CN107134921B - 电压控制系统、燃料电池系统及电压控制系统的控制方法 - Google Patents

电压控制系统、燃料电池系统及电压控制系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供电压控制系统、燃料电池系统及电压控制系统的控制方法。电压控制系统具备转换器装置和控制部，该控制部根据电流目标值来设定占空比，通过所述占空比使所述转换器装置反复执行升压动作。所述控制部构成为，使用包括前馈项的基本项和追加项来设定所述占空比，所述前馈项是使用所述转换器装置所具备的电抗器的输入的大小的计测值和所述电抗器的输出的大小的计测值或者使用所述电抗器的输入的大小及输出的大小各自的目标值导出的项，所述追加项是使用所述一个循环的期间的所述电流目标值的变化量导出的项。

Description

电压控制系统、燃料电池系统及电压控制系统的控制方法
技术领域
本发明涉及电压控制系统、燃料电池系统及电压控制系统的控制方法。
背景技术
燃料电池系统使燃料电池发电来输出与来自电动机等外部负载、系统内部的辅机类等的要求相应的目标电力。在燃料电池系统中，为了高效地向外部负载、辅机类等输出燃料电池的输出电力而整合有使用转换器将燃料电池的输出电压升压的电压控制系统(例如，下述日本特开2015-19448)。转换器例如由作为电感元件的电抗器和控制电流相对于电抗器的流动的开关元件构成。转换器的升压动作通过占空比来控制，占空比表示一个循环中的开关元件的开闭期间的比例。对于转换器的占空比，通常基于转换器的输入电压的计测值和输出电压的计测值来进行反馈控制。
发明内容
对于燃料电池系统而言，希望进一步提高相对于目标电力的要求的响应性、跟随性。因此，希望即使在目标电力短时间内显著地发生了变化的情况下，也可在转换器中抑制反馈控制的延迟、过冲的发生。提高这样的转换器的控制性这一课题不限于燃料电池系统和整合于燃料电池系统的电压控制系统，是在使用了转换器的电压控制系统中共同存在的课题。
本发明提供电压控制系统、燃料电池系统及电压控制系统的控制方法。
本发明的第一方案的电压控制系统根据电流目标值来控制输出电压。该电压控制系统具备转换器装置和控制部。转换器装置具备储蓄电能的电抗器，通过以作为一个循环中的储蓄期间的比例而确定的占空比进行动作，来将输入电压升压，所述储蓄期间是对所述电抗器输入并储蓄所述电能的期间。所述控制部根据所述电流目标值来设定所述占空比，使所述转换器装置反复执行所述输入电压的升压动作。所述控制部构成为，使用包括前馈项的基本项和追加项来设定所述占空比，所述前馈项是使用根据所述电流目标值设定的所述电抗器的输入的大小及所述电抗器的输出的大小的各自的目标值导出的项，所述追加项是使用所述一个循环的期间的所述电流目标值的变化量导出的为了根据所述变化量使所述占空比变化而追加的项。
根据上述第一方案的电压控制系统，使用相当于电流目标值的上次值与本次值之差的电流目标值的变化量这一已知的值来取得追加项。并且，通过利用该追加项使占空比变化，即使在电流目标值在一个循环的期间发生了大幅变化的情况下，也能抑制相对于该电流目标值的变化的转换器装置的响应延迟的产生。这样，在该形态的电压控制系统中，通过不仅使用利用与电抗器的输入输出相关的目标值导出的基本项，还使用反映了电流目标值的变化量的追加项，而提高了转换器装置的控制性。
上述第一方案的电压控制系统还具备计测来自所述电抗器的输出的大小的输出计测部。所述控制部可以构成为，使用对所述前馈项加上反馈项而得到的所述基本项和所述追加项来设定所述占空比，所述反馈项是使用所述电抗器的输出的大小的计测值和所述电抗器的输出的大小的目标值导出的项。
根据上述方案，能够通过反馈项而使电抗器的实际的输出的大小相对于输出的大小的目标值之差反映于占空比。
本发明的第二方案的电压控制系统根据电流目标值来控制输出电压。该电压控制系统具备转换器装置、输入计测部、输出计测部以及控制部。转换器装置具备储蓄电能的电抗器，通过以作为一个循环中的储蓄期间的比例而确定的占空比进行动作，来将输入电压升压，所述储蓄期间是对所述电抗器输入并储蓄所述电能的期间。所述输入计测部计测相对于所述电抗器的输入的大小。所述输出计测部计测来自所述电抗器的输出的大小。所述控制部根据所述电流目标值来设定所述占空比，使所述转换器装置反复执行所述输入电压的升压动作。所述控制部使用包括前馈项的基本项和追加项来设定所述占空比，所述前馈项是使用所述电抗器的输入的大小的计测值和所述电抗器的输出的大小的计测值导出的项，所述追加项是使用所述一个循环的期间的所述电流目标值的变化量导出的为了根据所述变化量使所述占空比变化而追加的项。
根据上述第二方案的电压控制系统，通过利用追加项使占空比变化，即使在电流目标值在一个循环的期间发生了大幅变化的情况下，也能抑制相对于该电流目标值的变化的转换器装置的响应延迟的产生。这样，在该形态的电压控制系统中，通过不仅使用利用与电抗器的输入输出相关的计测值导出的基本项，还使用反映了电流目标值的变化量的追加项，而提高了转换器装置的控制性。
在上述第二方案的电压控制系统中，所述控制部可以使用对所述前馈项加上反馈项而得到的所述基本项和所述追加项来设定所述占空比，所述反馈项是使用所述电抗器的输出的大小的计测值和根据所述电流目标值设定的所述电抗器的输出的大小的目标值导出的项。
根据上述第二方案，能够通过反馈项而使电抗器的实际的输出的大小相对于输出的大小的目标值之差反映于占空比。
在上述方案的电压控制系统中，所述控制部可以以使在所述一个循环中储蓄于所述电抗器的所述电能的变化量与从所述电抗器放出的所述电能的变化量的总和与所述一个循环中的所述电流目标值的变化量相当的方式，来设定所述追加项。
根据上述方案的电压控制系统，追加项被设定为更合适的值，所以转换器装置的控制性进一步得到提高。
在上述方案中，在将所述电流目标值的变化量设为ΔI，将所述电抗器的电感设为L，将所述一个循环的周期设为T，将作为所述电抗器的输出的大小的目标值的所述电抗器的输出电压的目标值设为VHt时，可以使用通过α/T＝(L·ΔI)/VHt得到的α/T的值作为所述追加项。
根据上述方案，能够得到相当于与电流目标值相应的变化量的更合适的追加项。
上述方案的电压控制系统还具备计测所述电抗器的输出电压的输出计测部，在将所述电流目标值的变化量设为ΔI，将所述电抗器的电感设为L，将所述一个循环的周期设为T，将所述电抗器的输出电压的计测值设为VH时，所述控制部可以使用通过α/T＝(L·ΔI)/VH得到的α/T的值作为所述追加项。
根据上述方案，能够得到更合适的追加项。
在上述方案的电压控制系统中，所述输出计测部计测所述电抗器的输出电压作为所述电抗器的输出的大小，在将所述电流目标值的变化量设为ΔI，将所述电抗器的电感设为L，将所述一个循环的周期设为T，将所述电抗器的输出电压的计测值设为VH时，所述控制部可以使用通过α/T＝(L·ΔI)/VH得到的α/T的值作为所述追加项。
根据上述方案，能够得到更合适的追加项。
在上述方案的电压控制系统中，所述控制部可以构成为，在所述变化量为规定的阈值以上的情况下，使用所述基本项和所述追加项来设定所述占空比，在所述变化量低于所述规定的阈值的情况下，以不使用所述追加项的方式设定所述占空比。
根据上述方案，对电流目标值急剧变化的过渡期间和除此以外的通常的控制期间进行区分，仅在符合过渡期间的情况下，在占空比的设定时使用追加项。因此，能够抑制在通常的控制期间使用追加项而致使占空比过大的情况。因而，转换器装置的控制性进一步得到提高。
本发明的第三方案的燃料电池系统具备燃料电池和上述任一方案的电压控制系统，所述电压控制系统将所述燃料电池输出的电压作为所述输入电压来进行升压。
根据上述第三方案的燃料电池系统，能够根据目标值以更高的精度将燃料电池的输出电压升压。
本发明的第四方案的电压控制系统的控制方法是如下的电压控制系统的控制方法，该电压控制系统具备转换器装置，输出根据电流目标值将输入电压升压后的输出电压，所述转换器装置具备储蓄电能的电抗器，通过以作为一个循环中的储蓄期间的比例而确定的占空比进行动作，来将输入电压升压，所述储蓄期间是对所述电抗器输入并储蓄所述电能的期间。在该控制方法中，根据所述电流目标值来设定所述占空比，使所述转换器装置反复执行升压动作，使用包括前馈项的基本项和追加项来设定所述占空比，所述前馈项是使用根据所述电流目标值设定的所述电抗器的输入的大小及所述电抗器的输出的大小的各自的目标值导出的项，所述追加项是使用所述一个循环的期间的所述电流目标值的变化量导出的为了根据所述变化量使所述占空比变化而追加的项。
根据上述方案的控制方法，在占空比的设定时，通过使用反映了电流目标值的变化量的追加项，能够抑制相对于电流目标值的变化的转换器装置的响应延迟的产生。因此，转换器装置的控制性得到提高。
本发明的第五方案的电压控制系统的控制方法是如下的电压控制系统的控制方法，该电压控制系统具备转换器装置，输出根据电流目标值将输入电压升压后的输出电压，所述转换器装置具备储蓄电能的电抗器，通过以作为一个循环中的储蓄期间的比例而确定的占空比进行动作，来将输入电压升压，所述储蓄期间是对所述电抗器输入并储蓄所述电能的期间。在该控制方法中，根据所述电流目标值来设定所述占空比，使所述转换器装置反复执行升压动作，计测所述电抗器的输入的大小和输出的大小，使用包括前馈项的基本项和追加项来设定所述占空比，所述前馈项是使用所述电抗器的输入的大小的计测值和所述电抗器的输出的大小的计测值导出的项，所述追加项是使用所述一个循环的期间的所述电流目标值的变化量导出的为了根据所述变化量使所述占空比变化而追加的项。
根据上述第五形态的控制方法，在占空比的设定时，通过使用反映了电流目标值的变化量的追加项，能够抑制相对于电流目标值的变化的转换器装置的响应延迟的产生。
上述本发明的各形态所具有的多个构成要素并非全都是必需的，能够为了解决上述课题的一部分或全部或者为了达成记载于本说明书的效果的一部分或全部而针对所述多个构成要素中的一部分构成要素适当地进行变更、删除、与新的其他构成要素的替换、限定内容的局部删除。另外，也能够为了解决上述课题的一部分或全部或者为了达成记载于本说明书的效果的一部分或全部，而将上述本发明的一形态所包含的技术特征的一部分或全部与上述的本发明的其他形态所包含的技术特征的一部分或全部组合而构成本发明的一个独立形态。另外，记载于上述各形态的控制部可以为了发挥记载于各形态的功能而作为独立的单个单元而设置，也可以作为发挥其他各种控制功能的单元的一部分而一体地整合于该单元。另外，记载于上述各形态的控制部的各个功能可以仅在构成控制部的单一的单元中实现，也可以在互相配合来构成控制部的以分离或独立的方式设置的多个单元中分别实现。例如，设定转换器装置的占空比的功能和使转换器装置反复执行升压动作的功能可以在构成控制部的分开的单元中实现。同样，设定转换器装置的占空比的功能和设定电抗器的输入的大小的目标值、输出的大小的目标值的功能也可以在构成控制部的分开的单元中实现。所述单元包含电路、计算机等。
本发明也能够以电压控制系统及其控制方法、燃料电池系统以外的各种形态来实现。例如，能够以搭载电压控制系统和燃料电池系统的车辆、转换器装置的控制方法、电压的升压方法、燃料电池系统的控制方法、记录有实现所述各种方法的计算机程序的非暂时性的记录介质等形态来实现。
附图说明
以下，参照附图对本发明的典型的实施例的特征、优点以及在技术和工业上的意义进行描述。在这些附图中，同样的标号表示同样的元素。
图1是示出燃料电池系统的电气结构的概略图。
图2是示出燃料电池转换器的结构的概略图。
图3是用于说明燃料电池转换器的占空比的说明图。
图4是示出燃料电池转换器的控制处理的流程的说明图。
图5是用于说明追加项的算出方法的说明图。
图6是示出燃料电池转换器的控制的一例的说明图。
具体实施方式
实施方式：图1是示出本发明的一实施方式中的燃料电池系统100的电气结构的概略图。该燃料电池系统100搭载于燃料电池车辆。燃料电池系统100利用电力来使驱动电动机20产生燃料电池车辆的驱动力，该电力是根据经由加速器踏板AP受理的驾驶员的要求使燃料电池10发电而得到的电力。燃料电池系统100除了具备燃料电池10和驱动电动机20之外，还具备燃料电池转换器11、二次电池15、二次电池转换器16、变换器21、第一电压计测部31、第二电压计测部32以及控制部50。如以下所说明那样，在燃料电池系统100中，燃料电池转换器11、第一电压计测部31、第二电压计测部32以及控制部50作为将燃料电池10输出的电压升压至控制部50所设定的目标电压的电压控制系统而发挥功能。
燃料电池10是接受氢和氧的供给作为反应气体而发电的固体高分子形燃料电池。作为燃料电池10，不限定于固体高分子形燃料电池，可以采用各种类型的燃料电池。作为燃料电池10，例如可以取代固体高分子形燃料电池而采用固体氧化物型燃料电池。燃料电池10经由第一直流导线L1连接于燃料电池转换器11的输入端子。
燃料电池转换器11是升压型的转换器装置，在控制部50的控制下进行将从燃料电池10输入的输入电压升压至目标电压的升压动作。燃料电池转换器11的输出端子经由第二直流导线L2连接于变换器21的直流端子。在燃料电池转换器11与变换器21之间也可以设置有继电器电路。燃料电池转换器11将电抗器电流(后述)的计测值IL经由信号线向控制部50发送。燃料电池转换器11可以使用智能功率模块(Intelligent Power Module；IPM)来构成。关于燃料电池转换器11的结成及动作的详情，将在后面叙述。
二次电池15例如由锂离子电池构成，与燃料电池10一并作为燃料电池系统100的电力源而发挥功能。二次电池15经由第三直流导线L3连接于二次电池转换器16的输入端子。
二次电池转换器16是升压型的转换器装置，具有与燃料电池转换器11同样的结构。二次电池转换器16的输出端子经由第四直流导线L4连接于将燃料电池转换器11与变换器21连接的第二直流导线L2。二次电池转换器16在控制部50的控制下与燃料电池转换器11协作，调整变换器21的输入电压即第二直流导线L2中的电压，从而控制二次电池15的充放电。在来自燃料电池转换器11的输出电力相对于目标输出电力不足的情况下，二次电池转换器16使二次电池15放电。另一方面，在驱动电动机20中产生再生电力的情况下，二次电池转换器16使该再生电力储蓄于二次电池15。此外，二次电池转换器16也可以具有与燃料电池转换器11不同的结构。
如前所述，驱动电动机20是驱动燃料电池车辆的车轮的动力源，例如由三相交流电动机构成。驱动电动机20经由交流导线连接于变换器21的交流端子。
变换器21是DC/AC变换器，根据来自控制部50的指令，将从燃料电池10及二次电池15经由第二直流导线L2以直流方式供给的电力变换为三相交流的电力，并向驱动电动机20供给。另外，变换器21将在驱动电动机20中产生的再生电力变换为直流电力并向第二直流导线L2输出。变换器21可以使用IPM来构成。燃料电池系统100也可以具备多个变换器21，驱动电动机20以外的其他辅机类(图示省略)可以经由各变换器21与第二直流导线L2电连接。
第一电压计测部31连接于第一直流导线L1，计测燃料电池转换器11的输入电压，并将表示该计测值VL的信号向控制部50输出。第二电压计测部32连接于第二直流导线L2，计测燃料电池转换器11的输出电压，并将表示该计测值VH的信号向控制部50输出。第一和第二电压计测部31、32分别例如可以由电压传感器构成。此外，燃料电池转换器11的输入电压及输出电压分别相当于燃料电池转换器11的电抗器(后述)的输入电压及输出电压。第一电压计测部31计测电抗器的输入电压作为相对于电抗器的输入的大小，也可以解释成本发明中的输入计测部的下位概念之一。另外，第二电压计测部32计测电抗器的输出电压作为来自电抗器的输出的大小，也可以解释成本发明中的输出计测部的下位概念之一。此外，在本说明书中，燃料电池转换器11、电抗器的“输入的大小”及“输出的大小”相当于储蓄于电抗器的电能的大小，可以解释成意味着电流、电压、电力中的任一者的大小。
控制部50由具备中央处理装置、主存储装置以及非易失性存储部的微型计算机构成，经由信号线连接于燃料电池转换器11、二次电池转换器16以及变换器21。控制部50通过控制燃料电池转换器11、二次电池转换器16以及变换器21来控制燃料电池10及二次电池15的输出电力，使驱动电动机20产生与来自驾驶员的输出要求相应的驱动力。另外，控制部50生成与来自外部的输出要求相应的控制信号S(后述)，来控制燃料电池转换器11的动作。控制部50将从燃料电池转换器11接收到的电抗器电流的计测值IL、从第一和第二电压计测部31、32接收到的燃料电池转换器11的输入电压及输出电压的计测值VL、VH用于燃料电池转换器11的控制。关于控制部50对燃料电池转换器11的控制步骤的详情，将在后面叙述。此外，控制部50既可以是以控制燃料电池系统100为目的而构成的单独的单元，也可以例如作为控制燃料电池车辆整体的控制单元等具有各种控制功能的控制单元的一部分而构成。另外，控制部50还可以由分别单独实现后述的各种功能的多个电路、单元、模块等构成。
图2是示出燃料电池转换器11的结构的概略图。在图2中，为了方便而省略了连接于第二直流导线L2的第四直流导线L4的图示。燃料电池转换器11构成为四相桥式转换器，具备U相电路部11U、V相电路部11V、W相电路部11W以及X相电路部11X。各相电路部11U、11V、11W、11X连接于第一和第二电源线L5a、L5b以及接地线L6。
第一电源线L5a是与燃料电池10连接的输入侧的电源线，第二电源线L5b是与变换器21连接的输出侧的电源线。接地线L6是燃料电池10和变换器21共用的接地线。在X相电路部11X的后段设置有平滑电容器66。平滑电容器66连接于第二电源线L5b和接地线L6，减少第二电源线L5b与接地线L6之间的电压变动。
各相电路部11U、11V、11W、11X具备电抗器61、输出用的二极管62以及开关元件63。各相电路部11U、11V、11W、11X的电抗器61的输入端子连接于第一电源线L5a。
各相电路部11U、11V、11W、11X的电抗器61的输出端子经由二极管62连接于第二电源线L5b。二极管62以从电抗器61朝向第二电源线L5b的方向为顺方向而设置。在二极管62与第二电源线L5b之间分别设置有电流计测部67U、67V、67W、67X。电流计测部67U、67V、67W、67X例如由电流传感器构成。各电流计测部67U、67V、67W、67X计测从对应的各相电路部11U、11V、11W、11X的电抗器61流出的电流即电抗器电流，并将该计测值ILU、ILV、ILW、ILX向控制部50发送。在本说明书中，将各相的电抗器电流的计测值ILU、ILV、ILW、ILX统称为“电抗器电流的计测值IL”，或者简称为“电抗器电流IL”。这样，各电流计测部67U、67V、67W、67X计测作为电抗器61的输出的大小的电抗器电流IL，也可以解释成本发明中的输出计测部的下位概念之一。
另外，各相电路部11U、11V、11W、11X的电抗器61的输出端子经由开关元件63连接于接地线L6。各开关元件63由晶体管64和保护用二极管65构成。晶体管64是npn型晶体管，例如由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)、电力用MOS(Metal Oxide Semiconductor：金属氧化物半导体)晶体管、电力用双极型晶体管等构成。晶体管64以电抗器61侧作为集电极且接地线L6侧作为发射极的方式连接。保护用二极管65在晶体管64的集电极-发射极间以与集电极电流的流动方向反向的方式连接。
从控制部50向各相电路部11U、11V、11W、11X的晶体管64的基极端子输入用于设定各开关元件63的占空比(后述)的控制信号SU、SV、SW、SX中的对应的一者。各相电路部11U、11V、11W、11X的开关元件63根据分别输入的控制信号SU、SV、SW、SX而反复通断。在以下说明中，为了方便起见，不对各相电路部11U、11V、11W、11X的各个控制信号SU、SV、SW、SX进行区分而统称为“控制信号S”。
当开关元件63接通时，电流从燃料电池10经由电抗器61向开关元件63开始流动，在电抗器61中储蓄基于直流励磁的磁能。当开关元件63断开时，在接通期间储蓄于电抗器61的磁能以电流的形式经由二极管62及第二电源线L5b向变换器21输出。
这样，在开关元件63接通而电流流向电抗器61的期间，在电抗器61中储蓄磁能作为电能。并且，在开关元件63断开的期间，储蓄于电抗器61的磁能被放出，电流从电抗器61向第二电源线L5b流动。
在开关元件63被断开时因储蓄于电抗器61的磁能而产生的感应电压会与燃料电池10的输出电压重叠。因此，各相电路部11U、11V、11W、11X的输出电压即第二电源线L5b的电压比燃料电池10的输出电压即第一电源线L5a的电压高。
以使各相电路部11U、11V、11W、11X的开关元件63依次接通的方式向各相电路部11U、11V、11W、11X发送控制信号S，各相电路部11U、11V、11W、11X的输出电压依次重叠。由此，向变换器21输入的电压被维持为比燃料电池10的输出电压高。通过以上的动作，燃料电池转换器11将从燃料电池10输入的电压升压并向变换器21输入。
参照图3，说明燃料电池转换器11的占空比。在图3中图示了表示电抗器电流IL及其有效电流Ie的时间变化和开关元件63的ON(接通)/OFF(断开)定时的时间图的一例。在图3中，电抗器电流IL的时间变化由单点划线表示，电抗器61中的有效电流Ie的时间变化由实线表示。在图3的例子中，电抗器61中的有效电流Ie大致恒定。
控制部50通过针对各相电路部11U、11V、11W、11X设定在一个循环中的开关元件63打开的期间的比例即占空比，来控制从各相电路部11U～11X的电抗器61流出的电流。在本实施方式中，各相电路部11U、11V、11W、11X的占空比的设定方法相同，所以在以下说明中，为了方便起见，不对各相电路部11U、11V、11W、11X进行区分，而作为燃料电池转换器11中的占空比的控制进行说明。
如上所述，当开关元件63被接通时，电抗器电流IL开始增加，当开关元件63被断开时，电抗器电流IL开始降低。电抗器61的有效电流Ie相当于电抗器电流IL的时间平均。因而，若一个循环中的开关元件63的接通期间的比例变大而断开期间的比例变小，则电抗器61的有效电流Ie变高。相反，若一个循环中的开关元件63的接通期间的比例变小而断开期间的比例变大，则电抗器61的有效电流Ie变低。
图4是示出控制部50对燃料电池转换器11的控制处理的流程的说明图。控制部50使用上述占空比对燃料电池转换器11的输出电压进行反馈控制。该控制部50的控制也可以解释成整合于燃料电池系统100的电压控制系统的控制。控制部50在燃料电池系统100起动之后直到停止为止的期间，以规定的控制周期反复进行以下的步骤S10～S60的一系列处理。此外，在本实施方式中，为了方便起见，假设控制部50的控制周期与燃料电池转换器11的驱动周期即开关元件63的开闭周期一致来进行说明。控制部50的控制周期也可以不必与燃料电池转换器11的驱动周期一致，也可以比燃料电池转换器11的驱动周期长。
在步骤S10中，控制部50决定使燃料电池10输出的目标电力和应该向变换器21输入的目标电力。控制部50经由燃料电池车辆的加速器踏板AP取得来自驾驶员的输出要求，根据该输出要求来决定这些目标电力。另外，控制部50也可以除了驾驶员的输出要求之外或者取代驾驶员的输出要求而基于应该向搭载于燃料电池车辆的辅机类等供给的电力等为了燃料电池系统100、燃料电池车辆的运转而在内部产生的控制要求，来决定这些目标电力。例如，控制部50可以基于环境温度、燃料电池10的温度、二次电池15的充电状态(SOC)来决定用于燃料电池10和其他辅机类的预热的燃料电池10的发电量，并基于该发电量来决定目标电力。在决定这些目标电力时，优选考虑当前的燃料电池10的输出特性(I-V特性)、二次电池15的充电状态(SOC)等。控制部50将燃料电池10的目标电压设定成燃料电池转换器11的输入电压的目标值。另外，根据应该向变换器21输入的目标电力，来决定燃料电池转换器11的输出电流的目标值即电流目标值It。电流目标值It是燃料电池转换器11的有效电流的值。而且，控制部50决定用于达成该电流目标值It的燃料电池转换器11的输出电压的目标值Vt和各电抗器61的输出电流(有效电流)的目标值即电抗器目标电流值ILt。
在此，控制部50将上次循环中的电流目标值It即上次值Ip存储于自身的存储部。在步骤S20中，如下述的式(1)所示，从本次循环中的电流目标值It(以下，也称作“本次值It”)减去上次值Ip来算出本次值It相对于上次值Ip的上升量即变化量ΔI。
ΔI＝It-Ip…(1)
在步骤S30中，控制部50为了决定占空比DC的算出方法而进行关于变化量ΔI的判定处理。在变化量ΔI低于规定的阈值Ith时，在步骤S40中，控制部50算出第一占空比DCA作为占空比DC。另一方面，在变化量ΔI为规定的阈值Ith以上时，在步骤S42中，控制部50算出第二占空比DCB作为占空比DC。关于根据变化量ΔI改变占空比DC的算出方法的理由，将在后面叙述。规定的阈值Ith可以是通过实验预先决定的值。在本实施方式中，规定的阈值Ith以与该阈值Ith相当的电流为目标值而被设定成在使用以下说明的第一占空比DCA对燃料电池转换器11进行了反馈控制的情况下有可能产生响应延迟的值。
在步骤S40中，如下述的式(2a)所示，控制部50通过将前馈项FFC与反馈项FBC相加来算出第一占空比DCA。前馈项FFC是构成用于得到与电流目标值It相应的占空比DC的基本项的项之一，是使用电抗器61的当前的输入电压的计测值VL及输出电压的计测值VH或者使用电抗器61的输入电压的目标值VLt及输出电压的目标值VHt导出的分量。在本实施方式中，前馈项FFC使用电抗器61的当前的输入电压的计测值VL和输出电压的计测值VH导出，例如通过下述的式(3)来算出。反馈项FBC是用于消除燃料电池转换器11的当前的输出的大小与目标输出之差的分量。在本实施方式中，反馈项FBC使用电抗器电流IL的有效值Iem和电抗器目标电流值ILt导出。第一占空比DCA的反馈项FBC例如通过下述的式(4)来算出。式(4)中的比例增益Kpa及积分增益Kia是能够将表示电流的分量变换成表示占空比的分量的规定的系数。反馈项FBC是构成用于得到与电流目标值It相应的占空比DC的基本项的项之一。
<第一占空比DCA>
DCA＝FFC+FBC…(2a)
FFC＝1-VL/VH…(3)
FBC＝Kpa·(ILt-Iem)+Kia·Σ(ILt-Iem)…(4)
Kpa：比例增益，Kia：积分增益，ILt：电抗器61的输出电流的目标值(有效值)，Iem：电抗器61的当前的输出电流的计测值(有效值)，VL：燃料电池转换器11的输入电压的计测值，VH：燃料电池转换器11的输出电压的计测值
在步骤S42中，如下述的式(2b)所示，控制部50通过将由前馈项FFC和反馈项FBC构成的基本项与追加项α/T相加来算出第二占空比DCB。用于算出第二占空比DCB的前馈项FFC可以与根据上述的式(3)算出的值相同。另一方面，如下述的式(4’)所示，反馈项FBC使用与第一占空比DCA时不同的比例增益Kpb及积分增益Kib算出。此外，比例增益Kpb及积分增益Kib也可以是0。在该情况下，第二占空比DCB变成通过至少将仅由前馈项FFC构成的基本项与追加项α/T相加来算出。追加项α/T是用于使第二占空比DCB的值根据变化量ΔI而增加的分量，使用变化量ΔI导出。追加项α/T例如通过下述的式(5)来算出。此外，将变量α除以周期T是为了将根据变化量ΔI而变化的变量α纳入用于得到占空比的数学式。
<第二占空比DCB>
DCB＝FFC+FBC+α/T…(2b)
FFC＝1-VL/VH…(3)
FBC＝Kpb·(ILt-Iem)+Kib·Σ(ILt-Iem)…(4’)
α/T＝(L·ΔI)/VHt…(5)
Kpb：比例增益，Kib：积分增益，L：电抗器61的电感，T：开关元件63的开闭周期(燃料电池转换器11的驱动周期)
在本实施方式中，追加项α/T是反映了电抗器61的电感L的值。此外，电感L优选是针对各相电路部11U、11V、11W、11X中的每个电抗器61求出的值，追加项α/T优选针对各相电路部11U、11V、11W、11X中的每个电抗器61而导出、设定。由此，能够使追加项α/T成为反映了各相电路部11U、11V、11W、11X的电抗器61的特性的值。关于导出追加项α/T的上述的式(5)的由来和追加项α/T的功能、作用，将在后面叙述。
在步骤S50中，控制部50利用在步骤S40或步骤S42中导出的占空比DC来使燃料电池转换器11执行升压动作。具体地说，控制部50生成表示占空比DC的控制信号S并向各相电路部11U、11V、11W、11X的开关元件63发送，从而设定各开关元件63的开闭驱动周期。
控制部50以规定的控制周期反复进行步骤S10～S50的处理，直到燃料电池系统100的运转停止(步骤S60)。此外，燃料电池系统100的运转停止的情况可以是从燃料电池10向其他装置的电力供给中断的情况，也可以是燃料电池10的运转停止的情况。
在本实施方式的燃料电池系统100中，在燃料电池转换器11的占空比DC的算出中使用了反馈项FBC。因此，在设定了与目标值It相应的占空比DC之后，能够在每次重复循环时使燃料电池转换器11的输出电压接近目标值VHt。尤其是，在本实施方式的燃料电池系统100中，在燃料电池转换器11的电流目标值It在一个循环的期间内以超过阈值Ith的变化量ΔI上升了的情况下，使用利用追加项α/T算出的第二占空比DCB作为占空比DC。由此，如以下说明那样，提高了燃料电池转换器11的输出电流相对于电流目标值It的跟随性。
图5是用于说明在第二占空比DCB的算出中使用的追加项α/T的算出方法的说明图。在图5中图示了以控制周期T进行控制的期间的电抗器电流IL的时间变化的一例。设想在以当前的电流的目标值Ic进行着控制的任意一个循环的期间(时刻t1～t2)设定了下一目标值Ine的情况。此外，该周期内的接通期间为TON，断开期间为TOFF。另外，下一目标值Ine相对于当前的目标值Ic的变化量ΔI是在图4的步骤S30中使用的规定的阈值Ith以上的值。
此时，假设，为了在下一周期(时刻t2～t3)中在电抗器61中得到目标值Ine的有效电流，希望在时刻t2输出比当前的周期(时刻t1～t2)的电流的最低值Ib大变化量ΔI的电流Is。若将为了在时刻t2得到电流Is而应该延长的接通的时间设为ΔT，则延长时间ΔT与变化量ΔI的关系如以下的式(6)那样表示。下述的式(6)中的VL/L是接通期间的电抗器电流IL相对于时间的变化率，(VH-VL)/L是断开期间的电抗器电流IL相对于时间的变化率。根据式(6)，延长时间ΔT作为其下方的式(7)而得出。
ΔI＝(VL/L)·(TON+ΔT)-{(VH-VL)/L}·(TOFF-ΔT)＝{(VL/L)·TON-(VH-VL)·TOFF}+(VH/L)·ΔT＝(VH/L)·ΔT…(6)
(∵(VL/L)·TON-(VH-VL)·TOFF＝0)
ΔT＝ΔI·L/VH…(7)
式(7)的延长时间ΔT相当于在上述的式(5)求出的变量α。也就是说，追加项α/T可以解释成为了在后续的控制周期内达成变化量ΔI而用于将根据变化量ΔI决定出的接通的延长时间ΔT反映于占空比的分量。另外，也可以解释成延长时间ΔT相应的分量，该延长时间ΔT是与一个循环期间的目标值的变化量ΔI对应的占空比DC的变化量。而且，在本实施方式中，可以解释成，控制部50以在一个循环中储蓄于电抗器61的电能的变化量与从电抗器61放出的电能的变化量的总和与一个循环中的目标值的变化量即变化量ΔI相当的方式，设定追加项α/T中的占空比的变化量即延长时间ΔT。
图6是示出表示燃料电池转换器11的输出电流和占空比DC下的前馈项FFC、反馈项FBC以及追加项α/T各自的变化的时间图的一例的说明图。图6的时间轴针对每个控制周期T而分区(时刻t1～t5)。在图6的时间图的最上排，用实线示出了指令值即电流的目标值It的变化，用单点划线示出了燃料电池转换器11输出的有效电流的实测值即输出电流Im。另外，作为比较例，用双点划线示出了使用从第二占空比DCB除去了追加项α/T后的占空比进行了控制的情况下的燃料电池转换器11的输出电流Ima。
在此，存在在一个循环的期间内电流的目标值It表现出变化量ΔI超过阈值Ith的急剧上升的情况。在本实施方式的燃料电池系统100中，在这样的情况下，首先，使用通过加上追加项α/T而大幅增大了接通期间的比例的第二占空比DCB。因此，能够从反馈项FBC的值开始上升之前起增大占空比DC的值，能够在更短的期间内使燃料电池转换器11的输出电流Im接近目标值It。尤其是，如在图5中说明那样，本实施方式的追加项α/T是反映了目标值It的变化量即变化量ΔI和电抗器61的电感L的值，所以能够适当地控制输出电流Im的上升量。
另外，在本实施方式的燃料电池系统100中，在反馈项FBC的值开始上升而目标值It与当前的输出电流Im之间的差变小了的情况下，取代第二占空比DCB而使用没有加上追加项α/T的第一占空比DCA。也就是说，在本实施方式的燃料电池系统100中，在变化量ΔI比规定的阈值Ith大时，作为目标输出的变化大的过渡期间，对占空比DC暂时追加追加项α/T。并且，将变化量ΔI为规定的阈值Ith以下时作为稳定期间，解除占空比DC与追加项α/T的相加。这样，在本实施方式的燃料电池系统100中，由于仅在过渡期间对基本项暂时追加追加项α/T，所以在稳定期间能够抑制由于在占空比DC的设定中使用追加项α/T而致使一个循环中的接通的时间TON无用地增加的情况。因而，能够抑制在从过渡期间转变成稳定期间时燃料电池转换器11的输出电流Im大幅超过目标值It的过冲，从而能够抑制以这样的过冲为起因而致使输出电流Im振荡。
如以上所述，根据本实施方式的燃料电池系统100，提高了燃料电池转换器11的输出电流相对于目标值的响应性、跟随性，从而提高了燃料电池转换器11的控制性。
变形例1：在上述实施方式中，燃料电池转换器11由四相桥式转换器构成，但燃料电池转换器11的相数不限于四相。燃料电池转换器11的相数也可以是一相、两相、三相，还可以是四相以上。另外，在上述实施方式中，燃料电池转换器11具备电抗器61作为储蓄电能的元件。相对于此，燃料电池转换器11也可以具备储蓄电能的其他元件来取代电抗器61。
变形例2：在上述实施方式中，在本次值It相对于上次值Ip以超过规定的阈值Ith的变化量ΔI上升了时，使用加上正的追加项α/T的第二占空比DCB。相对于此，也可以在本次值It相对于上次值Ip以超过规定的阈值的变化量ΔI减少了时，使用加上表示与变化量ΔI相应的占空比DC的减少量的负的追加项α/T而得到的第二占空比DCB。另外，在目标值It上升时和减少时，追加项的绝对值可以不同，例如，在目标值It减少时，可以使用与目标值It上升时相比小几成左右的追加项。
变形例3：在上述实施方式中，在变化量ΔI低于规定的阈值Ith的情况下，将以不使用追加项α/T的方式导出的第一占空比DCA设定为占空比DC。相对于此，也可以省略步骤S30的判定处理和使用第一占空比DCA的控制，也可以与变化量ΔI的值无关地执行使用加上追加项α/T的第二占空比DCB的控制。即使是这样的构成，在变化量ΔI变小了时，追加项α/T的值也变小，所以能够抑制由加上了追加项α/T引起的控制性的降低。不过，在该情况下，优选第二反馈项FBC的比例增益Kpb及积分增益Kib均不为0。
B4.变形例4：在上述实施方式中，追加项α/T通过使用了电抗器61的电感L、变化量ΔI以及燃料电池转换器11的输出电压的目标值VHt的式(5)来算出。相对于此，追加项α/T也可以使用其他数学式算出。例如，追加项α/T可以使用燃料电池转换器11的输出电压的计测值VH代替输出电压的目标值VHt而算出，例如，也可以通过下述的式(8)来算出。由此，能够使当前的输出电压的计测值VH反映于追加项α/T。
α/T＝(L·ΔI)/VH…(8)
变形例5：在上述实施方式中，占空比DC的前馈项FFC通过上述的式(3)来算出，反馈项FBC通过上述的式(4)来算出，追加项α/T通过上述的式(5)来算出。相对于此，占空比DC的前馈项FFC、反馈项FBC、追加项α/T也可以通过其他数学式来算出，还可以利用使用数学式的方法以外的方法导出。例如，前馈项FFC也可以通过下述的式(3’)来算出。
FFC＝1-VLt/VHt…(3’)
VLt：燃料电池转换器11的输入电压的目标值，VHt：燃料电池转换器11的输出电压的目标值
前馈项FFC也可以使用相对于电抗器61的当前的输入电压的计测值VL及输出电压的计测值VH的组合、或者电抗器61的输入电压的目标值VLt及输出电压的目标值VHt的组合确定唯一的值的映射而导出。另外，前馈项FFC也可以使用输入电流的目标值和输出电流的目标值导出，还可以使用输入电力的计测值和输出电力的计测值导出。
在上述实施方式中，反馈项FBC通过使用相当于电抗器61的输出的计测值的有效值Iem和相当于电抗器61的输出的目标值的电抗器目标电流值ILt的上述的式(4)、(4’)来算出。相对于此，反馈项FBC也可以使用相对于有效值Iem与电抗器目标电流值ILt的组合确定唯一的值的映射等而导出。另外，反馈项FBC也可以使用输出电压的计测值VH和目标值VHt作为电抗器61的输出的计测值和目标值来导出。反馈项FBC也可以使用电抗器61的输出电力的计测值和目标值导出。在第一占空比DCA的导出中使用的反馈项FBC与在第二占空比DCB的导出中使用的反馈项FBC可以如在上述实施方式中所说明那样不同，也可以相同。
追加项α/T只要使用变化量ΔI或者使用上次值Ip和本次值It导出即可。例如，也可以构成为，通过预先设定的映射等，相对于变化量ΔI、上次值Ip与本次值It组合，导出根据变化量ΔI变化的唯一的值。在占空比DC中除了前馈项FFC、反馈项FBC、追加项α/T之外，还可以在不对燃料电池转换器11的电压控制造成影响的范围内包含其他分量。
变形例6：在上述实施方式中，控制部50也可以针对燃料电池转换器11，使用以分别不同的基准设定的占空比来执行目标值It低且电抗器61的输出电流断续地成为0时的不连续模式的控制和目标值It高且电抗器61的输出电流在一个循环的期间持续地比0大的连续模式的控制。在该情况下，上述实施方式中的使用追加项的占空比DC的控制至少被应用于连续模式的控制即可。
变形例7：在上述实施方式中，说明了作为本发明的一实施方式的电压控制系统应用于燃料电池系统100并用于燃料电池10的电压的升压的结构例。相对于此，本发明的电压控制系统的结构不限于燃料电池系统100，也可以应用于产生电压的各种装置、系统。例如，也可以应用于具备燃料电池以外的发电体的发电系统。
本发明不限于上述的实施方式、实施例、变形例，能够在不脱离其主旨的范围内以各种结构来实现。例如，与记载于发明内容一栏的各方案中的技术特征对应的实施方式、实施例、变形例中的技术特征能够为了解决上述课题的一部分或全部或者为了达成上述效果的一部分或全部而适当进行替换、组合。另外，若该技术特征在本说明书中没有作为必要技术特征进行说明，则能够适当删除。

Claims (15)

1.一种电压控制系统，根据电流目标值来控制输出电压，其特征在于，具备：
转换器装置，具备储蓄电能的电抗器，通过以作为一个循环中的储蓄期间的比例而确定的占空比进行动作，来将输入电压升压，所述储蓄期间是对所述电抗器输入并储蓄所述电能的期间；和
控制部，构成为根据所述电流目标值来设定所述占空比，使所述转换器装置反复执行所述输入电压的升压动作，
所述控制部构成为，使用包括前馈项的基本项和追加项来设定所述占空比，所述前馈项是使用根据所述电流目标值设定的所述电抗器的输入的大小及所述电抗器的输出的大小的各自的目标值导出的项，所述追加项是使用所述一个循环的期间的所述电流目标值的变化量导出的为了根据所述变化量使所述占空比变化而追加的项。
2.根据权利要求1所述的电压控制系统，其特征在于，
还具备计测来自所述电抗器的输出的大小的输出计测部，
所述控制部构成为，使用对所述前馈项加上反馈项而得到的所述基本项和所述追加项来设定所述占空比，所述反馈项是使用所述电抗器的输出的大小的计测值和所述电抗器的输出的大小的目标值导出的项。
3.一种电压控制系统，根据电流目标值来控制输出电压，其特征在于，具备：
转换器装置，具备储蓄电能的电抗器，通过以作为一个循环中的储蓄期间的比例而确定的占空比进行动作，来将输入电压升压，所述储蓄期间是对所述电抗器输入并储蓄所述电能的期间；
输入计测部，计测相对于所述电抗器的输入的大小；
输出计测部，计测来自所述电抗器的输出的大小；以及
控制部，根据所述电流目标值来设定所述占空比，使所述转换器装置反复执行所述输入电压的升压动作，
所述控制部构成为，使用包括前馈项的基本项和追加项来设定所述占空比，所述前馈项是使用所述电抗器的输入的大小的计测值和所述电抗器的输出的大小的计测值导出的项，所述追加项是使用所述一个循环的期间的所述电流目标值的变化量导出的为了根据所述变化量使所述占空比变化而追加的项。
4.根据权利要求3所述的电压控制系统，其特征在于，
所述控制部构成为，使用对所述前馈项加上反馈项而得到的所述基本项和所述追加项来设定所述占空比，所述反馈项是使用所述电抗器的输出的大小的计测值和根据所述电流目标值设定的所述电抗器的输出的大小的目标值导出的项。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电压控制系统，其特征在于，
所述控制部以使在所述一个循环中储蓄于所述电抗器的所述电能的变化量与从所述电抗器放出的所述电能的变化量的总和与所述一个循环中的所述电流目标值的变化量相当的方式，来设定所述追加项。
6.根据权利要求5所述的电压控制系统，其特征在于，
所述控制部构成为，在所述变化量为规定的阈值以上的情况下，使用所述基本项和所述追加项来设定所述占空比，在所述变化量低于所述规定的阈值的情况下，以不使用所述追加项的方式设定所述占空比。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的电压控制系统，其特征在于，
所述控制部构成为，在将所述电流目标值的变化量设为ΔI，将所述电抗器的电感设为L，将所述一个循环的周期设为T，将作为所述电抗器的输出的大小的目标值的所述电抗器的输出电压的目标值设为VHt时，使用通过α/T＝(L·ΔI)/VHt得到的α/T的值作为所述追加项。
8.根据权利要求7所述的电压控制系统，其特征在于，
所述控制部构成为，在所述变化量为规定的阈值以上的情况下，使用所述基本项和所述追加项来设定所述占空比，在所述变化量低于所述规定的阈值的情况下，以不使用所述追加项的方式设定所述占空比。
9.根据权利要求1所述的电压控制系统，其特征在于，
还具备计测所述电抗器的输出电压的输出计测部，
所述控制部(50)构成为，在将所述电流目标值的变化量设为ΔI，将所述电抗器的电感设为L，将所述一个循环的周期设为T，将所述电抗器的输出电压的计测值设为VH时，使用通过α/T＝(L·ΔI)/VH得到的α/T的值作为所述追加项。
10.根据权利要求1～4、9中任一项所述的电压控制系统，其特征在于，
所述控制部构成为，在所述变化量为规定的阈值以上的情况下，使用所述基本项和所述追加项来设定所述占空比，在所述变化量低于所述规定的阈值的情况下，以不使用所述追加项的方式设定所述占空比。
11.根据权利要求2～4中任一项所述的电压控制系统，其特征在于，
所述输出计测部构成为，计测所述电抗器的输出电压作为所述电抗器的输出的大小，
所述控制部构成为，在将所述电流目标值的变化量设为ΔI，将所述电抗器的电感设为L，将所述一个循环的周期设为T，将所述电抗器的输出电压的计测值设为VH时，使用通过α/T＝(L·ΔI)/VH得到的α/T的值作为所述追加项。
12.根据权利要求11所述的电压控制系统，其特征在于，
所述控制部构成为，在所述变化量为规定的阈值以上的情况下，使用所述基本项和所述追加项来设定所述占空比，在所述变化量低于所述规定的阈值的情况下，以不使用所述追加项的方式设定所述占空比。
13.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池；和
权利要求1～12中任一项所述的电压控制系统，
所述电压控制系统构成为，将所述燃料电池输出的电压作为所述输入电压来进行升压。
14.一种电压控制系统的控制方法，该电压控制系统具备转换器装置，输出根据电流目标值将输入电压升压后的输出电压，所述转换器装置具备储蓄电能的电抗器，通过以作为一个循环中的储蓄期间的比例而确定的占空比进行动作，来将输入电压升压，所述储蓄期间是对所述电抗器输入并储蓄所述电能的期间，
其特征在于，包括如下步骤：
根据所述电流目标值来设定所述占空比，使所述转换器装置反复执行升压动作，
其中，使用包括前馈项的基本项和追加项来设定所述占空比，所述前馈项是使用根据所述电流目标值设定的所述电抗器的输入的大小及所述电抗器的输出的大小的各自的目标值导出的项，所述追加项是使用所述一个循环的期间的所述电流目标值的变化量导出的为了根据所述变化量使所述占空比变化而追加的项。
15.一种电压控制系统的控制方法，该电压控制系统具备转换器装置，输出根据电流目标值将输入电压升压后的输出电压，所述转换器装置具备储蓄电能的电抗器，通过以作为一个循环中的储蓄期间的比例而确定的占空比进行动作，来将输入电压升压，所述储蓄期间是对所述电抗器输入并储蓄所述电能的期间，
其特征在于，包括如下步骤：
根据所述电流目标值来设定所述占空比，使所述转换器装置反复执行升压动作，
其中，计测所述电抗器的输入的大小和输出的大小，使用包括前馈项的基本项和追加项来设定所述占空比，所述前馈项是使用所述电抗器的输入的大小的计测值和所述电抗器的输出的大小的计测值导出的项，所述追加项是使用所述一个循环的期间的所述电流目标值的变化量导出的为了根据所述变化量使所述占空比变化而追加的项。
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