CN115084590A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够适当地测量燃料电池的交流阻抗的燃料电池系统。该燃料电池系统的特征在于，控制部进行n相的开关的通断控制，使n相的上述开关分别以不同的相位动作，并且使n相的上述开关分别以相同的占空比动作，在判定为满足特定的条件时，使n相的上述开关分别以相同的相位动作，并根据燃料电池的电流波形和电压波形来测定上述燃料电池的交流阻抗。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及燃料电池系统。
背景技术
对车载于燃料电池车辆(FCEV：Fuel Cell Electric Vehicle)等车辆来使用的系统所具备的转换器进行了各种研究。在用于各种电子设备等的DC/DC转换器中经常使用由电抗器、开关、二极管以及电容器等构成的电路。DC/DC转换器根据开关的接通/断开信号来控制向电抗器流动的电流的增加、减少。
例如在专利文献1中公开有高精度地测量燃料电池组的交流阻抗的燃料电池系统。
另外，在专利文献2中公开有能够不受辅机的负荷变动的影响地以较高的精度测定燃料电池的阻抗的搭载于车辆的燃料电池系统。
另外，在专利文献3中公开有以简便的装置和结构在短时间内计算精度较高的阻抗的阻抗测量方法。
另外，在专利文献4中公开有，使用设置有死区时间的双向升降压转换器来高精度地向燃料电池外加用于测定燃料电池的阻抗的交流的燃料电池系统。
专利文献1：日本特开2008-098134号公报
专利文献2：日本特开2014-232681号公报
专利文献3：日本特开2013-145692号公报
专利文献4：日本特开2014-235781号公报
作为用于将燃料电池的运转状态控制为最佳的指标之一，使用有燃料电池的交流阻抗。转换器根据由开关元件(开关)进行的开关动作来对燃料电池的输出电压进行升降压控制。公知在转换器中存在相对于占空比变动的响应性能降低区域。若在这样的响应性能降低区域中测量燃料电池的交流阻抗，则转换器对燃料电池的高频信号的重叠精度降低，因此产生交流阻抗测量精度显著降低的不便。
将转换器的小型化作为目标，作为选择项，可以考虑导入具备在同一铁心上使多个线圈磁耦合的磁耦合电抗器的磁耦合转换器。在磁耦合转换器中，为了缓和电抗器的铁心的磁饱和并减少输出电流波动，一般以相同的占空比且相位差变为等间隔的方式将磁耦合的线圈彼此交替开关。磁耦合电抗器在燃料电池的低输出时会以包含在线圈中流动的电流变为零的时间的不连续模式进行动作。
本研究者们新发现了存在“死区”这一情况，该死区在电流断续的不连续模式下的动作时因由作为磁耦合电抗器特有的现象的互感引起的来自其他的线圈的负电流而变为疑似的开关接通状态，不能顺畅地切换开关的从断开向接通的控制，而变为即使使占空比变化燃料电池的输出电流值也不会变化的状态。在死区中，即使欲使占空比变化来外加用于交流阻抗测定的交流信号，如上述那样燃料电池的输出电流值也几乎不会变化，因此不能适当地测量燃料电池的交流阻抗。这相当于上述专利文献1的响应性能降低区域，但频繁地产生未测量交流阻抗的时间段或者不能测量交流阻抗的时间段，会导致可能无法最佳地控制燃料电池的运转状态。
发明内容
本公开是鉴于上述实际情况而完成的，其主要目的在于提供一种能够适当地测量燃料电池的交流阻抗的燃料电池系统。
本公开的燃料电池系统的特征在于，上述燃料电池系统具备燃料电池、和对该燃料电池的输出电压进行从由升压和降压构成的群中选出的至少一种的转换器，上述转换器具备将n相的线圈相互磁耦合的电抗器、与上述线圈分别连接的n相的开关以及控制部，其中n为2以上的整数，上述控制部进行n相的上述开关的通断控制，上述控制部监视上述线圈的电流值，上述控制部根据上述燃料电池的电流波形和电压波形来测定上述燃料电池的交流阻抗，上述控制部使n相的上述开关分别以不同的相位动作，并且使n相的上述开关分别以相同的占空比动作，上述控制部在判定为满足下述条件1时使n相的上述开关分别以相同的相位动作，条件1：是在使n相的上述开关分别以不同的相位动作后，当在上述线圈中流动的电流是不连续模式、并且将向一相的上述线圈流动的电流值维持于零时与其他的至少一相的线圈连接的上述开关从接通切换为断开的运转条件。
也可以构成为：在本公开的燃料电池系统的基础上，上述控制部在使n相的上述开关分别以不同的相位动作时使n相的上述开关分别以(360/n)°的相位差动作。
也可以构成为：在本公开的燃料电池系统的基础上，上述控制部预先存储相当于上述条件1的上述转换器的运转条件作为数据群，所述控制部将当前的上述转换器的运转条件与该数据群对照来判定是否满足上述条件1。
也可以构成为：在本公开的燃料电池系统的基础上，上述控制部在判定为满足上述条件1时确认上述燃料电池的交流阻抗测定要求的有无，在确认到存在上述燃料电池的交流阻抗测定要求的情况下，上述控制部使n相的上述开关分别以相同的相位动作，并测定上述燃料电池的交流阻抗。
也可以构成为：在本公开的燃料电池系统的基础上，上述控制部在使n相的上述开关分别以相同的相位动作并测定了上述燃料电池的交流阻抗后，判定在上述电抗器的线圈中流动的平均电流值是否为规定的阈值以上，在判定为在上述电抗器的线圈中流动的平均电流值为规定的阈值以上的情况下，使n相的上述开关分别以不同的相位动作
也可以构成为：在本公开的燃料电池系统的基础上，在n＝2、并且使相互磁耦合的两相的上述开关分别以180°的相位差动作时，当在上述线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相的上述开关的占空比不足50％(D＜0.5)、并且满足下述式(A)或者式(B)的任意一方时，上述控制部判定为满足上述条件1，
式(A)：D＜{(1/2)(L－M)(VH－VL)}/(LVL+MVL－MVH)
式(B)：D＜(1/2){1－(VL/VH)}
[在式(A)和式(B)中，L是上述电抗器的自感，M是上述电抗器的互感，VH是上述转换器的出口电压，VL是上述转换器的入口电压，D是占空比(－)。]
根据本公开的燃料电池系统，能够适当地测量燃料电池的交流阻抗。
附图说明
图1是表示具有升压转换器和周边部件的燃料电池系统的电路结构的一个例子的图。
图2是表示输入电压Vfc为200V、输出电压VH为350V、使升压比恒定并使相互磁耦合的两相的线圈驱动来使占空比缓缓地增加时的向电抗器的各线圈流动的平均电流值(单相平均电流值)的电流变化的图。
图3是表示产生死区的区域中的所磁耦合的两相的线圈各自的电流波形的图。
图4是表示使相互磁耦合的两相的线圈驱动来在各相分别重叠振幅±3A的270Hz的正弦波并在5～25A的范围内扫描直流负载电流时的电流波形的图。
图5是表示U相和V相的两相磁耦合升压电路的一个例子的图。
图6是表示U相和V相的两相磁耦合降压电路的一个例子的图。
图7是表示U相和V相的两相磁耦合升降压电路的一个例子的图。
图8是表示向升压转换器的电抗器的线圈流动的电流为连续模式的情况下的电流波形的一个例子的图。
图9是表示向升压转换器的电抗器的线圈流动的电流为不连续模式的情况下的电流波形的一个例子的图。
图10是表示磁耦合转换器中的向电抗器的各线圈流动的单相平均电流与PWM占空比的关系的图。
图11是表示占空比、与电流、电压的时间图的一个例子的图。
图12是表示具备U相和V相的两相磁耦合电抗器的转换器的相同相位驱动时的电抗器电流波形的一个例子的图。
图13是表示具备U相和V相的两相磁耦合电抗器的转换器的180°相位差驱动时的电抗器电流波形的一个例子的图。
图14是表示交替地进行具备U相和V相的两相磁耦合电抗器的转换器的相同相位驱动和180°相位差驱动时的电抗器电流波形的一个例子的图。
图15是表示包括具备n相磁耦合电抗器的转换器在内的燃料电池系统中的进行燃料电池的交流阻抗测定时的控制的一个例子的流程图。
图16是表示包括具备n相磁耦合电抗器的转换器在内的燃料电池系统中的进行燃料电池的交流阻抗测定时的控制的另一个例子的流程图。
图17是表示包括具备n相磁耦合电抗器的转换器在内的燃料电池系统中的进行燃料电池的交流阻抗测定后的控制的一个例子的流程图。
图18是表示不连续模式下的死区产生区域的图。
图19是表示包括具备两相磁耦合电抗器的转换器在内的燃料电池系统中的进行燃料电池的交流阻抗测定时的控制的一个例子的流程图。
附图标记说明
10…燃料电池；20…升压转换器；21…电抗器；22…电流传感器；23…开关；24…二极管；25…电容器；50…外部负载。
具体实施方式
本公开的燃料电池系统的特征在于，上述燃料电池系统具备燃料电池、和对该燃料电池的输出电压进行从由升压和降压构成的群中选出的至少一种的转换器，上述转换器具备将n相的线圈相互磁耦合的电抗器、与上述线圈分别连接的n相的开关以及控制部，其中n为2以上的整数，上述控制部进行n相的上述开关的通断控制，上述控制部监视上述线圈的电流值，上述控制部根据上述燃料电池的电流波形和电压波形来测定上述燃料电池的交流阻抗，上述控制部使n相的上述开关分别以不同的相位动作，并且使n相的上述开关分别以相同的占空比动作，上述控制部在判定为满足下述条件1时使n相的上述开关分别以相同的相位动作，条件1：是在使n相的上述开关分别以不同的相位动作后，当在上述线圈中流动的电流是不连续模式并且将向一相的上述线圈流动的电流值维持为零时与其他的至少一相的线圈连接的上述开关从接通切换为断开的运转条件。
在磁耦合转换器中，有时产生即使使开关的占空比变化燃料电池的输出电流值也不会变化的死区，在该情况下，不能适当地测定燃料电池的交流阻抗。在本公开中，以成为最小限度的产生频度的方式控制作为磁耦合电抗器特有的现象的死区，进行燃料电池的交流阻抗测定。作为具体的控制，在产生死区的条件下，使所磁耦合的相的线圈彼此以共同的占空比并且相同的相位进行开关，由此避开死区来适当地进行燃料电池的交流阻抗测定。通过使所磁耦合的相的线圈彼此以共同的占空比并且相同的相位开关，从而至少一相脱离死区的范围，因此脱离死区的相能够使电流变动，其结果是，能够适当地测量燃料电池的交流阻抗，从而能够最佳地控制燃料电池的运转状态。
图1是表示具有升压转换器和周边部件的燃料电池系统的电路结构的一个例子的图。
图1所示的燃料电池系统例如搭载于车辆，作为外部负载50，经由变频器连接有车辆的驱动用马达。另外，虽然未图示，但也可以与燃料电池10及升压转换器20并联并具备蓄电池。燃料电池10的输出电力在被升压转换器20升压后，被进一步被变频器从直流转换为交流，并被向马达供给。
升压转换器20具备相互并联连接的6相升压电路。在图1中，示出了具备6相升压电路的结构，但相数并不特别地限定。
升压电路具备电抗器21、电流传感器22、开关23、二极管24以及电容器25。升压电路也可以具备输入电压传感器、输出电压传感器。
在6相的升压电路中，各两相能够共享一个电抗器21的铁心并相互磁耦合。在各升压电路中，若使开关23变为接通，则在电抗器21中流动的电流增加，若使开关23变为断开，则在电抗器21中流动的电流减少，在电流到达至零的情况下，维持零。电流传感器22取得在电抗器21中流动的电流值。
通过未图示的控制部对开关23进行接通/断开控制，从而控制转换器20中的升压比、和来自燃料电池10的输出电流值。
燃料电池10的输出电力根据车辆的要求(速度、加速度、装载量、以及道路的坡度等)而大幅度地变化，与其对应地输出电流也大幅度地变化。在燃料电池10的输出电流较大的情况下，若使其电流向一个升压电路流动，则发热增大而升压转换器20的电力转换效率降低。另外，当仅较小的电流在能够承受大电流的升压电路流动的情况下，能量损失也增大，升压转换器20的电力转换效率降低。
因此，升压转换器20具备多相升压电路(在图1所示的例子中为6相)，升压转换器20根据燃料电池10的输出电流值来切换驱动的相数。例如，在燃料电池10的输出电流值为0～150A时以两相驱动，在150～300A时以4相驱动，在300～600A时以6相驱动。升压电路根据流动的电流而效率不同，通过改变驱动相数，能够在各电流区域中分别以最佳的效率运转。
燃料电池系统具备燃料电池和转换器。
燃料电池可以仅具有一个单电池，也可以是将多个单电池层叠而成的燃料电池组。
转换器对燃料电池的输出电压进行从由升压和降压构成的群中选出的至少一个。转换器可以是升压转换器，可以是降压转换器，也可以是升降压转换器。
转换器也可以是DC/DC转换器。
转换器具备将n(n为2以上的整数)相的线圈相互磁耦合的电抗器、与线圈分别连接的n相开关、以及控制部。转换器也可以具备二极管、电流传感器、电压传感器、光耦合器以及电容器等。
电抗器具有线圈和铁心。
也可以在铁心卷绕有n(n为2以上的整数)相的线圈。若n为2以上，则上限并不特别地限定，可以为10以下，可以为5以下，可以为4以下，也可以为3以下。
电抗器具有的铁心和线圈也可以采用用于以往公知的转换器的铁心和线圈。
在本公开中，将具有卷绕了一个独立的线圈的铁心的电抗器称为非磁耦合电抗器。在本公开中，将具备非磁耦合电抗器的转换器称为非磁耦合转换器。在本公开中，将具有卷绕了两个以上的独立的线圈的铁心的电抗器称为磁耦合电抗器。在本公开中，将具备磁耦合电抗器的转换器称为磁耦合转换器。
在本公开中独立的线圈是指具备一个以上的涡旋部和两个端子部的线圈。
开关(开关元件)由晶体管和保护用二极管构成。晶体管是npn类型的晶体管，例如也可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)、和MOSFET(Metal Oxide Semic接通ductor Field Effect Transistor：金属-氧化物半导体场效应晶体管)等。
二极管也可以采用用于以往公知的转换器的二极管。
电流传感器只要能够取得在电抗器的线圈中流动的电流值(存在称为电抗器电流值的情况)，就不特别地限定，能够使用以往公知的电流计等。另外，在本公开中，电抗器平均电流是指占空比的控制的开关周期中的在线圈中流动的平均电流。
电压传感器只要能够取得从燃料电池输出并向转换器输入的输入电压，就不特别地限定，能够使用以往公知的电压计等。
控制部也可以是电子控制单元(ECU：Electr接通ic C接通trol Unit)等。ECU构成为包括CPU(Central Processing Unit)、存储器以及输入输出缓冲器。
控制部根据来自电流传感器的信号来检测向电抗器的n相的线圈流动的电流值，监视线圈的电流值。
控制部进行n相的开关的通断控制。控制部也可以使所磁耦合的n相的开关以恒定的频率动作。
控制部也可以通过周期性地切换向开关的接通指令和断开指令来进行开关的通断控制，控制n相的开关的占空比。由此也可以控制来自燃料电池的输出电流值。
在升压转换器中，反复进行对电抗器的电能量的积蓄和释放的开关的动作来升压。占空比确定在其升压动作的开关周期中开关元件打开而在电抗器积蓄电能量的积蓄期间所占的比例。在将升压转换器中的升压动作的开关周期设为T、将开关元件导通的期间设为TON、并将关断的期间设为TOFF时，将占空比D表示为D(－)＝TON/T。为了方便，存在用百分率(％)表示占空比的情况。在该情况下，D(％)＝TON/T×100。
在本公开中，开关的周期(开关周期)是指从将开关从断开切换至接通的时间点起到再度将开关从断开切换至接通的时间点为止的期间。
控制部使n相的开关分别以不同的相位动作，并且使n相的开关分别以相同的占空比动作。
控制部也可以在使n相的上述开关分别以不同的相位动作时使n相的开关分别以(360/n)°的相位差动作。
在开关为两相的情况、并且使两相的开关分别以不同的相位动作的情况下，控制部也可以使两相的开关分别以30～180°的相位差动作，从电力转换效率提高的观点出发，也可以以180°的相位差即相反的相位动作。在相反的相位下的动作的情况下，也可以在－5°～+5°的范围内产生相位误差。
控制部在判定为满足下述条件1时使n相的开关分别以相同的相位动作。
条件1：是在使n相的上述开关分别以不同的相位动作时，当在上述线圈中流动的电流是不连续模式并且将向一相的上述线圈流动的电流值维持于零时与其他的至少一相的线圈连接的上述开关从接通切换为断开的运转条件。
在为3相以上的磁耦合电抗器的情况下，向一相的上述线圈流动的电流值为零并且与其他的线圈连接的开关从接通切换为断开的运转条件也可以是剩余的相中的至少任意一相的开关从接通切换为断开的运转条件。
在使n相的上述开关分别以不同的相位动作的情况下，在以各自(360°/n)的相位差驱动相互磁耦合的n相时，条件1也可以是不连续模式并且占空比变为不足(100－100/n)％时。
控制部也可以将相当于条件1的转换器的运转条件预先存储为数据群，将当前的转换器的运转条件与该数据群对照来判定是否满足上述条件1。由此能够避开突入至死区，从而燃料电池的交流阻抗测定的精度提高。
也可以构成为：控制部在使n相的开关分别以相同的相位动作并测定了燃料电池的交流阻抗后判定向电抗器的线圈流动的平均电流值是否为规定的阈值以上。
也可以构成为：在判定为向上述电抗器的线圈流动的平均电流值为规定的阈值以上的情况下，使n相的开关分别以不同的相位动作。
在使相互磁耦合的n相的开关以相同的相位动作时，若燃料电池的输出电流增大，则移至连续模式。若在其紧后将相位从相同的相位切换为不同的相位，则进入至条件1的范围。另外，若以相同的相位驱动至连续模式，则减压转换效率较差。因此，也可以构成为：在判定为燃料电池的输出电流增大且向电抗器的线圈流动的平均电流值为规定的阈值以上的情况下，使开关分别以不同的相位动作。由此，能够抑制死区的产生并且使电压转换效率提高。
向电抗器的线圈流动的平均电流值的规定的阈值例如也可以是3～15A。
[死区的说明]
“死区”是指即使使转换器的PWM占空比增减向电抗器的线圈流动的平均电流值也几乎不会变化的区域。因由磁耦合的互感引起的负电流，在两相磁耦合的单方向升压(降压)电路中出现占空比为50％以下的不连续模式区域的一部分。
图2是表示输入电压Vfc为200V、输出电压VH为350V、使升压比恒定并使相互磁耦合的两相的线圈驱动来使占空比缓缓地增加时的向电抗器的各线圈流动的平均电流值(单相平均电流值)的电流变化的图。在图2中，线圈的自感是96.4μH，线圈的互感是62.7μH，开关的驱动频率为20kHz。
根据计算向电抗器的线圈流动的平均电流值的状态方程式(后文叙述)，如图2的虚线所示，随着占空比增加，向电抗器的线圈流动的平均电流值也应单调增加，但实际上如实线所示，示出电流階段状地增加的特性，在被虚线包围的部分，存在即使使占空比增加向电抗器的线圈流动的平均电流值也不会增加的“死区”。在向电抗器的线圈流动的平均电流值处于上述死区的情况下，即使使占空比变化，向电抗器的线圈流动的平均电流值即燃料电池的输出电流值也不会变化，从而不能适当地测定燃料电池的交流阻抗。
图3是表示产生死区的区域内的所磁耦合的两相的线圈各自的电流波形的图。在图3中，将U相的电流标记为L1，并将V相的电流标记为L2。
在从时刻t0到t1的期间，V相的开关为接通，L2电流缓缓地增大。另一方面，U相的开关是断开，将L1电流维持为0。在时刻t1，将V相的开关从接通切换为断开，由此V相的L2电流转为减少。这里，将U相的开关维持为断开不变，但在时刻t1以后，因V相的相互作用而向U相流动的L1电流交替出现减少和增加。
这里，例如如时刻t2那样，即使在U相的L1电流增加时使U相的开关变为接通，由于电流已经增加，因此也不识别开关接通的信号。其后，如时刻t3那样变为U相的L1电流减少的时机而首次识别U相的开关接通，其后到使U相的开关变为断开为止L1电流增加。由于不识别开关接通的信号的时机和识别开关接通的信号的时机交替地出现，因此如图2所示，反复出现死区。
此外，如上述那样，若在所磁耦合的一个相的线圈的电流值为0时将另一相的开关从接通切换为断开，则在一个相的线圈产生电流的增减，其结果是出现死区。
因此，如条件1那样，在使n相的上述开关分别以不同的相位驱动时，在上述线圈中流动的电流是不连续模式并且将所磁耦合的一个相的线圈的电流值维持为0时，在另一相的开关从接通向断开切换那样的运转条件时，可以说产生死区。
在两相磁耦合的情况下，驱动两相的相位差也可以是180°。在驱动两相的相位差为180°的情况下，若为不连续模式且占空比不足50％，则在将所磁耦合的一个相的线圈的平均电流值维持于0时，在另一相的开关从接通切换为断开那样的运转条件时，产生死区。
图4是表示使相互磁耦合的两相的线圈驱动来在各相分别重叠振幅为±3A的270Hz的正弦波并在5～25A的范围内扫描了直流负载电流时的电流波形的图。在图4中，与图2相同，输入电压Vfc为200V，输出电压VH为350V，使升压比恒定，线圈的自感为96.4μH，线圈的互感为62.7μH，开关的驱动频率为20kHz。在图4的情况下，可以认为占空比与向电抗器的线圈流动的平均电流值的关系沿着图2所示的虚线，因此沿着虚线使占空比振幅。然而，如上述那样，实际上电流值的变化如图2所示的实线那样是階段状的，因此即使于在图2中用虚线表示的死区中使占空比增减，电流也不会变化，如图4的虚线所示，在电流中存在不能进行正弦波重叠的区域，在该区域中不能进行燃料电池的交流阻抗的测量。此外，当在用图4的虚线表示的特定区域中产生了直流负载的急变动的情况下，也存在燃料电池的输出响应延迟而产生蓄电池等的负荷上升的情况。
因此，作为条件1，当在使n相的开关分别以不同的相位动作、并且使n相的开关分别以相同的占空比动作时电流波形未重叠正弦波的情况下，能够判定为已突入至死区。即，通过在使n相的开关分别以不同的相位动作、并且使n相的开关分别以相同的占空比动作时判定电流波形是否重叠了正弦波，从而能够判定是否突入至死区。
考虑到图4，控制部也可以在以线圈的电流值的振幅为通常的振幅的方式使n相的开关的占空比增减时，在所测定的上述线圈的电流值的振幅小于期待值时判定为满足条件1。线圈的电流值的振幅小于期待值时相当于未重叠正弦波的状态，能够判定为已突入至死区。
图5是表示U相和V相的两相磁耦合升压电路的一个例子的图。在图5中，VL表示输入电压(升压前电压)，IU表示U相电流，IV表示V相电流，VH表示输出电压(升压后电压)，D表示二极管，S表示开关，M表示互感，L表示自感，r表示内部电阻。
式(1)是电流I向量的状态方程式。通过求解该状态方程式，能够获得在图2中用虚线表示的电流曲线。式(1)中的电压V向量如表1那样表示。表1表示式(1)中的电压V向量和死区产生条件(斜线部分)。
因由用图5和式(1)的M表示的磁耦合的互感引起的负电流，在两相磁耦合的单方向升压(降压)电路中，如表1的斜线部分所示，在两相的开关为断开的状态下，即在180°相位差驱动下在占空比不足50％的不连续模式区域的一部分出现死区。对于机理而言，如通过在表1的条件下沿着时间求解式(1)而获得的那样，当在两相的开关为断开的状态下向一个线圈流动的电流为0A、并且向另一个线圈流动的电流为正的情况下，在0A侧的线圈产生由互感引起的起电压并产生负电流。其后，通过负电流增加而线圈的电动势消失，并立即转为减少，但在到返回至0A为止的期间，如表1的斜线部分那样开关变为疑似的接通状态，因此无论负电流侧开关是接通还是断开，都不能够对电流波形产生影响，从而成为控制死区。
此外，例如，U相、V相以及W相的3相磁耦合升压电路的情况下的死区产生条件假定3相所有的开关为断开、IU＞0、IV≤0、IW≤0的情况、IU＞0、IV＞0、IW≤0的情况等。
【公式1】
Figure BDA0003534457880000121
[表1]
Figure BDA0003534457880000122
图6是表示U相和V相的两相磁耦合降压电路的一个例子的图。
图7是表示U相和V相的两相磁耦合升降压电路的一个例子的图。
不仅在升压电路中，在降压电路、升降压电路中也与升压电路相同地存在电流控制死区的问题，通过在产生死区时进行相同相位驱动，能够避开或者抑制死区的产生。此外，对于不具有不连续模式的双向电路，可以认为不存在死区。
[连续模式、不连续模式的说明]
图8是表示向升压转换器的电抗器的线圈流动的电流为连续模式的情况下的电流波形的一个例子的图。
图9是表示向升压转换器的电抗器的线圈流动的电流为不连续模式的情况下的电流波形的一个例子的图。
如图8所示，向升压转换器的电抗器的线圈流动的电流(电抗器电流)伴随着开关动作而成为三角波，三角波的中央值是电抗器平均电流(以下，记载为平均电流)。这里，若减少占空(Duty)来降低平均电流，则三角波的最下点达到至0A。若此后进一步降低平均电流，则由于升压转换器是单向的电路，因此如图9所示，开始产生电抗器电流成为零的期间。这样将在转换器的占空比的控制的开关周期中具有向电抗器的线圈流动的电流为零的期间的动作称为不连续模式，将在占空比的控制的开关周期中不具有向电抗器的线圈流动的电流为零的期间的动作称为连续模式。
图10是表示磁耦合转换器中的向电抗器的各线圈流动的单相平均电流与PWM占空比的关系的图。在图10中，示出了相对于升压后电压为350V使升压前电压改变并且使占空比变化时的向电抗器的各线圈流动的单相平均电流值。在升压前电压为140V以下的较低的电压时，在占空比35～30％附近出现即使使占空比上升单相平均电流值也不会上升的“死区”。
图11是表示占空比与电流、电压的时间图的一个例子的图。
如图11所示，在死区中，即使使占空比以恒定的振幅增减，FC输出电流值和FC输出电压值也几乎不会变化。例如，在死区中，通过使占空比的振幅大于通常，能够使电流增减，但在因制品的差别等而图10的特性偏离的情况下，存在电流的振幅过度地变大且控制性变坏的可能。
例如，考虑FC电压值为200V、转换器输出电压为350V、FC电流值为20A的情况。若以单相驱动，则向外部的电流波动变大，因此若进行两相180度相位交错驱动，则例如如图10那样，可能捕捉到10A的死区，而电流控制精度降低。
图12是表示具备U相和V相的两相磁耦合电抗器的转换器的相同相位驱动时的电抗器电流波形的一个例子的图。
图13是表示具备U相和V相的两相磁耦合电抗器的转换器的180°相位差驱动时的电抗器电流波形的一个例子的图。
图14是表示交替地进行具备U相和V相的两相磁耦合电抗器的转换器的相同相位驱动与180°相位差驱动时的电抗器电流波形的一个例子的图。
这里，若以图13的逻辑设置相同相位驱动区域，则两相的电流一致，能够避开作为产生死区的条件的“在双方断开时仅一方变为零电流的区域”，能够改善死区的影响。由于不存在死区，因此即使为了测量阻抗而使正弦波加载于FC输出电流，也能够稳定地控制转换器。
如图12所示，对于相同相位的驱动波形而言，在图13的180°相位差驱动的情况下观察到的由在UV相断开且电流残留于单相的状态下产生的逆电流引起的电流振动消失。
[交流阻抗的测定]
控制部根据燃料电池的电流波形和电压波形来测定燃料电池的交流阻抗。
也可以构成为：控制部确认燃料电池的交流阻抗测定要求的有无，在确认了存在燃料电池的交流阻抗测定要求的情况下，判定是否满足条件1，在判定为满足条件1时，使n相的开关分别以相同的相位动作，并测定燃料电池的交流阻抗。
也可以构成为：控制部在判定为满足条件1时确认燃料电池的交流阻抗测定要求的有无，在确认了存在燃料电池的交流阻抗测定要求的情况下，使n相的开关分别以相同的相位动作，并测定燃料电池的交流阻抗。
为了把握燃料电池的电解质膜的状态、气体供给的状态，控制部在燃料电池的运转中以规定的频度实施燃料电池的交流阻抗测定。
控制部使转换器的PWM占空比周期性地增减并且开关，取得施加了包含一定频率成分的负载电流时的燃料电池的输出电压和输出电流值作为一波长以上时间序列波形数据，对该波形数据进行离散傅立叶变换，将电压信号的离散傅立叶变换结果除以电流信号的离散傅立叶变换结果，由此计算燃料电池的交流阻抗。
在被称为不连续模式的低负荷区域中，若使占空比增大，则在电抗器的线圈中流动的平均电流值也增大。
为了取得上述燃料电池的交流阻抗，例如也可以以变为输出电流值的振幅为±3A左右的正弦波的方式控制占空比。
此外，燃料电池的输出电压值可以取得燃料电池组整体的电压，也可以取得各单电池的电压。若使用燃料电池组整体的电压值，则能够取得燃料电池组整体的交流阻抗，若使用每个单电池的电压值，则能够取得每个单电池的交流阻抗。
另外，若按照每多个单电池(例如，每两个单电池，每4个单电池等)取得电压，则能够取得每任意的单电池块的交流阻抗。
在单电池面积为数百cm2左右的情况下，在发电中取得的交流阻抗的200Hz以上的成分主要表示电解质膜的质子移动电阻、接触电阻，数10Hz的成分表示气体扩散电阻。
此外，本公开中的燃料电池的交流阻抗的测定方法并不特别地限定，能够应用公知的方法，例如也可以是与日本特开2008-098134所记载的方法相同的方法。
图15是表示包括具备n相磁耦合电抗器的转换器在内的燃料电池系统中的进行燃料电池的交流阻抗测定时的控制的一个例子的流程图。
如图15所示，控制部使n相的开关分别以不同的相位并且相同的占空比动作。其后，控制部判定是否满足条件1。在满足条件1的情况下，控制部使n相的开关的动作从分别为相同的占空比并且不同的相位的动作向分别为相同的占空比并且相同的相位的动作变更，并进行燃料电池的交流阻抗测定。另一方面，在不满足条件1的情况下，控制部使n相的开关分别以相同的占空比并且不同的相位动作，并进行燃料电池的交流阻抗的测定。
在两相磁耦合电抗器的情况下，在燃料电池系统的运转中，在突入至相当于条件1的产生死区的区域时，在驱动相互磁耦合的两相的线圈时，以相同的相位控制两相，避免两相同时进入至图2所示的死区，由此，使得至少一相维持能够脱离死区并进行控制的状态，并能够进行sin波重叠。
在两相磁耦合电抗器的情况下，相当于条件1的产生死区的区域也可以为不连续模式并且占空比不足50％时。因此，例如也可以构成为：在向燃料电池的要求输出减少从而从不连续模式并且占空比为50％以上减少至不足50％的时机，将两相的开关的动作从分别为相同的占空比并且不同的相位的动作变更为分别为相同的占空比并且相同的相位的动作。
图16是表示包括具备n相磁耦合电抗器的转换器在内的燃料电池系统中的进行燃料电池的交流阻抗测定时的控制的另一个例子的流程图。
如图16所示，控制部使n相的开关分别以不同的相位并且相同的占空比动作。其后，控制部判定是否满足了条件1。在判定为满足了条件1时，控制部判定是否存在燃料电池的交流阻抗测定的要求。在判定为存在燃料电池的交流阻抗测定的要求时，控制部将n相的开关的动作从分别为相同的占空比并且不同的相位的动作变更为分别为相同的占空比并且相同的相位的动作，并进行燃料电池的交流阻抗测定。另一方面，在控制部判定为没有燃料电池的交流阻抗测定的要求时，控制部使n相的开关分别以相同的占空比并且不同的相位动作。
因此，仅在满足条件1、并且实施燃料电池的交流阻抗测定的情况下，控制部才将n相的开关的动作从分别为相同的占空比并且不同的相位的动作变更为分别为相同的占空比并且相同的相位的动作，在其他的情况下，也可以使n相的开关分别以相同的占空比并且不同的相位动作。通过仅在阻抗测量时成为相同相位驱动，从而能够改善死区的影响，并且能够抑制由波动增加引起的电压转换效率降低的抑制、电容器温度上升。此外，也可以构成为：控制部判定是否存在燃料电池的交流阻抗测定的要求，在判定为存在燃料电池的交流阻抗测定的要求时，判定是否满足了条件1。
图17是表示包括具备n相磁耦合电抗器的转换器在内的燃料电池系统中的进行燃料电池的交流阻抗测定后的控制的一个例子的流程图。
如图17所示，控制部将n相开关的动作从分别为相同的占空比并且不同的相位的动作变更为分别为相同的占空比并且相同的相位的动作，在测定燃料电池的交流阻抗后，判定在电抗器的线圈中流动的平均电流值是否为规定的阈值以上。
在判定为在电抗器的线圈中流动的平均电流值为规定的阈值以上的情况下，控制部将n相的开关的动作从分别为相同的占空比并且相同的相位的动作变更为分别为相同的占空比并且不同的相位的动作。另一方面，在判定为在电抗器的线圈中流动的平均电流值不足规定的阈值的情况下，控制部使n相的开关分别以相同的占空比并且相同的相位动作。由此，能够抑制死区的产生并且使电压转换效率提高。
图18是表示不连续模式中的死区产生区域的图。
本研究者们认识到以下情况，即，在将(各)两相磁耦合的作为L＞M的升压转换器中，满足条件1并产生死区的是作为死区产生区域用斜线包围的区域。
此外，L是电抗器的自感，M是互感，分别是由电抗器的物性值决定的固有的值。VL是升压转换器的入口电压(升压前电压)，VH是升压转换器的出口电压(升压后电压)。
在两相磁耦合(n＝2)的情况下，驱动两相的相位不同即可，相位差也可以是180°。在驱动两相的相位不同的情况下，若为不连续模式且占空比不足50％(D＜0.5)，则变为在将所磁耦合的一个相的线圈的平均电流值维持于0时另一相的开关从接通切换为断开的运转条件。
也可以构成为：从高精度地判定产生死区的运转条件的观点出发，在两相磁耦合(n＝2)的情况下，在判定为作为图18所示的死区产生区域的条件的“在使相互磁耦合的两相的开关分别以180°的相位差动作时，在线圈中流动的电流为不连续模式、并且两相的开关的占空比(D)不足50％、并且满足下述式(A)或者式(B)的任意一方”的情况下，控制部判定为满足条件1。
式(A)：D＜{(1/2)(L－M)(VH－VL)}/(LVL+MVL－MVH)
式(B)：D＜(1/2){1－(VL/VH)}
[在式(A)和式(B)中，L是电抗器的自感，M是电抗器的互感，VH是转换器的出口电压，VL是转换器的入口电压，D是占空比。]
在将(各)两相磁耦合的情况下，“在使相互磁耦合的两相的开关分别以180°的相位差动作时，在线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相的开关的占空比(D)不足50％”这一情况为条件1中的一个。
另一方面，将(各)n相磁耦合并分别以(360°/n)的相位差驱动相互磁耦合的n相时的条件1代替“在使相互磁耦合的两相的开关分别以180°的相位差动作时，在线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相开关的占空比(D)不足50％”的条件，转而变为“在使相互磁耦合的n相的开关分别以(360°/n)的相位差动作时，在线圈中流动的电流是不连续模式，并且n相开关的占空比不足(100－100/n)％”。
(具体例)
在两相磁耦合(n＝2)的情况下，在判定为上述的“在使相互磁耦合的两相的开关分别以180°的相位差动作时，在线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相的开关的占空比(D)不足50％(D＜0.5)、并且满足式(A)和式(B)的任意一方”的情况下，控制部也可以判定为满足条件1。
图19是表示包括具备两相磁耦合电抗器的转换器在内的燃料电池系统中的进行燃料电池的交流阻抗测定时的控制的一个例子的流程图。
控制部使两相的开关的动作分别以180°的相位差并且相同的占空比动作来判定是否存在燃料电池的交流阻抗测定的要求。在判定为没有燃料电池的交流阻抗测定的要求时，控制部结束控制。
另一方面，在判定为存在燃料电池的交流阻抗测定的要求时，控制部监视线圈的电流值，作为条件1，判定是否为“在使相互磁耦合的两相的开关分别以180°的相位差动作时，在线圈中流动的电流(驱动的相)是不连续模式、并且两相的开关的占空比(D)不足50％(D＜0.5)、并且满足式(A)和式(B)的任意一方”。
在判定为不满足条件1时，控制部使两相的开关的动作分别以180°的相位差并且相同的占空比动作来进行燃料电池的交流阻抗测定。另一方面，在判定为满足了条件1时，控制部将两相的开关的动作分别从180°的相位差并且相同的占空比的动作变更为相同的相位并且相同的占空比的动作，从而进行燃料电池的交流阻抗的测定。
也可以构成为：如图18所示，“产生死区的区域”是“在线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相的开关的占空比(D)不足50％(D＜0.5)、并且满足式(A)和式(B)的任意一方”时，因此例如在运转条件移至产生图18所示的死区的区域的时机，将两相的开关的动作分别从180°的相位差并且相同的占空比的动作变更为相同的相位并且相同的占空比的动作。
判定是否满足产生死区的条件1的手段并不限定于上述情况，例如也可以构成为：根据输入电压、输出电压以及占空比来预先定义符合死区的范围，并且在示出在规定的输出电压时输入电压和占空比突入或者接近至符合死区的范围时，判定为满足条件1。
如上述那样，通过预先定义符合死区的范围，在进入至该范围时将两相的开关的动作分别从180°的相位差并且相同的占空比的动作变更为相同的相位并且相同的占空比的动作，从而能够在欲取得燃料电池的交流阻抗时迅速地取得交流阻抗。
在图19中，作为条件1，为“在使相互磁耦合的两相的开关分别以180°的相位差动作时，在线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相的开关的占空比不足50％、并且满足式(A)或者式(B)的任意一方”时，但也可以除去“满足式(A)和式(B)的任意一方时”的条件。
即，作为条件1，也可以为“在使相互磁耦合的两相的开关分别以180°的相位差动作时，在线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相开关的占空比不足50％”时。在该情况下，例如也可以构成为：在从向燃料电池的要求输出减少、在线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相开关的占空比为50％以上移至在线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相开关的占空比不足50％的时机，将两相开关的动作分别从180°的相位差并且相同的占空比的动作变更为相同的相位并且相同的占空比的动作。
如图18所示，根据式(A)和式(B)，从自不同的相位变更为相同的相位的范围内除去的区域不大。因此，可以认为即使除去“满足式(A)或者式(B)的任意一方时”的条件，对蓄电池的寿命增加产生的影响也是有限的。另一方面，通过除去“满足式(A)或者式(B)的任意一方时”的条件，从而能够简化控制并且适当地进行燃料电池的交流阻抗的测定。
此外，作为变形例，作为条件1，也可以为“在使相互磁耦合的两相开关分别以180°的相位差动作后，在线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相开关的占空比不足50％、并且满足式(A)时”、或者“在使相互磁耦合的两相开关分别以180°的相位差动作后，在线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相开关的占空比不足50％、并且满足式(B)时”。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池系统具备燃料电池、和对该燃料电池的输出电压进行从由升压和降压构成的群中选出的至少一种的转换器，
所述转换器具备将n相的线圈相互磁耦合的电抗器、与所述线圈分别连接的n相的开关、以及控制部，其中，n为2以上的整数，
所述控制部进行n相的所述开关的通断控制，
所述控制部监视所述线圈的电流值，
所述控制部根据所述燃料电池的电流波形和电压波形来测定所述燃料电池的交流阻抗，
所述控制部使n相的所述开关分别以不同的相位动作，并且使n相的所述开关分别以相同的占空比动作，
所述控制部在判定为满足下述条件1时使n相的所述开关分别以相同的相位动作，
条件1是在使n相的所述开关分别以不同的相位动作时，当在所述线圈中流动的电流是不连续模式并且将向一相的所述线圈流动的电流值维持于零时与其他的至少一相的线圈连接的所述开关从接通切换为断开的运转条件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部在使n相的所述开关分别以不同的相位动作时，使n相的所述开关分别以(360/n)°的相位差动作。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部预先存储相当于所述条件1的所述转换器的运转条件作为数据群，
所述控制部将当前的所述转换器的运转条件与该数据群对照来判定是否满足所述条件1。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部在判定为满足所述条件1时确认所述燃料电池的交流阻抗测定要求的有无，
在确认了存在所述燃料电池的交流阻抗测定要求的情况下，所述控制部使n相的所述开关分别以相同的相位动作，并测定所述燃料电池的交流阻抗。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部在使n相的所述开关分别以相同的相位动作并测定了所述燃料电池的交流阻抗后，判定在所述电抗器的线圈中流动的平均电流值是否为规定的阈值以上，
在判定为在所述电抗器的线圈中流动的平均电流值为规定的阈值以上的情况下，使n相的所述开关分别以不同的相位动作。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
在n＝2、并且使相互磁耦合的两相的所述开关分别以180°的相位差动作时，当在所述线圈中流动的电流是不连续模式、并且两相的所述开关的占空比不足50％(D＜0.5)、并且满足下述式A或者式B的任意一方时，所述控制部判定为满足所述条件1，
式A：D＜{(1/2)(L－M)(VH－VL)}/(LVL+MVL－MVH)
式B：D＜(1/2){1－(VL/VH)}
在式A和式B中，L是所述电抗器的自感，M是所述电抗器的互感，VH是所述转换器的出口电压，VL是所述转换器的入口电压，D是占空比(－)。
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