DE112011105515B4

DE112011105515B4 - Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112011105515B4
Application number: DE112011105515.3T
Authority: DE
Inventors: Tomohiko Kaneko
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2031-08-11
Also published as: US20130169253A1; JP5305186B2; CN103518281A; CN103518281B; DE112011105515T5; US9568925B2; WO2013021476A1; JPWO2013021476A1

Abstract

Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das einen Wandler, der zwischen einer Brennstoffzelle und einer Last angeordnet ist, und ein Steuermittel zum Steuern eines Betriebs des Wandlers auf Basis eines Betriebssollwerts mit einem Feedforward-Ausdruck aufweist,wobei das Steuermittel den Feedforward-Ausdruck unter Verwendung eines Sollwerts einer den Wandler betreffenden physikalischen Größe berechnet, in einem Betriebsbereich, in welchem eine von der Last geforderte Leistung höher ist, als ein vorbestimmter Grenzwert, undwobei das Steuermittel den Feedforward-Ausdruck auf Basis eines Eingangsspannungssollwerts des Wandlers und eines Ausgangsspannungssollwerts des Wandlers berechnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem
STAND DER TECHNIK
Eine Hybrid-Leistungsversorgungseinrichtung wurde vorgeschlagen, in der eine Brennstoffzelle, die mit einem Reaktionsgas (Brenngas und Oxidationsgas) versorgt wird, um Strom zu erzeugen, zusammen mit einer Sekundärzelle, beispielsweise einer Speicherbatterie, montiert ist. Beispielsweise wurde in den letzten Jahren eine Hybrid-Leistungsversorgungseinrichtung vorgeschlagen, mit einem Hauptstromquellenteil (eine Brennstoffzelle), einem Hilfsstromquellenteil (eine Batterie) und einem Spannungsregelteil (ein DC-DC-Wandler oder dergleichen), der eine Ausgangsspannung des Hauptstromquellenteils auf eine vorgegebene Gleichstromspannung regelt, und die geregelte Gleichstromspannung ausgibt (siehe JP 2008-178287 A ). Der Spannungsregelteil einer derartigen Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass er entsprechend den Betriebsparametern des Hauptstromquellenteils in einem Vorwärtskopplungs- bzw. Feedforward-Steuermodus oder einem Rückkopplungs- bzw. Feedback-Steuermodus arbeitet. Weitere Verfahren zum Regeln der Spannung von Hybridbrennstoffzellensystemen mit zusätzlichen Leistungsquellen und Stromspeichervorrichtungen sind Gegenstand der US 2008 / 0 138 680 A1 und der JP 2007-159 315 A .
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösendes Problem
Bei einer derartigen, herkömmlichen Hybrid-Leistungsversorgungseinrichtung, wie sie in der JP 2008-178287 A offenbart ist, werden ein Ausgangsstrom, eine Ausgangsspannung und dergleichen einer Brennstoffzelle gemessen, und ein Feedforward-Steuermodus-Signal wird unter Verwendung dieser Messwerte erzeugt. Wenn ein Feedforward-Signal für die Wandlersteuerung auf diese Weise unter Verwendung der Messwerte erzeugt wird, verschlechtert sich die Antwort bzw. das Antwortverhalten des Wandlers, wenn eine Last (eine benötigte Leistung) rasch ansteigt oder rasch fällt. Folglich kann das Problem auftreten, dass eine Antwort bzw. ein Ansprechverhalten einer Ausgangsleistung der Brennstoffzelle auf die benötigte Leistung sich rasch verschlechtert.
Die vorliegende Erfindung wurde im Lichte dieser Situation gemacht und es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Verschlechterung einer Antwort eines Wandlers zum Zeitpunkt einer raschen Zunahme (einer raschen Abnahme) einer Last in einem Brennstoffzellensystem zu unterdrücken, in welchem ein Betrieb des Wandlers auf Basis eines Betriebssollwerts mit einem Feedforward-Ausdruck gesteuert wird.
Mittel zur Lösung der Aufgabe
Um die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen wird erfindungsgemäß ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem hat einen Wandler, der zwischen einer Brennstoffzelle und einer Last angeordnet ist; und ein Steuermittel zum Steuern eines Betriebs des Wandlers auf Basis eines Betriebssollwerts mit einem Feedforward-Ausdruck. Das Steuermittel berechnet den Feedforward-Ausdruck unter Verwendung eines Befehls- bzw. Sollwerts einer den Wandler betreffenden physikalischen Größe, in einem Betriebsbereich, in welchem eine von der Last geforderte Leistung höher ist, als ein vorbestimmter Grenzwert, wobei das Steuermittel den Feedforward-Ausdruck auf Basis eines Eingangsspannungssollwerts des Wandlers und eines Ausgangsspannungssollwerts des Wandlers berechnet.
Wenn eine derartige Konfiguration verwendet wird, kann der im Betriebssollwert enthaltene Feedforward-Ausdruck unter Verwendung des Sollwerts der den Wandler betreffenden physikalischen Größe (z.B. ein Einlass- bzw. Eingangsspannungssollwert oder ein Auslass- bzw. Ausgangsspannungssollwert) in einem Bereich hoher Last (einen Betriebsbereich, in welchem die von der Last benötigte Leistung höher ist, als der vorbestimmte Grenzwert) berechnet werden. Daher kann die Antwort des Wandlers in dem Bereich hoher Last im Vergleich zum dem fall, bei welchem der Feedforward-Ausdruck auf Basis der Messwerte berechnet wird, verbessert werden. Folglich kann eine Last eines Feedback-Ausdrucks, der in dem Betriebssollwert enthalten ist, verringert werden, und es kann eine stabile Wandlersteuerung im Bereich hoher Last erreicht werden. Zudem kann ein schnelleres Antwortverhalten einer Ausgangsleistung der Brennstoffzelle auf die geforderte Leistung erreicht werden, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Überentladung einer Batterie verringert werden kann.
Beispielsweise ist es möglich, das Steuermittel dazu zu verwenden, um den Feedforward-Ausdruck D_FF gemäß der Gleichung „D_FF = 1-V_{REF_L/}V_{REF_H}“ zu berechnen, wobei V_{REF_L} der Eingangsspannungssollwert des Wandlers ist und V_{REF_H} der Ausgangsspannungssollwert des Wandlers ist. Überdies ist es auch möglich, das Steuermittel dazu zu verwenden, um den Feedforward-Ausdruck D_FF gemäß der Gleichung „D_FF = 1-V_{REF_L}/V_{MES_H}“ zu berechnen, wobei V_{MES_H} ein gemessener Wert der Ausgangsspannung des Wandlers ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem ist es auch möglich, das Steuermittel dazu zu verwenden, um den Eingangsspannungssollwert des Wandlers auf Basis der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle und eines Eingangsstromsollwerts des Wandlers zu berechnen. Zudem ist es auch möglich, das Steuermittel dazu zu verwenden, um den Eingangsspannungssollwert des Wandlers auf Basis der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle, der Strom-Leistungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle und eines Leistungssollwerts der Brennstoffzelle zu berechnen. Überdies kann das Steuermittel dazu verwendet werden, um den Eingangsspannungssollwert des Wandlers auf Basis der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle, der Verlusteigenschaften des Wandlers und eines Ausgangsstromsollwerts des Wandlers zu berechnen.
Weiterhin ist es bei dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem möglich, das Steuermittel dazu zu verwenden, um die Phaseneigenschaften der Sollwerte zur Verwendung für die Berechnung des Feedforward-Ausdrucks zu korrigieren, wobei es auch möglich ist, das Steuermittel dazu zu verwenden, um die Phaseneigenschaften des berechneten Feedforward-Ausdrucks zu korrigieren.
Mit der Verwendung derartiger Konfigurationen können die Phaseneigenschaften der Sollwerte zur Verwendung für die Berechnung des Feedforward-Ausdrucks und die Phaseneigenschaften des berechneten Feedforward-Ausdrucks korrigiert werden, so dass das Antwortverhalten weiter verbessert werden kann.
Zudem ist es, gemäß dem Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung, möglich, das Steuermittel dazu zu verwenden, um den Feedforward-Ausdruck D_FF gemäß der folgenden Gleichung in einem Betriebsbereich zu berechnen, in welchem die von der Last geforderte Leistung nicht höher ist, als der vorbestimmte Grenzwert. $D_{FF} = \sqrt{2 Lf} \times \sqrt{\frac{V_{MES_H} - V_{MES_L}}{V_{MES_H} \times V_{MES_L}}} \times \sqrt{I_{REF}}$
In dieser Gleichung ist L ein induktiver Widerstand einer Spule des Wandlers, f eine Betriebsfrequenz des Wandlers, V_{MES_H} der gemessene Wert der Ausgangsspannung des Wandlers, V_{MES_L} ein gemessener Wert der Eingangsspannung des Wandlers, und I_REF der Eingangsstromsollwert des Wandlers.
Es ist bekannt, dass sich das Antwortverhalten des Wandlers merklich zwischen einem Bereich hoher Last (dem Betriebsbereich, in welchem die von der Last benötigte Leistung höher ist, als der vorbestimmte Grenzwert) und einem Bereich niedriger Last (dem Betriebsbereich, in welchem die von der Last benötigte Leistung nicht höher ist, als der vorbestimmte Grenzwert) unterscheidet. Wenn eine derartige Konfiguration verwendet wird, kann der Feedforward-Ausdruck unter Berücksichtigung des Antwortverhaltens des Wandlers im Bereich niedriger Last genau berechnet werden.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Verschlechterung bzw. Abnahme des Antwortverhaltens eines Wandlers zum Zeitpunkt einer raschen Lastzunahme (einer raschen Lastabnahme) in einem Brennstoffzellensystem zu unterdrücken, das den Wandler auf Basis eines Betriebssollwerts mit einem Feedforward-Ausdruck steuert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

1 zeigt eine Strukturansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein Blockschaubild zur Erläuterung einer FC-Wandlersteuerung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 zeigt ein Blockschaubild zur Erläuterung einer FC-Wandlersteuerung nach dem Stand der Technik.

AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform ist ein an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiertes Leistungs- bzw. Stromerzeugungssystem.
Wie in 1 gezeigt ist, speist das Brennstoffzellensystem 1 einen durch eine Brennstoffzelle 2 (in den Figuren abgekürzt durch FC) oder eine Batterie 3 (in den Figuren abgekürzt durch BAT) erzeugten Strom über einen Inverter 4 (in den Figuren abgekürzt durch INV) in einen Fahr- bzw. Traktionsmotor 5 (in den Figuren abgekürzt durch M), um den Traktionsmotor 5 zu drehen und anzutreiben. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst dabei unter anderem einen FC-Wandler 10 (in den Figuren abgekürzt durch FC-CNV), der zwischen der Brennstoffzelle 2 und dem Inverter 4 angeordnet ist, einen Batteriewandler 6 (in den Figuren abgekürzt durch BAT-CNV), der zwischen der Batterie 3 und dem Inverter 4 angeordnet ist, sowie einen Kontroller 7 (in den Figuren abgekürzt durch CRL), der integral das gesamte System steuert.
Die Brennstoffzelle 2 ist ein Solid-Polymer-Elektrolyt-Zellenstapel, in welchem eine Mehrzahl von Einheitszellen in Reihe gestapelt ist. In der Brennstoffzelle 2 tritt am Anodenpol eine Oxidationsreaktion gemäß der nachfolgenden Formel (1) auf, eine Reduktionsreaktion gemäß der nachfolgenden Formel (2) tritt am Katodenpol auf, und eine elektromotorische Reaktion gemäß der nachstehenden Formel (3) tritt in der gesamten Brennstoffzelle 2 auf. H₂ → 2H⁺+2e^- (1) (1/2)O₂+2H⁺+2e^- → H₂O (2) H₂+(1/2)O₂ → H₂O (3)
Eine jede der Einheitszellen, welche die Brennstoffzelle 2 bilden, hat einen Aufbau, bei welchem eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran, die sandwichartig zwischen zwei Polen des Anodenpols und des Katodenpols aufgenommen ist, sandwichartig zwischen Separatoren zum Zuführen von Brenngas und Oxidationsgas aufgenommen ist. Die Brennstoffzelle 2 hat ein System zum Zuführen des Brenngases zu den Anodenpolen, ein System zu Zuführen des Oxidationsgases zu den Katodenpolen und eine System zum Zuführen eines Kühlmittels in die Separatoren. Eine Menge an zugeführtem Brenngas und eine Menge an zugeführtem Oxidationsgas werden entsprechend einem Steuersignal vom Kontroller 7 gesteuert, so dass eine gewünschte Leistung erzeugt werden kann.
Der FC-Wandler 10 führt eine Funktion zum Steuern einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 aus. Wie in 1 dargestellt ist, ist der FC-Wandler 10 der vorliegenden Ausführungsform ein Mehrphasenwandler, in welchem die vier Phasen eines U-Phasen-Wandlers 11, eines V-Phasen-Wandlers 12, eines W-Phasen-Wandlers 13 und eines X-Phasen-Wandlers 14 parallel verbunden sind. Der FC-Wandler 10 kann die Steuerphasen zwischen einer Ein-Phasen-Steuerung, um lediglich eine Phase (z. B. die U-Phase) zu nutzen, einer Zwei-Phasen-Steuerung, um zwei Phasen (z. B. die U-Phase und die V-Phase) zu nutzen, einer Drei-Phasen-Steuerung, um drei Phasen (z. B. die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase) zu nutzen, und einer Vier-Phasen-Steuerung, um alle vier Phasen zu nutzen, entsprechend einer Belastung bzw. Last (einer benötigten Leistung) einer Last bzw. Lastvorrichtung wie dem Traktionsmotor 5 schalten.
Der FC-Wandler 10 steuert die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 gemäß der gewünschten Ausgabe. Darüber hinaus können eine Eingangsspannung und ein Eingangsstrom des FC-Wandlers 10 (die Ausgangsspannung und der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2) sowie eine Ausgangsspannung und ein Ausgangsstrom des FC-Wandlers 10 durch nicht dargestellte Strom- und Spannungssensoren erfasst werden.
Beispiele eines Schaltelements zur Verwendung für jede Steuerphase (die U-Phase, die V-Phase, die W-Phase oder die X-Phase) des FC-Wandlers 10 umfassen Dioden wie beispielsweise eine Schottky-Diode, eine Schottky-PIN-Diode und eine Schottky-MOS-Barrierediode; Stromsteuertransistoren wie beispielsweise Bipolartransistoren (BJT) und Darlingtonschaltungen; Thyristoren wie beispielsweise herkömmliche Thyristoren und GTO-Thyristoren (gate turn off thyristor); und Spannungssteuerungstransistoren wie beispielsweise MOSFETs (MOS-Feldeffekttransistoren), Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und IEGTs (injection-enhanced insulated gate transistor bzw. injection-enhanced gate transistor). Von diesen Typen werden die Thyristoren und Spannungssteuerungstransistoren bevorzugt.
Die Batterie 3 ist parallel mit der Brennstoffzelle 2 am Traktionsmotor 5 angeschlossen und führt eine Funktion zum Sammeln überschüssiger Leistung oder regenerativer Leistung während des regenerativen Bremsens aus, sowie eine Funktion als Energiepuffer während Lastschwankungen, die mit der Beschleunigung oder der Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs einhergehen. Als Batterie 3 ist es möglich, eine Sekundärzelle wie beispielsweise eine Nickel/Kadmium-Speicherbatterie, eine Nickel/Wasserstoff-Speicherbatterie oder eine Lithium-Sekundärzelle zu verwenden.
Der Batteriewandler 6 führt eine Funktion zum Steuern einer Eingangsspannung des Inverters 4 aus und es ist möglich, beispielsweise einen Batteriewandler mit einem Schaltungsaufbau zu verwenden, der ähnlich dem des FC-Wandlers 10 ist. Als Batteriewandler 6 kann ein Spannungserhöhungswandler verwendet werden, wobei statt diesem Wandler auch ein Spannungserhöhungs/-absenkwandler verwendet werden kann, der eine Spannungserhöhungsoperation und eine Spannungsabsenkoperation ausführen kann, wobei jedweder Aufbau, der die Eingangsspannung des Inverters 4 steuern kann, zur Anwendung kommen kann.
Als Inverter 4 kann beispielsweise ein PWM-Inverter, der durch ein Pulsweiten-Modulationssystem angesteuert wird, verwendet werden, wobei der Inverter eine Gleichstromleistung, die von Brennstoffzelle 2 oder der Batterie 3 zugeführt wird, in eine Drei-Phasen-Wechselstromleistung entsprechend einem Steuerbefehl vom Kontroller 7 wandelt, um ein Drehmoment des Traktionsmotors 5 zu steuern.
Der Traktionsmotor 5 erzeugt das Drehmoment, das die Leistung des Brennstoffzellenfahrzeugs darstellt, und erzeugt zudem regenerative Leistung während der Verzögerung. Das Drehmoment des Traktionsmotors 5 wird durch eine Verzögerungsvorrichtung 8 auf eine vorgegebene Drehzahl gesenkt und dann über eine Welle 8a auf Räder 9 übertragen. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden hierbei zudem alle Vorrichtungen (inklusive des Traktionsmotors 5 und der Verzögerungsvorrichtung 8), welche die von der Brennstoffzelle 2 zugeführte Leistung für deren Betrieb erhalten, allgemein als Last bzw. Lastvorrichtung bezeichnet.
Der Kontroller 7 ist ein Computersystem zum integralen Steuern des Brennstoffzellensystems 1 und umfasst beispielsweise eine CPU, ein RAM, ein ROM und dergleichen. Der Kontroller 7 erfasst Eingänge von Signalen (z. B. ein Signal, das einen Gaspedalöffnungsgrad anzeigt, ein Signal, das eine Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigt, ein Signal, das den Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 anzeigt, etc.), die von verschiedenen Sensoren ausgegeben werden, um die Last (die benötigte Leistung) der Lastvorrichtung zu berechnen.
Die Last bzw. Belastung der Lastvorrichtung ist beispielsweise ein Gesamtwert der Fahrzeugfahrleistung und einer Hilfsaggregatsleistung. Die Hilfsaggregatsleistung umfasst eine Leistung, die durch fahrzeugmontierte Hilfsvorrichtungen (Luftverdichter, Wasserstoffpumpe, Kühlwasserzirkulationspumpe, etc.) verbraucht wird, eine Leistung, die durch Vorrichtungen (Getriebe, Radsteuervorrichtung, Lenkvorrichtung, Aufhängung, etc.) verbraucht wird, welche für das Fahren des Fahrzeugs notwendig sind, eine Leistung, die durch Vorrichtungen verbraucht wird, die in der Fahrgastzelle angeordnet sind (Klimaanlage, Beleuchtung, Audiosysteme, etc.), und dergleichen.
Darüber hinaus bestimmt der Kontroller 7 eine Verteilung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 2 und der Batterie 3 und berechnet einen Stromerzeugungsbefehlswert bzw. -sollwert. Beim Berechnen der benötigten Leistungen der Brennstoffzelle 2 und der Batterie 3 steuert der Kontroller 7 den Betrieb des FC-Wandlers 10 und des Batteriewandlers 6, um die benötigten Leistungen zu erhalten. Das bedeutet, der Kontroller 7 erfüllt die Funktion eines Steuermittels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend wir die Funktion des Kontrollers 7 des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf 2 und dergleichen beschrieben.
Wie in 3 gezeigt ist, berechnet ein Kontroller für die FC-Wandler-Steuerung gemäß dem Stand der Technik einen Feedback-Ausdruck D_FB, der in einem Betriebsollwert enthalten ist, auf Basis einer Abweichung eines Messwerts (ein gemessener Spannungswert V_MES oder ein gemessener Stromwert I_MES) von einem Sollwert (ein Spannungssollwert V_REF oder ein Stromsollwert I_REF) einer physikalischen Größe, die den FC-Wandler betrifft, und berechnet einen Feedforward-Ausdruck unter Verwendung des gemessenen Werts (dem gemessenen Spannungswert V_MES oder dem gemessenen Stromwert I_MES) der physikalischen Größe, die den FC-Wandler betrifft. Dann addiert der Kontroller den berechneten Feedback-Ausdruck D_FB und den Feedforward-Ausdruck D_FF, um den Betriebsollwert D zu berechnen, und steuert den Betrieb des FC-Wandlers 10 auf Basis dieses Betriebssollwerts D.
Im Gegensatz dazu berechnet, wie in 2 gezeigt ist, der Kontroller 7 der vorliegenden Ausführungsform einen Feedforward-Ausdruck D_FF, der in dem Betriebsollwert enthalten ist, unter Verwendung eines Sollwerts (eines Spannungssollwerts V_REF oder eines Stromsollwerts I_REF) einer den FC-Wandler 10 betreffenden physikalischen Größe. Der Kontroller addiert diesen Feedforward-Ausdruck D_FF zu einem separat berechneten Feedback-Ausdruck D_FB, um einen Betriebssollwert D zu berechnen, und steuert einen Betrieb des FC-Wandlers 10 auf Basis dieses Betriebssollwerts D.
Der Kontroller 7 der vorliegenden Ausführungsform schaltet ein Berechnungsverfahren des Feedforward-Ausdrucks D_FF entsprechend der Last (der benötigten Leistung) der Lastvorrichtung. Nachfolgend wird das Berechnungsverfahren des Feedforward-Ausdrucks D_FF für einen Bereich hoher Last und einen Bereich niedriger Last beschrieben.
<Bereich hoher Last>
Zunächst wird das Berechnungsverfahren für den Feedforward-Ausdruck D_FF im Bereich hoher Last (einem Betriebsbereich, in welchem die benötigte Leistung höher ist als ein vorgegebener Grenzwert) beschrieben.
Wenn der Kontroller 7 die Belastung (die benötigte Leistung) der Lastvorrichtung überwacht und bestimmt, dass die Last den vorbestimmten Grenzwert übersteigt, sendet der Kontroller ein Schaltsignal Ss zum Berechnen des Feedforward-Ausdrucks D_FF für den hohen Lastbereich. Dann berechnet der Kontroller 7 den Feedforward-Ausdruck D_FF gemäß einer Gleichung „D_FF= 1-V_{REF_L}/V_{REF_H}“, wobei V_{REF_L} ein Eingangsspannungssollwert des FC-Wandlers 10 ist und V_{REF_H} ein Ausgangsspannungssollwert des FC-Wandlers 10 ist. Es sei angemerkt, dass, in 2, ein Funktionsblock, in welchem der Eingangsspannungssollwert V_{REF_L} und der Ausgangsspannungssollwert V_{REF_H} des FC-Wandlers 10 Eingaben sind und der Feedforward-Ausdruck D_FF eine Ausgabe ist, durch „G_{FF_H}“ dargestellt ist.
In diesem Fall berechnet der Kontroller 7 der vorliegenden Ausführungsform den Eingangsspannungssollwert V_{REF_L} des FC-Wandlers 10 auf Basis der Strom-Spannungs-Eigenschaften (I-V-Eigenschaften) der Brennstoffzelle 2 und des Eingangsstromsollwerts I_REF des FC-Wandlers 10. Zudem ist es auch möglich, den Eingangsspannungssollwert V_{REF_L} des FC-Wandlers 10 auf Basis der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle 2, der Strom-Leistungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle 2 und eines Leistungssollwerts P_REF der Brennstoffzelle 2 zu berechnen. Überdies kann der Eingangsspannungssollwert V_{REF_L} des FC-Wandlers 10 auf Basis der Strom-Spannungs-Eigenschaften Brennstoffzelle 2, der Verlusteigenschaften des FC-Wandlers 10 und eines Ausgangsspannungssollwerts des FC-Wandlers 10 berechnet werden.
Darüber hinaus korrigiert der Kontroller 7 der vorliegenden Ausführungsform die Phaseneigenschaften der Soll- bzw. Befehlswerte (des Eingangsstromssollwerts I_REF, des Eingangsspannungssollwerts V_{REF_L} und des Ausgangsspannungssollwerts V_{REF_H}) zur Verwendung bei der Berechnung des Feedforward-Ausdrucks D_FF im Bereich hoher Last unter Verwendung einer Übertragungsfunktion G_CR, die durch eine durchgezogenen Linie in 2 dargestellt ist. Es sei angemerkt, dass anstelle der Korrektur der Phaseneigenschaften der verschiedenen Sollwerte es auch möglich ist, die Phaseneigenschaften des berechneten Feedforward-Ausdrucks D_FF unter Verwendung einer Übertragungsfunktion G_CR, die durch eine gestrichelte Linie in 2 gezeigt ist, zu korrigieren. Als Übertragungsfunktion G_CR zur Korrektur der Phaseneigenschaften der Sollwerte und des Feedforward-Ausdrucks kann eine sekundäre Übertragungsfunktion verwendet werden.
<Bereicht niedriger Last>
Nachfolgend wird das Berechnungsverfahren des Feedforward-Ausdrucks D_FF im Bereich niedriger Last (einem Betriebsbereich, in welchem die benötigte Leistung nicht größer ist als der vorbestimmte Grenzwert) beschrieben.
Wenn der Kontroller 7 die Last (die benötigte Leistung) der Lastvorrichtung überwacht und bestimmt, dass die Last nicht größer ist als der vorgegebene Grenzwert, sendet der Kontroller ein Schaltsignal Ss zum Berechnen des Feedforward-Ausdrucks D_FF für den Bereich niedriger Last aus. Dann berechnet der Kontroller 7 den Feedforward-Ausdruck D_FF gemäß der folgenden Gleichung. $D_{FF} = \sqrt{2 Lf} \times \sqrt{\frac{V_{MES_H} - V_{MES_L}}{V_{MES_H} \times V_{MES_L}}} \times \sqrt{I_{REF}}$
In dieser Gleichung ist L ein induktiver Widerstand einer Spule im FC-Wandler 10, f eine Betriebsfrequenz des FC-Wandlers 10, V_{MES_H} der gemessene Wert der Ausgangsspannung des FC-Wandlers 10, V_{MES_L} der gemessene Wert des Eingangsspannung des FC-Wandlers 10 und I_REF der Eingangsstromsollwert des FC-Wandlers 10. Es sei angemerkt, dass, in 2, ein Funktionsblock, in welchem ein Eingangsstromsollwert I_{REF_L} des FC-Wandlers 10 und dergleichen als Eingabe dargestellt ist, und der Feedforward-Ausdruck D_FF als Ausgabe dargestellt ist, durch „G_{FF_L}“ dargestellt ist.
Darüber hinaus korrigiert der Kontroller 7 die Phaseneigenschaften des Stromsollwerts I_REF zur Verwendung in der Berechnung des Feedforward-Ausdrucks D_FF im Bereich niedriger Last unter Verwendung einer Übertragungsfunktion G_CR, die durch eine durchgezogene Linie in 2 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass, anstelle der Korrektur der Phaseneigenschaften des Stromsollwerts I_REF, es auch möglich ist, die Phaseneigenschaften des berechneten Feedforward-Ausdrucks D_FF unter Verwendung der Übertragungsfunktion G_CR, die durch die gestrichelte Linie in 2 gezeigt ist, zu korrigieren. Als Übertragungsfunktion G_CR zur Korrektur der Phaseneigenschaften des Sollwerts und des Feedforward-Ausdrucks D_FF kann eine sekundäre Übertragungsfunktion verwendet werden.
Bei dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorstehend genannten Ausführungsform kann, im Bereich hoher Last, der Feedforward-Ausdruck D_FF, der im Betriebssollwert D für die Wandlersteuerung enthalten ist, unter Verwendung des Sollwerts (dem Spannungssollwert V_REF oder dem Stromsollwert I_REF) der den FC-Wandler 10 betreffenden physikalischen Größe berechnet werden. Daher kann, verglichen mit einem Fall, wo der Feedforward-Ausdruck auf Basis des gemessenen Werts berechnet wird, ein Antwortverhalten des FC-Wandlers 10 im Bereich hoher Last verbessert werden. Folglich kann eine Last des Feedback-Ausdrucks D_FB, der in dem Betriebssollwert D enthalten ist, verringert werden, wodurch die Stabilität der Wandlersteuerung im Bereich hoher Last erzielt werden kann. Zudem kann ein schnelleres Antwortverhalten einer Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 2 auf die geforderte Leistung erreicht werden, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Überentladung der Batterie 3 verringert werden kann.
Darüber hinaus wird, beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorstehend genannten Ausführungsform, im Bereich niedriger Last der Feedforward-Ausdruck D_FF durch ein Berechnungsverfahren berechnet, das sich von dem im Bereich hoher Last unterscheidet. Daher kann der Feedforward-Ausdruck D_FF unter Berücksichtigung des Antwortverhaltens des FC-Wandlers 10 im Bereich niedriger Last, das sich von dem im Bereich hoher Last unterscheidet, genau berechnet werden.
Darüber hinaus werden, bei dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorstehend genannten Ausführungsform, die Phaseneigenschaften des Sollwerts (des Stromsollwerts I_REF oder des Spannungssollwerts V_REF) zur Verwendung bei der Berechnung des Feedforward-Ausdrucks D_FF korrigiert, so dass das Antwortverhalten weiter verbessert werden kann.
Es sei angemerkt, dass bei der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel beschrieben wurde, bei welchem der Feedforward-Ausdruck D_FF gemäß der Gleichung „D_FF= 1-V_{REF_L}/V_{REF_H}“ im Bereich hoher Last berechnet wurde, wobei das Berechnungsverfahren für den Feedforward-Ausdruck D_FF nicht auf dieses Verfahren beschränkt ist. Es ist beispielsweise auch möglich, den Feedforward-Ausdruck D_FF gemäß „D_FF= 1-V_{REF_L}/V_{MES_H}“ zu berechnen, wobei V_{MES_H} ein Messwert der Ausgangsspannung des FC-Wandlers 10 ist.
Selbst wenn die vorstehend genannte Gleichung verwendet wird, kann der Eingangsspannungsbefehl V_{REF_L} des FC-Wandlers 10 auf Basis der Strom-Spannungs-Eigenschaften (I-V-Eigenschaften) der Brennstoffzelle 2 und des Eingangsstromsollwerts I_REF des FC-Wandlers 10 berechnet werden. Zudem ist es möglich, den Eingangsspannungssollwert V_{REF_L} des FC-Wandlers 10 auf Basis der -Spannungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle 2, der Strom-Leistungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle 2 und des Stromleistungssollwerts P_REF der Brennstoffzelle 2 zu berechnen, und es ist ferner möglich, den Eingangsspannungssollwert V_{REF_L} des FC-Wandlers 10 auf Basis der -Spannungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle 2, der Verlusteigenschaften des FC-Wandlers 10 und des Ausgangsstromsollwerts des FC-Wandlers 10 zu berechnen.
Darüber hinaus wurde bei der vorstehenden Ausführungsform ein Beispiel beschrieben, bei welchem das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert ist, wobei das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung an verschiedenen anderen mobilen Körpern (einem Roboter, einem Schiff, einem Flugzeug, etc.) als dem Brennstoffzellenfahrzeug montiert sein kann. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung als stationäres Stromerzeugungssystem zur Verwendung als Stromerzeugungseinrichtung für ein Gebäude (ein Haus, ein Bauwerk oder dergleichen) verwendet werden. Überdies ist es auch möglich, die vorliegende Erfindung für tragbare Brennstoffzellensysteme zu verwenden.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Brennstoffzellensystem,
2: Brennstoffzelle,
5: Traktionsmotor (Last),
7: Kontroller (Steuermittel), und
10: FC-Wandler

Claims

Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das einen Wandler, der zwischen einer Brennstoffzelle und einer Last angeordnet ist, und ein Steuermittel zum Steuern eines Betriebs des Wandlers auf Basis eines Betriebssollwerts mit einem Feedforward-Ausdruck aufweist, wobei das Steuermittel den Feedforward-Ausdruck unter Verwendung eines Sollwerts einer den Wandler betreffenden physikalischen Größe berechnet, in einem Betriebsbereich, in welchem eine von der Last geforderte Leistung höher ist, als ein vorbestimmter Grenzwert, und wobei das Steuermittel den Feedforward-Ausdruck auf Basis eines Eingangsspannungssollwerts des Wandlers und eines Ausgangsspannungssollwerts des Wandlers berechnet.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel den Feedforward-Ausdruck D_FF gemäß der folgenden Gleichung berechnet: $D_{FF} = 1 - V_{REF_L} {/V}_{REF_H},$
wobei V_{REF_L} der Eingangsspannungssollwert des Wandlers ist und V_{REF_H} der Ausgangsspannungssollwert des Wandlers ist.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel den Feedforward-Ausdruck D_FF gemäß der folgenden Gleichung berechnet: $D_{FF} = 1 - V_{REF_L} {/V}_{MES_H},$
wobei V_{REF_L} der Eingangsspannungssollwert des Wandlers ist und V_{MES_H} ein gemessener Wert der Ausgangsspannung des Wandlers ist.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Steuermittel den Eingangsspannungssollwert des Wandlers auf Basis der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle und eines Eingangsstromsollwerts des Wandlers berechnet.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Steuermittel den Eingangsspannungssollwert des Wandlers auf Basis der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle, der Strom-Leistungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle und eines Leistungssollwerts der Brennstoffzelle berechnet.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Steuermittel den Eingangsspannungssollwert des Wandlers auf Basis der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Brennstoffzelle, der Verlusteigenschaften des Wandlers und eines Ausgangsstromsollwerts des Wandlers berechnet.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Steuermittel die Phaseneigenschaften der Sollwerte zur Verwendung für die Berechnung des Feedforward-Ausdrucks korrigiert.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Steuermittel die Phaseneigenschaften des berechneten Feedforward-Ausdrucks korrigiert.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Steuermittel den Feedforward-Ausdruck D_FF gemäß der folgenden Gleichung in einem Betriebsbereich berechnet, in welchem die von der Last geforderte Leistung nicht höher ist, als der vorbestimmte Grenzwert: $D_{FF} = \sqrt{2 Lf} \times \sqrt{\frac{V_{MES_H} - V_{MES_L}}{V_{MES_H} \times V_{MES_L}}} \times \sqrt{I_{REF}}$
wobei L ein induktiver Widerstand einer Spule des Wandlers ist, f eine Betriebsfrequenz des Wandlers ist, V_{MES_H} der gemessene Wert der Ausgangsspannung des Wandlers ist, V_{MES_L} ein gemessener Wert der Eingangsspannung des Wandlers ist, und I_REF der Eingangsstromsollwert des Wandlers ist.