CN113745606A - 燃料电池系统和控制燃料电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及确保调压阀的开度和旁通阀的开度的准确的反馈控制的燃料电池系统和控制燃料电池的方法。燃料电池系统(1)具备空气流入路(21)、具备空气通路(10a)的燃料电池(10)、空气流出路(23)、压缩机(22)、调压阀(24)、旁通通路(27)以及旁通阀(28)。基于FC入口压力下限值来计算第一阈值，在判别为FC入口压力指令值低于第一阈值时，并在判别为FC压损下限值大于旁通压损下限值时，不中止旁通阀的开度的反馈控制，而中止调压阀的开度的反馈控制，在判别为旁通压损下限值大于FC压损下限值时，不中止调压阀的开度的反馈控制，而中止旁通阀的开度的反馈控制。

Description

燃料电池系统和控制燃料电池的方法
技术领域
本公开涉及燃料电池系统和控制燃料电池的方法。
背景技术
公知有以下燃料电池系统，该燃料电池系统具备：燃料电池，具备空气通路；空气流入路，与空气通路的入口连结；空气流出路，与空气通路的出口连结；压缩机，配置于空气流入路内；调压阀，配置于空气流出路内；旁通通路，绕过燃料电池从压缩机下游的空气流入路上的分支点延伸至调压阀下游的空气流出路上的合流点；旁通阀，配置于旁通通路内；FC路径，从分支点依次通过空气流入路、空气通路、以及包括调压阀在内的空气流出路直到合流点；以及旁通路径，从分支点通过包括旁通阀在内的旁通通路直到合流点，分别反馈控制调压阀的开度和旁通阀的开度(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2019-145337号公报
一般来说，包括阀在内的路径的压力损失取决于路径的空气流量和阀的开度。具体而言，压力损失在一定的空气流量下随着阀的开度变大而变小，在阀的开度为最大开度时成为最小值或者下限值。换言之，不能使压力损失小于最小值或者下限值。因此，不能使路径的入口压力低于出口压力与压力损失的下限值的合计值、即压力下限值。因此，在路径的入口压力的指令值低于压力下限值时，不能够实现该指令。
在专利文献1中，压力下限值根据FC路径的压力损失的下限值和旁通路径的压力损失的下限值而确定，若分支点的压力的指令值低于压力下限值，则不能实现该指令。
详情将在后文中叙述，但若在像这样分支点的压力的指令值低于压力下限值时继续进行调压阀开度或者旁通阀开度的反馈控制，则可能不能准确地进行后续的反馈控制。
发明内容
根据本公开，提供以下结构。
[结构1]
一种燃料电池系统，其中，上述燃料电池系统具备：燃料电池，具备空气通路；空气流入路，与上述空气通路的入口连结；空气流出路，与上述空气通路的出口连结；压缩机，配置于上述空气流入路内；调压阀，配置于上述空气流出路内；旁通通路，绕过上述燃料电池从上述压缩机下游的所述空气流入路上的分支点延伸至上述调压阀下游的上述空气流出路上的合流点；旁通阀，配置于上述旁通通路内；FC路径，从上述分支点依次通过上述空气流入路、上述空气通路以及包括上述调压阀在内的上述空气流出路直到上述合流点；旁通路径，从上述分支点通过包括上述旁通阀在内的上述旁通通路直到上述合流点；以及电子控制单元，构成为至少分别执行上述调压阀的开度的反馈控制和上述旁通阀的开度的反馈控制，使得上述FC路径的空气流量亦即FC空气流量、上述旁通路径的空气流量亦即旁通空气流量、以及上述分支点处的压力亦即FC入口压力分别变为FC空气流量指令值、旁通空气流量指令值、以及FC入口压力指令值。
上述电子控制单元还构成为：基于上述FC空气流量和上述旁通空气流量分别为上述FC空气流量指令值和上述旁通空气流量指令值时的上述FC入口压力的下限值亦即FC入口压力下限值来计算第一阈值，在判别为上述FC入口压力指令值低于上述第一阈值时，在判别为上述FC空气流量为上述FC空气流量指令值时的上述FC路径的压力损失的下限值亦即FC压损下限值大于上述旁通空气流量为上述旁通空气流量指令值时的上述旁通路径的压力损失的下限值亦即旁通压损下限值时，不中止上述旁通阀的开度的上述反馈控制，而中止上述调压阀的开度的上述反馈控制，在判别为上述旁通压损下限值大于上述FC压损下限值时，不中止上述调压阀的开度的上述反馈控制，而中止上述旁通阀的开度的上述反馈控制。
[结构2]
根据结构1所述的燃料电池系统，其中，基于上述FC压损下限值与上述旁通压损下限值中的较大的一方、与上述FC空气流量和上述旁通空气流量分别为上述FC空气流量指令值和上述旁通空气流量指令值时的从上述合流点到上述出口的上述空气流出路的压力损失、以及预先确定好的余量值的合计值来计算上述第一阈值。
[结构3]
根据结构1或者2所述的燃料电池系统，其中，上述调压阀的开度的上述反馈控制包括：调压阀空气流量反馈控制，反馈控制上述调压阀的开度，使得上述调压阀的空气流量亦即调压阀空气流量变为调压阀空气流量指令值；和调压阀压力比反馈控制，反馈控制上述调压阀的开度，使得上述调压阀的入口压力与出口压力之比亦即调压阀压力比变为调压阀压力比指令值，上述旁通阀的开度的上述反馈控制包括：旁通阀空气流量反馈控制，反馈控制上述旁通阀的开度，使得上述旁通阀的空气流量亦即旁通阀空气流量变为旁通阀空气流量指令值；和旁通阀压力比反馈控制，反馈控制上述旁通阀的开度，使得上述旁通阀的入口压力与出口压力之比亦即旁通阀压力比变为旁通阀压力比指令值，至少基于上述FC空气流量指令值和上述旁通空气流量指令值来分别计算上述调压阀空气流量指令值、上述调压阀压力比、上述旁通阀空气流量指令值、以及上述旁通阀压力比。
上述电子控制单元还构成为：在判别为上述FC入口压力指令值低于上述第一阈值时，在判别为上述FC压损下限值大于上述旁通压损下限值时，中止上述旁通阀压力比反馈控制，并且执行上述旁通阀空气流量反馈控制，在判别为上述旁通压损下限值大于上述FC压损下限值时，中止上述调压阀压力比反馈控制，并且执行上述调压阀空气流量反馈控制。
[结构4]
根据结构1～3中任一项所述的燃料电池系统，其中，上述电子控制单元还构成为：基于上述FC入口压力下限值来计算第二阈值，在判别为上述FC入口压力指令值低于上述第二阈值时，在判别为上述FC压损下限值大于上述旁通压损下限值时，将上述调压阀的开度固定于其最大开度，在判别为上述旁通压损下限值大于上述FC压损下限值时，将上述旁通阀的开度固定于其最大开度。
[结构5]
一种控制燃料电池系统的方法，其中，上述燃料电池系统具备：燃料电池，具备空气通路；空气流入路，与上述空气通路的FC入口连结；空气流出路，与上述空气通路的出口连结；压缩机，配置于上述空气流入路内；调压阀，配置于上述空气流出路内；旁通通路，绕过上述燃料电池从上述压缩机下游的上述空气流入路上的分支点延伸至上述调压阀下游的上述空气流出路上的合流点；旁通阀，配置于上述旁通通路内；FC路径，从上述分支点依次通过上述空气流入路、上述空气通路、以及包括上述调压阀在内的上述空气流出路直到上述合流点；以及旁通路径，从上述分支点通过包括上述旁通阀在内的上述旁通通路直到上述合流点，上述方法包括：至少分别执行上述调压阀的开度的反馈控制和上述旁通阀的开度的反馈控制，使得上述FC路径的空气流量亦即FC空气流量、上述旁通路径的空气流量亦即旁通空气流量、以及上述分支点处的压力亦即FC入口压力分别变为FC空气流量指令值、旁通空气流量指令值、以及FC入口压力指令值，上述方法还包括：基于上述FC空气流量和上述旁通空气流量分别为上述FC空气流量指令值和上述旁通空气流量指令值时的上述FC入口压力的下限值亦即FC入口压力下限值来计算第一阈值；和在判别为上述FC入口压力指令值低于上述第一阈值时，在判别为上述FC空气流量为上述FC空气流量指令值时的上述FC路径的压力损失的下限值亦即FC压损下限值大于上述旁通空气流量为上述旁通空气流量指令值时的上述旁通路径的压力损失的下限值亦即旁通压损下限值时，不中止上述旁通阀的开度的上述反馈控制，而中止上述调压阀的开度的上述反馈控制，在判别为上述旁通压损下限值大于上述FC压损下限值时，不中止上述调压阀的开度的上述反馈控制，而中止上述旁通阀的开度的上述反馈控制。
能够确保调压阀的开度和旁通阀的开度的准确的反馈控制。
附图说明
图1是基于本公开的实施例的燃料电池系统的简要整体图。
图2是用于对压力下限值进行说明的简图。
图3是表示失速线的一个例子的曲线图。
图4是用于对基于本公开的实施例进行说明的简图。
图5是用于对基于本公开的实施例进行说明的曲线图。
图6是表示基于本公开的实施例的空气供给控制例行程序的流程图。
图7是表示基于本公开的实施例的FB控制偏差的计算例行程序的流程图。
图8是表示基于本公开的实施例的开度指令值的固定例行程序的流程图。
附图标记说明
1…燃料电池系统；10…燃料电池；10a…空气通路；21…空气流入路；22…压缩机；23…空气流出路；24…调压阀；25…分支点；26…合流点；27…旁通通路；28…旁通阀；30…电子控制单元。
具体实施方式
参照图1，在基于本公开的实施例中，燃料电池系统1具备燃料电池10。燃料电池10将多个单电池相互层叠而形成。燃料电池10具备空气通路10a、氢通路(未图示)、以及冷却水通路(未图示)。在一个例子中，将燃料电池系统1搭载于车辆。
在基于本公开的实施例中，空气通路10a在燃料电池10内从入口10ai延伸至出口10ao。在入口10ai连接空气流入路21。空气流入路21的入口向大气敞开。在空气流入路21配置压缩机22。另一方面，在出口10ao连接空气流出路23。空气流出路23的出口23o向大气敞开。在空气流出路23配置电磁式的调压阀24。通过绕过燃料电池10的旁通通路27将压缩机22下游的空气流入路21上的分支点25、与调压阀24下游的空气流出路23上的合流点26相互连接。在旁通通路27配置电磁式的旁通阀28。
在空气通路10a内配置阴极(未图示)。另外，在氢通路内配置阳极(未图示)。并且，在阳极与阴极之间配置膜状的电解质(未图示)。
在应运转燃料电池系统1时，将调压阀24开阀，并且使压缩机22工作，向空气通路10a供给空气或者氧。另外，向氢通路供给氢。其结果是，在燃料电池10中发生电化学反应(H2→2H++2e－，(1/2)O2+2H++2e－→H2O)，从而产生电力。将该电力从燃料电池10向电动发电机(未图示)、电池(未图示)等输送。
此外，在基于本公开的实施例中，将从分支点25依次通过空气流入路21、空气通路10a、包括调压阀24在内的空气流出路23直到合流点26的路径称为FC路径Rfc，并将从分支点25通过包括旁通阀28在内的旁通通路27直到合流点26的路径称为旁通路径Rbp。若将旁通阀28开阀，则空气在FC路径Rfc与旁通路径Rbp双方中流通。在该情况下，FC路径Rfc的空气流量与旁通路径Rbp的空气流量的合计值、与来自压缩机22的空气流量相等。
基于本公开的实施例的燃料电池系统1具备电子控制单元30。电子控制单元30例如包括通过双向总线相互可通信地连接的输入输出(I/O)端口31、1个或者多个处理器32、以及1个或者多个存储器33。处理器32包括微处理器(CPU)等。存储器33例如包括ROM(只读存储器)、RAM(随机存储器)等。在存储器33存储有各种程序，通过由处理器32执行这些程序来执行各种例行程序。
在输入输出端口31可通信地连接1个或者多个传感器34。传感器34例如包括用于检测在空气流入路21内流通的空气的流量的空气流量计34a、用于检测压缩机22与分支点25之间的空气流入路21的压力的压力传感器34b、用于检测大气压的大气压传感器34c。另一方面，输入输出端口31与燃料电池10、压缩机22、调压阀24、旁通阀28等可通信地连接。基于来自电子控制单元30的信号来控制这些燃料电池10等。
若简要地进行说明，则在基于本公开的实施例中，分别控制致动器、即压缩机22、调压阀24、以及旁通阀28的操作量、即压缩机转速(压缩机22的转速)Nacp、调压阀开度(调压阀24的开度)θARV、以及旁通阀开度(旁通阀28的开度)θabv，并对控制量、即压缩机空气流量(来自压缩机22的空气的流量)Qacp、FC空气流量(在FC路径Rfc中流通的空气的流量)Qfc、以及FC入口压力(分支点25或者空气通路10a的入口10ai处的压力)Pfc进行前馈控制和反馈控制。
此外，在基于本公开的实施例中，在计算的一部分中使用调压阀有效截面面积(调压阀24的有效截面面积)Ae_arv，并将其转换为调压阀开度θARV。另外，在计算的一部分中使用旁通阀有效截面面积(旁通阀28的有效截面面积)Ae_abv，并将其转换为旁通阀开度θabv。
在基于本公开的实施例中，首先，分别计算控制量的指令值、即压缩机空气流量指令值Qacp_ref、FC空气流量指令值Qfc_ref、以及FC入口压力指令值P_ref。例如，基于燃料电池系统1的要求输出计算控制量的指令值。
接着，将控制量的指令值转换为致动器的状态量的指令值。
在基于本公开的实施例中，例如用压缩机空气流量Qacp、和压缩机压力比Pracp表示压缩机22的状态量。压缩机空气流量Qacp表示通过压缩机22的空气的流量。另一方面，压缩机压力比Pracp表示压缩机22的入口压力(Pi)和出口压力(Po)之比(＝Po/Pi)。
例如用FC空气流量Qfc、和调压阀压力比Prarv表示调压阀24的状态量。FC空气流量Qfc表示通过调压阀24的空气的流量。另一方面，调压阀压力比Prarv表示调压阀24的入口压力和出口压力之比。
例如用旁通空气流量Qbp、和旁通阀压力比Prabv表示旁通阀28的状态量。旁通空气流量Qbp表示通过旁通阀28的空气的流量，也表示为压缩机空气流量Qacp与FC空气流量Qfc之差(Qacp-Qfc)。另一方面，旁通阀压力比Prabv表示旁通阀28的入口压力与出口压力之比。
在基于本公开的实施例中，使用坐标转换模型f，如以下那样计算致动器的状态量的指令值。此外，将坐标转换模型f以函数或者映射的形式预先存储于存储器33内。
(Qacp_ref，Pracp_ref，Qfc_ref，Prarv_ref，Qbp_ref，Prabv_ref)
＝f(Qacp_ref，Qfc_ref，Pfc_ref)
接着，对于致动器的操作量，分别计算指令值与当前值的反馈(FB)偏差。
在基于本公开的实施例中，例如使用压缩机空气流量的指令值Qacp_ref与当前值Qacp_mes的偏差(dQacp)、和压缩机压力比的指令值Pracp_ref与当前值Pracp_mes的偏差(dPracp)，如以下那样计算压缩机转速的FB控制偏差ΔNacp。
Figure BDA0003080128680000071
dQacp＝Qacp_ref-Qacp_mes
dPracp＝Pracp_ref-Pracp_mes
例如使用调压阀空气流量的指令值Qfc_ref与当前值Qfc_mes的偏差(dQfc)、和调压阀压力比的指令值Prarv_ref与当前值Prarv_mes的偏差(dPrarv)，如以下那样计算调压阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_arv。
Figure BDA0003080128680000072
dQfc＝Qfc_ref-Qfc_mes
dPrarv＝rarv_ref-Prarv_mes
例如使用旁通阀空气流量的指令值Qbp_ref与当前值Qbp_mes的偏差(dQbp)、和旁通阀压力比的指令值Prabv_ref与当前值Prabv_mes的偏差(dPrabv)，如以下那样计算旁通阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_abv。
Figure BDA0003080128680000073
dQbp＝Qbp_ref-Qbp_mes
dPrabv＝Prabv_ref-Prabv_mes
此外，当前值Qacp_mes、Pracp_mes、Qfc_mes、Prarv_mes、Qbp_mes、Prabv_mes例如使用模型来推断，或者通过传感器(未图示)来检测。
接着，分别计算致动器的操作量的FB控制指令值。
例如使用上述的FB控制偏差ΔNacp和比例增益kp以及积分增益ki，如以下那样计算压缩机转速FB控制指令值NACP_FB。
Nacp_FB＝kp·ΔNacp+ki·∫(Nacp)dt
例如使用上述的FB控制偏差ΔAe_arv和比例增益kp以及积分增益ki，如以下那样计算调压阀有效截面面积的FB控制指令值Ae_arv_FB。
Ae_arv_FB＝kp·ΔAe_arv+ki·∫(ΔAe_arv)dt
例如使用上述的FB控制偏差ΔAe_abv和比例增益kp以及积分增益ki，如以下那样计算旁通阀有效截面面积的FB控制指令值Ae_abv_FB。
Ae_abv_FB＝kp·ΔAe_abv+ki·∫(ΔAe_abv)dt
接着，分别计算致动器的操作量指令值。
例如使用上述的FB控制指令值Nacp_FB和前馈(FF)控制指令值Nacp_FF，如以下那样计算压缩机转速指令值Nacp_ref。
Nacp_ref＝Nacp_FF+Nacp_FB
例如使用上述的FB控制指令值Ae_arv_FB和前馈(FF)控制指令值Ae_arv_FF，如以下那样计算调压阀有效截面面积指令值Ae_arv_ref。
Ae_arv_ref＝Ae_arv_FF+Ae_arv_FB
例如，使用坐标转换模型farv，将调压阀有效截面面积指令值Ae_arv_ref如以下那样转换为调压阀开度指令值θarv_ref。坐标转换模型farv以函数或者映射的形式预先存储于存储器33内。
θarv_ref＝farv(Ae_arv_ref)
例如，使用上述的FB控制指令值Ae_abv_FB和前馈(FF)控制指令值Ae_abv_FF，如以下那样计算旁通阀有效截面面积指令值Ae_abv_ref。
Ae_abv_ref＝Ae_abv_FF+Ae_abv_FB
例如，使用坐标转换模型fabv，将旁通阀有效截面面积指令值Ae_abv_ref如以下那样转换为旁通阀开度指令值θabv_ref。坐标转换模型fabv以函数或者映射的形式预先存储于存储器33内。
θabv_ref＝fabv(Ae_abv_ref)
此外，省略FF控制指令值Nacp_FF、Ae_arv_FF、Ae_abv_FF的说明。
接着，以压缩机转速Nacp变为指令值Nacp_ref的方式控制压缩机22。另外，以调压阀开度θarv变为指令值θarv_ref的方式控制调压阀24。并且，以旁通阀开度θabv变为指令值θabv_ref的方式控制旁通阀28。
在基于这样本公开的实施例中，至少分别执行调压阀开度的反馈控制和旁通阀开度的反馈控制，使得FC空气流量、旁通空气流量以及FC入口压力分别变为FC空气流量指令值、旁通空气流量指令值以及FC入口压力指令值。另外，调压阀开度的反馈控制包括：调压阀空气流量反馈控制，以调压阀空气流量变为调压阀空气流量指令值的方式反馈控制调压阀开度；和调压阀压力比反馈控制，以调压阀压力比变为调压阀压力比指令值的方式反馈控制调压阀开度。旁通阀的开度的反馈控制包括：旁通阀空气流量反馈控制，以旁通阀空气流量变为旁通阀空气流量指令值的方式反馈控制旁通阀开度；和旁通阀压力比反馈控制，以旁通阀压力比变为旁通阀压力比指令值的方式反馈控制旁通阀开度。
接下来，对压力下限值进行说明。考虑图2所示的那样的空气在包括阀V在内的路径R中流通的情况。在该情况下，路径R的压力损失ΔP取决于路径R的空气流量和阀V的开度。具体而言，压力损失ΔP在一定的空气流量下随着阀V的开度变大而变小，在阀V的开度为最大开度时变为最小值或者下限值ΔPmin。换言之，不能使压力损失ΔP小于最小值或者下限值ΔPmin。因此，若将路径R的入口Ri的压力设为Pi并将路径R的出口Ro的压力设为Po，则不能使入口压力Pi低于Po+ΔPmin。这样，入口压力Pi存在根据空气流量确定的最小值或者下限值。在基于本公开的实施例中，将该最小值或者下限值称为压力下限值。另外，将压力损失的最小值或者下限值称为压损下限值。
将多个空气流量中的压力下限值分别连结而得的线也被称为失速线。在图3中示出失速线的一个例子。如图3所示，压力下限值随着空气流量变多而变大。
在图3中用P_min示出空气流量为Q时的压力下限值。即，在空气流量为Q时，不能使入口压力Pi低于压力下限值P_min。换言之，若由空气流量和入口压力确定的动作点X属于比失速线靠下侧的区域Z，则不能实现该动作点X。
接下来，边参照图4边对基于本公开的实施例的FC入口压力Pfc的压力下限值、即FC入口压力下限值Pfc_min进行说明。在基于本公开的实施例中，如上述那样，设置有FC路径Rfc和旁通路径Rbp。
首先，例如使用表示FC路径Rfc的空气流量与压力损失的关系的模型ffc，如以下那样计算FC空气流量Qfc为FC空气流量指令值Qfc_ref时的FC路径Rfc的压损下限值ΔPfc_min。模型ffc以函数或者映射的形式预先存储于存储器33内。
ΔPfc_min＝ffc(Qfc_ref)
另外，例如使用表示旁通路径Rbp的空气流量与压力损失的关系的模型fbp，如以下那样计算旁通空气流量Qbp为旁通空气流量指令值Qbp_ref时的旁通路径Rbp的压损下限值ΔPbp_min。模型fbp以函数或者映射的形式预先存储于存储器33内。
ΔPbp_min＝fbp(Qbp_ref)
在FC空气流量Qfc为FC空气流量指令值Qfc_ref并且旁通空气流量Qbp为旁通空气流量指令值Qbp_ref时，从合流点26到出口23o的空气流出路部分23ex的空气流量为(Qfc_ref+Qbp_ref)。因此，例如使用FC空气流量指令值Qfc_ref及旁通空气流量指令值Qbp_ref、和表示空气流出路部分23ex的空气流量与压力损失的关系的模型fex，如以下那样计算空气流出路部分23ex的压力损失ΔPex。模型fex以函数或者映射的形式预先存储于存储器33内。
ΔPex＝fex(Qfc_ref+Qbp_ref)
接着，如以下那样计算合流点26与空气流出路23的出口23o之间的压损下限值ΔP_min。
ΔP_min＝MAX(ΔPfc_min，ΔPbp_min)+ΔPex
此外，MAX(x，y)表示输出x与y中的较大的一方的函数。
因此，使用大气压Pamb，如以下那样表示FC入口压力下限值Pfc_min。
Pfc_min＝ΔP_min+Pamb
这样，在基于本公开的实施例中，若FC入口压力指令值Pfc_ref小于FC入口压力下限值Pfc_min，则不能实现由指令值确定的动作点。
在FC压损下限值ΔPfc_min大于旁通压损下限值ΔPbp_min时，如上述那样，FC入口压力下限值Pfc_min基于FC压损下限值ΔPfc_min而确定。因此，FC入口压力指令值Pfc_ref小于FC入口压力下限值Pfc_min是指不能实现FC路径Rfc中的动作点、即由FC空气流量指令值Qfc_ref和FC入口压力指令值Pfc_ref确定的动作点。
在图5中示出FC路径压损下限值ΔPfc_min大于旁通路径压损下限值ΔPbp_min的情况下的FC压力下限值Pfc_min等。此外，在图5中，Pst_fc表示FC路径Rfc的失速线，Pst_bp表示旁通路径Rbp的失速线。
在图5所示的例子中，FC路径压损下限值ΔPfc_min大于旁通路径压损下限值ΔPbp_min。因此，该例子中的FC入口压力下限值Pfc_min由ΔPfc_min+Pamb表示。另外，在图5所示的例子中，FC入口压力指令值Pfc_ref小于FC空气流量为指令值Qfc_ref时的FC入口压力下限值Pfc_min。因此，不能实现由FC空气流量指令值Qfc_ref和FC入口压力指令值Pfc_ref确定的FC路径Rfc中的动作点Xfc。此外，在图5中，Xbp表示由旁通空气流量指令值Qbp_ref和FC入口压力指令值Pfc_ref确定的旁通路径Rbp中的动作点Xbp。
在不能实现FC路径Rfc中的动作点时，若继续进行设置于FC路径Rfc的调压阀24的开度θarv的反馈控制，则例如可能在调压阀空气流量的当前值Qfc_mes偏离指令值Qfc_ref的状态下累计FB控制偏差ΔAe_arv(FB控制指令值Ae_arv_FB的积分项(ki·∫(ΔAe_arv)dt))。此时获得的积分项没有准确地表示稳态偏差，从而可能不能准确地进行后续的调压阀开度θarv的反馈控制。
因此，在基于本公开的实施例中，在FC入口压力指令值Pfc_ref小于FC入口压力下限值Pfc_min时，并在FC压损下限值ΔPfc_min大于旁通压损下限值ΔPbp_min时，中止调压阀开度θarv的反馈控制。在一个例子中，将调压阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_arv设为零。其结果是，确保后续的调压阀开度θarv的准确的反馈控制。
在该情况下，继续进行旁通阀开度θabv的反馈控制。其结果是，不仅继续控制旁通空气流量Qbp，也继续控制FC空气流量Qfc。但是，在基于本公开的实施例中，中止旁通阀压力比反馈控制，并且继续进行旁通阀流量反馈控制。在一个例子中，在旁通阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_abv的计算中，将旁通阀压力比偏差的偏微分项
Figure BDA0003080128680000121
(dPrabv)设为零。其结果是，更准确地控制旁通阀流量Qbp和FC空气流量Qfc。
另一方面，在旁通压损下限值ΔPbp_min大于FC压损下限值ΔPfc_min时FC入口压力指令值Pfc_ref小于FC入口压力下限值Pfc_min是指，不能实现旁通路径Rbp中的动作点、即由旁通空气流量指令值Qbp_ref和FC入口压力指令值Pfc_ref确定的动作点。
在基于本公开的实施例中，在FC入口压力指令值Pfc_ref小于FC入口压力下限值Pfc_min时，并在旁通压损下限值ΔPbp_min大于FC压损下限值ΔPfc_min时，中止设置于旁通路径Rbp的旁通阀28的开度θabv的反馈控制。在一个例子中，将旁通阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_abv设为零。其结果是，确保后续的旁通阀开度θabv的准确的反馈控制。
在该情况下，继续进行调压阀开度θarv的反馈控制。在基于本公开的实施例中，中止调压阀压力比反馈控制，并且继续进行调压阀流量控制。在一个例子中，在调压阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_arv的计算中，将压缩阀压力比偏差的偏微分项
Figure BDA0003080128680000122
(dPrarv)设为零。其结果是，更准确地控制旁通阀流量Qbp和FC空气流量Qfc。
然而，在实际的控制中，若考虑燃料电池系统1的部件的尺寸等的偏差、传感器的检测误差等，则可能不能准确地判别FC入口压力指令值Pfc_ref是否小于FC入口压力下限值Pfc_min。因此，在基于本公开的实施例中，通过在上述的FC入口压力下限值Pfc_min上加上第一余量值α(＞0)来计算第一阈值Pth1，在判别为FC入口压力指令值Pfc_ref小于第一阈值Pth1时，中止调压阀开度的反馈控制或者旁通阀开度的反馈控制。其结果是，适当地执行或者中止调压阀开度的反馈控制和旁通阀开度的反馈控制。此外，第一余量值α例如是4kPa左右。在其它的实施例(未图示)中，不加上第一余量值α来计算第一阈值Pth1。
此外，在基于本公开的实施例中，在判别为FC入口压力指令值Pfc_ref为第一阈值Pth1以上时，执行调压阀开度的反馈控制和旁通阀开度的反馈控制。
然而，在调压阀开度θarv处于调压阀最大开度θarv_max的附近时，调压阀24的状态量(FC空气流量Qfc和调压阀压力比Prarv)的变化相对于调压阀开度θarv的变化较小。因此，为了稍微变更调压阀24的状态量，调压阀开度θarv可能大幅度地变动。这种情况也适用于旁通阀28。
另一方面，从上述的说明可知，在判别为FC入口压力指令值Pfc_ref在FC入口压力下限值Pfc_min附近或者比它小时，并在判别为FC压损下限值ΔPfc_min大于旁通压损下限值ΔPbp_min时，调压阀开度θarv处于其最大开度θarv_max附近。因此，在基于本公开的实施例中，此时，将调压阀开度指令值θarv_ref固定于最大开度θarv_max。其结果是，限制调压阀开度θarv的大幅度的变动。因此，提高调压阀24的耐久性。另一方面，继续进行旁通阀开度指令值θabv_ref的控制。
相反，在判别为FC入口压力指令值Pfc_ref在FC入口压力下限值Pfc_min附近或者比它小时，并在判别为旁通压损下限值ΔPbp_min大于FC压损下限值ΔPfc_min时，继续进行调压阀开度指令值θarv_ref的控制，并且将旁通阀开度指令值θabv_ref固定于其最大开度θabv_max。其结果是，限制旁通阀开度θabv的大幅度的变动，提高旁通阀28的耐久性。
在该情况下，可能不能准确地判别FC入口压力指令值Pfc_ref是否在FC入口压力下限值Pfc_min附近或者比它小。因此，在基于本公开的实施例中，通过在FC入口压力下限值Pfc_min上加上第二余量值β(＞0)来计算第二阈值Pth2，在判别为FC入口压力指令值Pfc_ref小于第二阈值Pth2时，将调压阀开度指令值θavb_ref或者旁通阀开度指令值θbp_ref固定于最大开度。其结果是，适当地执行或者中止调压阀开度或者旁通阀开度的固定。此外，第二余量值β小于上述的第一余量值α，例如，为0.1kPa左右。在其它的实施例(未图示)中，不加上第二余量值β来计算第二阈值Pth2。
图6表示基于本公开的实施例的空气供给控制例行程序。反复执行图6的例行程序。参照图6，在步骤100中，计算控制量指令值。在接下来的步骤101中，计算状态量指令值。在接下来的步骤102中，执行FB控制偏差的计算例行程序。该例行程序如图7所示。
参照图7，在步骤200中，计算FC路径Rfc的压损下限值ΔPfc_min。在接下来的步骤201中，计算旁通路径Rbp的压损下限值ΔPbp_min。在接下来的步骤202中，计算空气排出路部分23ex的压力损失ΔPex。在接下来的步骤203中，计算压损下限值ΔP_min。在接下来的步骤204中，计算FC入口压力下限值Pfc_min。在接下来的步骤205中，计算第一阈值Pth1。
在接下来的步骤206中，判别FC入口压力指令值Pfc_ref是否小于第一阈值Pth1。在Pfc_ref≥Pth1时，接着进入至步骤207，使用调压阀空气流量偏差dQfc和调压阀压力比偏差dPrarv来计算调压阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_arv。另外，使用旁通阀空气流量偏差dQbp和旁通阀压力比偏差dPrabv来计算旁通阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_abv。接着进入至步骤211。
在Pfc_ref＜Pth1时，从步骤206进入至步骤208，判别FC压损下限值ΔPfc_min是否为旁通压损下限值ΔPbp_min以上。在ΔPfc_min≥ΔPbp_min时接着进入至步骤209，将调压阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_arv设为零。另外，不使用旁通阀压力比偏差dPrabv而使用旁通阀空气流量偏差dQbp来计算旁通阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_abv。接着进入至步骤211。
在ΔPfc_min＜ΔPbp_min时，从步骤208进入至步骤210，不使用调压阀压力比偏差dPrarv而使用调压阀空气流量偏差dQfc来计算调压阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_arv。另外，将旁通阀有效截面面积的FB控制偏差ΔAe_abv设为零。接着进入至步骤211。
在步骤211中计算压缩机转速的FB控制偏差ΔNacp。接着，进入至图6的例行程序的步骤103。
再次参照图6，在步骤103中，计算FB控制指令值。在接下来的步骤104中，计算操作量指令值。在接下来的步骤105中，执行开度指令值的固定例行程序。该例行程序如图8所示。
参照图8，在步骤300中，计算第二阈值Pth2。在接下来的步骤301中，判别FC入口压力指令值Pfc_ref是否小于第二阈值Pth2。在Pfc_ref＜Pth2时，接着进入至步骤302，并判别FC压损下限值ΔPfc_min是否为旁通压损下限值ΔPbp_min以上。在ΔPfc_min≥ΔPbp_min时，接着进入至步骤303，不固定旁通阀开度指令值θabv_ref，而将调压阀开度指令值θarv_ref固定于调压阀最大开度θarv_max。接着，进入至图6的步骤106。与此相对地，在ΔPfc_min＜ΔPbp_min时，从步骤302进入至步骤304，不固定调压阀开度指令值θarv_ref，而将旁通阀开度指令值θabv_ref固定于旁通阀最大开度θabv_max。接着，进入至图6的步骤106。在Pfc_ref≥Pth2时，从步骤301进入至图6的步骤106。
再次参照图6，在步骤106中，使用操作量来操作致动器。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，其中，
所述燃料电池系统具备：
燃料电池，具备空气通路；
空气流入路，与所述空气通路的入口连结；
空气流出路，与所述空气通路的出口连结；
压缩机，配置于所述空气流入路内；
调压阀，配置于所述空气流出路内；
旁通通路，绕过所述燃料电池从所述压缩机下游的所述空气流入路上的分支点延伸至所述调压阀下游的所述空气流出路上的合流点；
旁通阀，配置于所述旁通通路内；
FC路径，从所述分支点依次通过所述空气流入路、所述空气通路、以及包括所述调压阀在内的所述空气流出路直到所述合流点；
旁通路径，从所述分支点通过包括所述旁通阀在内的所述旁通通路直到所述合流点；以及
电子控制单元，构成为至少分别执行所述调压阀的开度的反馈控制和所述旁通阀的开度的反馈控制，使得所述FC路径的空气流量亦即FC空气流量、所述旁通路径的空气流量亦即旁通空气流量、以及所述分支点处的压力亦即FC入口压力分别变为FC空气流量指令值、旁通空气流量指令值以及FC入口压力指令值，
所述电子控制单元还构成为：
基于所述FC空气流量和所述旁通空气流量分别为所述FC空气流量指令值和所述旁通空气流量指令值时的所述FC入口压力的下限值亦即FC入口压力下限值来计算第一阈值，
在判别为所述FC入口压力指令值低于所述第一阈值时，
在判别为所述FC空气流量为所述FC空气流量指令值时的所述FC路径的压力损失的下限值亦即FC压损下限值大于所述旁通空气流量为所述旁通空气流量指令值时的所述旁通路径的压力损失的下限值亦即旁通压损下限值时，不中止所述旁通阀的开度的所述反馈控制，而中止所述调压阀的开度的所述反馈控制，
在判别为所述旁通压损下限值大于所述FC压损下限值时，不中止所述调压阀的开度的所述反馈控制，而中止所述旁通阀的开度的所述反馈控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
基于所述FC压损下限值与所述旁通压损下限值中的较大的一方、所述FC空气流量和所述旁通空气流量分别为所述FC空气流量指令值和所述旁通空气流量指令值时的从所述合流点到所述出口的所述空气流出路的压力损失、以及预先确定好的余量值的合计值来计算所述第一阈值。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述调压阀的开度的所述反馈控制包括：
调压阀空气流量反馈控制，反馈控制所述调压阀的开度，使得所述调压阀的空气流量亦即调压阀空气流量变为调压阀空气流量指令值；和
调压阀压力比反馈控制，反馈控制所述调压阀的开度，使得所述调压阀的入口压力与出口压力之比亦即调压阀压力比变为调压阀压力比指令值，
所述旁通阀的开度的所述反馈控制包括：
旁通阀空气流量反馈控制，反馈控制所述旁通阀的开度，使得所述旁通阀的空气流量亦即旁通阀空气流量变为旁通阀空气流量指令值；和
旁通阀压力比反馈控制，反馈控制所述旁通阀的开度，使得所述旁通阀的入口压力与出口压力之比亦即旁通阀压力比变为旁通阀压力比指令值，
至少基于所述FC空气流量指令值和所述旁通空气流量指令值来分别计算所述调压阀空气流量指令值、所述调压阀压力比、所述旁通阀空气流量指令值以及所述旁通阀压力比，
所述电子控制单元还构成为：
在判别为所述FC入口压力指令值低于所述第一阈值时，
在判别为所述FC压损下限值大于所述旁通压损下限值时，中止所述旁通阀压力比反馈控制，并且执行所述旁通阀空气流量反馈控制，
在判别为所述旁通压损下限值大于所述FC压损下限值时，中止所述调压阀压力比反馈控制，并且执行所述调压阀空气流量反馈控制。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述电子控制单元还构成为：
基于所述FC入口压力下限值来计算第二阈值，
在判别为所述FC入口压力指令值低于所述第二阈值时，
在判别为所述FC压损下限值大于所述旁通压损下限值时，将所述调压阀的开度固定于其最大开度，
在判别为所述旁通压损下限值大于所述FC压损下限值时，将所述旁通阀的开度固定于其最大开度。
5.一种控制燃料电池系统的方法，其中，
所述燃料电池系统具备：
燃料电池，具备空气通路；
空气流入路，与所述空气通路的FC入口连结；
空气流出路，与所述空气通路的出口连结；
压缩机，配置于所述空气流入路内；
调压阀，配置于所述空气流出路内；
旁通通路，绕过所述燃料电池从所述压缩机下游的所述空气流入路上的分支点延伸至所述调压阀下游的所述空气流出路上的合流点；
旁通阀，配置于所述旁通通路内；
FC路径，从所述分支点依次通过所述空气流入路、所述空气通路、以及包括所述调压阀在内的所述空气流出路直到所述合流点；以及
旁通路径，从所述分支点通过包括所述旁通阀在内的所述旁通通路直到所述合流点，
所述方法包括：
至少分别执行所述调压阀的开度的反馈控制和所述旁通阀的开度的反馈控制，使得所述FC路径的空气流量亦即FC空气流量、所述旁通路径的空气流量亦即旁通空气流量、以及所述分支点处的压力亦即FC入口压力分别变为FC空气流量指令值、旁通空气流量指令值、以及FC入口压力指令值，
所述方法还包括：
基于所述FC空气流量和所述旁通空气流量分别为所述FC空气流量指令值和所述旁通空气流量指令值时的所述FC入口压力的下限值亦即FC入口压力下限值来计算第一阈值；和
在判别为所述FC入口压力指令值低于所述第一阈值时，
在判别为所述FC空气流量为所述FC空气流量指令值时的所述FC路径的压力损失的下限值亦即FC压损下限值大于所述旁通空气流量为所述旁通空气流量指令值时的所述旁通路径的压力损失的下限值亦即旁通压损下限值时，不中止所述旁通阀的开度的所述反馈控制，而中止所述调压阀的开度的所述反馈控制，
在判别为所述旁通压损下限值大于所述FC压损下限值时，不中止所述调压阀的开度的所述反馈控制，而中止所述旁通阀的开度的所述反馈控制。
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