370…排气流路
412…流量传感器
413…压力传感器
414…温度传感器
419…大气压传感器
500、500B…阀控制装置
510…控制部
511B…消去时调节部
512…流量取得部
514…温度取得部
516…差压取得部
518…压力取得部
522、522B…第一推定部
524…第二推定部
526…开度调节部
530…存储部
540…存储部
550…接口

Claims (6)

1.一种阀控制装置，对调节向燃料电池供给的反应气体的压力的阀进行控制，所述阀控制装置具备：
推定部，推定所述阀的阀有效截面积；及
开度调节部，推定由所述推定部推定出的所述阀有效截面积相对于与中央值种类的阀开度对应的阀有效截面积的变动量，以根据该变动量进行了校正的控制量来调节所述阀的开度，
所述与中央值种类的阀开度对应的阀有效截面积是制造时预先存储的作为基准值的信息，所述中央值种类的阀开度是在阀开度因阀的个体差而产生变动的多个阀中阀开度为中央值的开度。
2.根据权利要求1所述的阀控制装置，还具备：
存储部，存储基于由所述推定部推定出的所述阀有效截面积的信息；及
消去时调节部，当所述信息被从所述存储部消去的情况下，将连接于所述阀的一次侧流路与二次侧流路之间的差压调节为比通常运转高的值，
在由所述消去时调节部调节了所述差压的状态下，所述推定部推定所述阀有效截面积。
3.根据权利要求1或2所述的阀控制装置，还具备：
流量取得部，取得表示流过所述阀的所述反应气体的流量的信息；
温度取得部，取得表示所述反应气体的温度的信息；
差压取得部，取得表示连接于所述阀的一次侧流路与二次侧流路之间的差压的信息；及
压力取得部，取得表示所述二次侧流路的压力的信息，
所述推定部基于所述流量、所述温度、所述差压及所述压力来推定所述阀有效截面积。
4.一种阀控制方法，对调节向燃料电池供给的反应气体的压力的阀进行控制，其中，
推定所述阀的阀有效截面积，
推定所推定出的所述阀有效截面积相对于与中央值种类的阀开度对应的阀有效截面积的变动量，以根据该变动量进行了校正的控制量来调节所述阀的开度，
所述与中央值种类的阀开度对应的阀有效截面积是制造时预先存储的作为基准值的信息，所述中央值种类的阀开度是在阀开度因阀的个体差而产生变动的多个阀中阀开度为中央值的开度。
5.根据权利要求4所述的阀控制方法，其中，
将基于推定出的所述阀有效截面积的信息存储于存储部，
当所述信息被从所述存储部消去的情况下，将连接于所述阀的一次侧流路与二次侧流路之间的差压调节为比通常运转高的值，
当所述信息被从所述存储部消去的情况下调节了所述差压的状态下，推定所述阀有效截面积。
6.根据权利要求4或5所述的阀控制方法，其中，
取得表示流过所述阀的所述反应气体的流量的信息，
取得表示所述反应气体的温度的信息，
取得表示连接于所述阀的一次侧流路与二次侧流路之间的差压的信息，
取得表示所述二次侧流路的压力的信息，
基于所述流量、所述温度、所述差压及所述压力来推定所述阀有效截面积。
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