JP2004355890A - 燃料電池の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】空気の圧力を制御する圧力制御系の応答性を損なうことなく、空気の流量を制御する空気制御系のオーバーシュート量を低減することを課題とする。
【解決手段】水素ガスと酸化ガスの供給により電力を発電する燃料電池を制御する燃料電池の制御装置において、空気を燃料電池のカソード１７側に供給するコンプレッサ１６と、目標空気流量に従ってコンプレッサ１６の目標コンプレッサ回転数を算出するＦＦ＿Ｑ部２１と、カソード１７の空気圧力を制御するカソード調圧弁１８と、目標カソード圧力に従ってカソード調圧弁１８の目標バルブ開度を制御するＦＦ＿Ｐ部２２と、目標カソード圧力とカソード圧力との偏差を算出し、算出された偏差に基づいてコンプレッサ回転数の応答を補正するためのコンプレッサ回転数応答補正量を算出するコンプレッサ回転数応答補正量算出部２６とを備えて構成される。
【選択図】 図１
【解決手段】水素ガスと酸化ガスの供給により電力を発電する燃料電池を制御する燃料電池の制御装置において、空気を燃料電池のカソード１７側に供給するコンプレッサ１６と、目標空気流量に従ってコンプレッサ１６の目標コンプレッサ回転数を算出するＦＦ＿Ｑ部２１と、カソード１７の空気圧力を制御するカソード調圧弁１８と、目標カソード圧力に従ってカソード調圧弁１８の目標バルブ開度を制御するＦＦ＿Ｐ部２２と、目標カソード圧力とカソード圧力との偏差を算出し、算出された偏差に基づいてコンプレッサ回転数の応答を補正するためのコンプレッサ回転数応答補正量を算出するコンプレッサ回転数応答補正量算出部２６とを備えて構成される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給される空気の流量と圧力を制御する燃料電池の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池車両では一般に、燃料電池のカソード極における空気の流量を制御する空気制御系を構成する装置としてコンプレッサが用いられ、カソード極の圧力を制御する圧力制御系を構成する装置として圧力制御バルブが用いられていた。このような空気供給制御系と圧力制御系は、それぞれ独立して目的に応じて制御を行っていた。この種の従来技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１、又は特許文献２参照）。
【０００３】
このように、それぞれ独立して制御を行っている空気制御系と圧力制御系を有する燃料電池車両では、カソード極の空気圧力の応答性を向上させるために、空気の圧力制御を行う際でも、コンプレッサの回転数の制御量を操作することにより圧力の応答性を向上させることが考えられる。また、同様にカソード極の空気流量の応答性を向上させるために、空気の流量制御を行う際でも、圧力制御バルブの開度の制御量を操作することにより空気流量の応答性を向上させることが考えられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３４５１１２号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平８−０４５５２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術において、カソード極の目標空気流量に対して実空気流量は高応答性を実現しているが、目標空気流量に対して実空気流量がオーバーシュートする場合があった。実空気流量が目標空気流量に対してオーバーシュートしてしまうと、空気流量の急激な変化により燃料電池に多大な負担がかかっていた。さらに、空気流量を制御するコンプレッサは、過渡的に高回転状態となるため、高回転するコンプレッサの駆動モータの騒音が乗員にとって耳障りなものとなっていた。そのため、コンプレッサの駆動モータによるオーバーシュート音を低減させることが求められていた。
【０００７】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、空気の圧力を制御する圧力制御系の応答性を損なうことなく、空気の流量を制御する空気制御系のオーバーシュート量を低減した燃料電池の制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、水素ガスと酸化ガスの供給により電力を発電する燃料電池を制御する燃料電池の制御装置において、空気を前記燃料電池の空気極（以下、カソードと記す）側に供給する空気供給手段と、目標空気流量に従って前記空気供給手段の目標コンプレッサ回転数を算出する空気供給制御手段と、前記カソードの空気圧力を制御するカソード圧力制御手段と、目標カソード圧力に従って前記カソード圧力制御手段の目標バルブ開度を制御する開度制御手段と、目標カソード圧力とカソード圧力との偏差を算出する偏差算出手段と、前記偏差算出手段で算出された偏差に基づいてコンプレッサ回転数の応答を補正するためのコンプレッサ回転数応答補正量を算出するコンプレッサ回転数応答補正量算出手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、目標カソード圧力と実カソード圧力との偏差に基づいて、コンプレッサ回転数の応答を補正するようにしたので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量を操作することが可能となり、オーバーシュート量を低減させることができ、かつ圧力の応答性も極端に遅くさせることなく応答性を維持することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池車両の制御装置の構成を示す図である。
【００１２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを、電解質を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。この燃料電池を車両の駆動源として利用する車両が燃料電池車両である。すなわち、圧縮水素ボンベ、液体水素タンク、水素吸蔵合金などの水素貯蔵装置を車両に搭載し、水素貯蔵装置から供給される水素と酸素を含む大気を燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出された電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという車両である。
【００１３】
燃料電池車両では、燃料電池の発電量は基本的にドライバが要求する駆動力に応じて決定される。駆動力はアクセルやシフトの操作や車速等によって時々刻々演算されるので、燃料電池の発電量もそれに応じて変化する。燃料電池は上述したように、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて電気エネルギを取り出すものであるので、燃料電池へのガス供給量を発電量にしたがって変化させるのが効率的である。
【００１４】
図１において、この第１の実施形態の燃料電池車両の制御装置は、燃料の水素を貯蔵する燃料タンク１１、アノード極１４に供給される水素の圧力を調整するアノード調圧弁１２、エゼクタ１３、アノード極１４とカソード極１７を備えた燃料電池と、水素パージ弁１５、カソード極１７に空気を供給するコンプレッサ１６、カソード極１７の空気の圧力を調整するカソード調圧弁１８、アノード調圧弁１２、コンプレッサ１６ならびにカソード調圧弁１８を制御する制御器１９を備えて構成されている。
【００１５】
カソード（空気）極１４ならびにアノード（水素）極１７を備えた燃料電池には、図示しない加湿器により加湿された空気、水素が供給される。空気は、大気からコンプレッサ１６で加圧され、図示しない空気加湿器で図示しない純水で加湿された後、燃料電池のカソード極１７へ供給される。燃料電池で未使用の空気は、カソード調圧弁１８から大気へ排出される。燃料電池のカソード極１７へ供給される空気の流量と圧力は、コンプレッサ１６の回転数およびカソード調圧弁１８の開度により制御される。
【００１６】
コンプレッサ１６は、図示しないモータにより駆動される。制御器１９は、コンプレッサを駆動するモータの回転数を参照して、モータが目標の回転数となるようにモータを制御する。また水素は、高圧で水素が充填された燃料タンク１１からアノード調圧弁１２、ならびにエゼクタ１３を経由して、図示しない水素加湿器で図示しない純水で加湿された後、燃料電池のアノード極１４に供給される。燃料電池で未使用の水素は、エゼクタ１３によって燃料電池のアノード極１４へ循環される。
【００１７】
燃料電池のアノード極１４に供給される水素の圧力は、アノード調圧弁１２の開度で制御される。燃料電池のアノード極１４に供給される水素の圧力が目標の圧力となるように、アノード調圧弁１２は制御器１９で制御される。
【００１８】
水素パージ弁１５は、燃料電池の状態に応じて開閉することにより、燃料電池内部の水つまりや、カソード極１７からアノード極１４への空気のリークによる出力低下および効率低下を防止するために使用される。
【００１９】
図２は図１に示す制御器１９における制御系の構成を示すブロック図である。
【００２０】
図２において、制御器１９の制御系は、目標空気量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒを入力して目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを出力するＦＦ＿Ｑ部２１、目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃを入力して目標バルブ開度Ｔ−Ｖａｌ＿Ｏｐｅｎを出力するＦＦ＿Ｐ部２２、目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖとコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖとを加算して最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌを出力する加算部２３、最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌを入力して実流量Ｑ＿ａを出力するＰｌａｎｔ＿Ｑ部２４、目標バルブ開度Ｔ−Ｖａｌ＿Ｏｐｅｎを入力して実圧力Ｐ＿ｃを出力するＰｌａｎｔ＿Ｐ部２５、ならびに目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃと実圧力Ｐ＿ｃを入力してコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを演算して出力するコンプレッサ回転数応答補正量算出部２６を備えて構成されている。
【００２１】
目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒは、図示しないドライバのトルク要求などから決定され、目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒに基づいてＦＦ＿Ｑ部２１で目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを算出する。ＦＦ＿Ｑ部２１では、例えばあらかじめ設定された図示しないマップによって一意に決定することができる。
【００２２】
コンプレッサ回転数応答補正量算出部２６では、実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃに基づいてコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを算出する。コンプレッサ回転数応答補正量算出部２６では、実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃの偏差を算出し、その偏差量に対して、例えば下記のようなダイナミクスＧ（ｓ）を付加する。
【００２３】
【数１】
従ってコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖは、次式により算出される。
【００２４】
【数２】
上記（１）式のＧ（ｓ）のＴを変化させることで、コンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを操作する。Ｇ（ｓ）におけるＴの変化は、例えば図３に示すように、実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃの偏差量が大きければ大きいほど、Ｇ（ｓ）のＴを長く（遅く）する。
【００２５】
コンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖと目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒを、加算部２３で加算することで、最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌを算出する。算出された最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌに従って、コンプレッサ１６を動作させることにより、空気流量とカソード圧力の応答時間の関係は、図４（ａ）に示す従来の空気流量応答時間、ならびに同図（ｂ）に示す従来のカソード圧力応答時間に比べて、図５（ａ）の空気流量応答時間ならびに同図（ｂ）のカソード圧力応答時間に示すようになる。これにより、コンプレッサ１６における空気流量のオーバーシュート量を低減することができる。
【００２６】
一方、上記（１）式のＧ（ｓ）のＴに対して、例えば図６に示すように制限を設ける。この制限値はカソード圧力応答の時定数よりも長く（遅く）ならないような値とする。上記カソード圧力応答の時定数は、目標カソード圧力に対するカソード側燃料電池出口の圧力の応答性を算出したものである。圧力の応答性を算出するためには、カソード側燃料電池出口に圧力センサを取り付け、目標カソード圧力を入力とし、カソード側燃料電池出口の圧力を出力として、システム同定を行いカソード圧力応答の特性を算出する。
【００２７】
上記燃料電池のシステム同定の結果を、本実施形態では例えば下記の式（３）として表す。
【００２８】
【数３】
（Ｓはラプラス演算子とする。）
上式（３）は算出結果の最も簡単な結果である。なお、システム同定の結果の精度を高めたければ、上式（３）の次数（ｓ）を高めることも考えられる。
【００２９】
次に、この第１の実施形態における演算順序の手順を、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３０】
図７において、ステップＳ７０では、目標カソード圧力を算出し、ステップＳ７１では、実カソード圧力を検出する。なお、ステップＳ７０とステップＳ７１の実行順序はどちらを先におこなってもよい。
【００３１】
ステップＳ７０、Ｓ７１が実行された後、ステップＳ７２では、時定数を算出する。その後、ステップＳ７３では、コンプレッサ回転数応答補正量を算出する。次に、ステップＳ７４では目標空気流量を算出し、続いてステップＳ７５では目標コンプレッサ回転数を算出する。なお、ステップＳ７０〜Ｓ７３とステップＳ７４〜Ｓ７５の実行順序は何れを先に実行してもよい。ただし、ステップＳ７３とステップＳ７５の演算が終了した後、ステップＳ７６において目標コンプレッサ回転数とコンプレッサ回転数応答補正量を加算する。
【００３２】
その後、加算された最終目標コンプレッサ回転数に基づいて、ステップＳ７７では、コンプレッサ１６を駆動する。ステップＳ７８では、目標バルブ開度を算出し、ステップＳ７９では、算出された目標バルブ開度に基づいてカソード調圧弁１８を駆動する。なお、ステップＳ７８は、ステップＳ７０で目標カソード圧力が算出され、ステップＳ７７、Ｓ７９でアクチュエーターを駆動させる前に演算を終了しておく必要がある。
【００３３】
上記第１の実施形態においては、目標カソード圧力と実カソード圧力との偏差より、コンプレッサ回転数の応答を補正するようにしているので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量を操作することが可能となり、オーバーシュート量を低減させることができる。かつ、圧力の応答性も極端に遅くさせることなく応答性を維持することができる。
【００３４】
また、コンプレッサ回転数の応答を目標カソード圧力の変化幅が大きくなればなるほど、位相を遅くするようにしたので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量の位相を操作することが可能となり、オーバーシュート量を低減させることができる。かつ、圧力の応答性も極端に遅くさせることなく応答性を維持することできる。
【００３５】
さらに、コンプレッサ回転数応答補正量の位相操作量に対して、制限値を設けるようにしたので、位相のズレによるコンプレッサ回転数のハンチングや、制御系の発散を防ぐことができる。従って、コンプレッサ回転数をオーバーシュートさせることなく、かつ、圧力の応答性も極端に遅くさせることなく、制御系の安定性を保証することができる。
【００３６】
図８は本発明の第２の実施形態に係る制御器１９における制御系の構成を示すブロック図である。
【００３７】
図８において、制御器１９の制御系は、目標空気量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒを入力して目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを出力するＦＦ＿Ｑ部３１、目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃを入力して目標バルブ開度Ｔ−Ｖａｌ＿Ｏｐｅｎを出力するＦＦ＿Ｐ部３２、目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖとコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖとを加算して最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌを出力する加算部３３、最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌを入力して実流量Ｑ＿ａを出力するＰｌａｎｔ＿Ｑ部３４、目標バルブ開度Ｔ−Ｖａｌ＿Ｏｐｅｎを入力して実圧力Ｐ＿ｃを出力するＰｌａｎｔ＿Ｐ部３５、ならびに目標空気量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒ、目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃ、実流量Ｑ＿ａ及び実圧力Ｐ＿ｃを入力してコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを演算して出力するコンプレッサ回転数応答補正量算出部３６を備えて構成されている。
【００３８】
目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒは、図示しないドライバのトルク要求などから決定され、目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒに基づいてＦＦ＿Ｑ部３１で目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖが算出される。ＦＦ＿Ｑ部３１では、あらかじめ設定された図示しないマップによって一意に決定される。
【００３９】
実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃと目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒと実流量Ｑ＿ａとに基づいて、コンプレッサ回転数応答補正量算出部３６でコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖが算出される。コンプレッサ回転数応答補正量算出部３６では、実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃの偏差を算出し、算出した偏差量に対して、例えば下記のようなダイナミクスＧ（ｓ）を付加する。
【００４０】
【数４】
上式（４）によって算出される値によりコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖは、下式（５）によって算出される。
【００４１】
【数５】
実流量Ｑ＿ａと目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒの比較を行い、Ｑ＿ａ＞Ｔ−Ｑ＿ａｉｒであれば、最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌ＝目標コンプレッサ回転数Ｔ− ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＋コンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖとする。一方、上記以外であれば、最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌ＝目標コンプレッサ回転数Ｔ− ＣＯＭＰ＿ｒｅｖとする。これにより、最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌを算出する。
【００４２】
上記最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌに従って、コンプレッサを動作させることにより、空気流量とカソード圧力の応答時間の関係は、図４（ａ）に示す従来の空気流量応答時間、ならびに同図（ｂ）に示す従来のカソード圧力応答時間に比べて、図９（ａ）の空気流量応答時間ならびに同図（ｂ）のカソード圧力応答時間に示すようになる。これにより、コンプレッサ１６における空気流量のオーバーシュート量を低減することができる。
【００４３】
次に、この第２の実施形態における演算順序の手順を、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。
【００４４】
図１０において、ステップＳ１００では、目標カソード圧力を算出し、ステップＳ１０１では、実カソード圧力を検出し、ステップＳ１０２では、実空気流量を算出する。なお、ステップＳ１００〜Ｓ１０２の実行順序はいずれを先に実行してもよい。
【００４５】
次に、ステップＳ１０３では、目標空気流量を算出し、ステップＳ１０４では、目標コンプレッサ回転数を算出する。なお、ステップＳ１００〜Ｓ１０３とステップＳ１０４〜Ｓ１０５の実行順序は何れを先に実行してもよい。ただし、ステップＳ１０３とステップＳ１０４の演算が終了した後、目標コンプレッサ回転数とコンプレッサ回転数応答補正量をステップＳ１０６で加算する。
【００４６】
その後、算出された最終目標コンプレッサ回転数に基づいて、ステップＳ１０７でコンプレッサを駆動する。ステップＳ１０８では、目標バルブ開度を算出し、ステップＳ１０９でカソード調圧弁１８を駆動する。ステップＳ１０５は、ステップＳ１００で目標カソード圧力が算出された後、ステップＳ１０７、ステップＳ１０９でアクチュエーターを駆動させる前に演算を終了しておく必要がある。
【００４７】
上記第２の実施形態においては、実空気流量が目標空気流量を超えないようにコンプレッサ回転数応答補正量を算出するようにしたので、目標空気流量に対して実空気流量をオーバーシュートさせることなく、かつ、圧力の応答性も極端に遅くさせることなく、応答性を維持することができる。
【００４８】
図１１は本発明の第３の実施形態に係る制御器１９における制御系の構成を示すブロック図である。
【００４９】
図１１において、制御器１９の制御系は、目標空気量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒを入力して目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを出力するＦＦ＿Ｑ部３１、目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃを入力して目標バルブ開度Ｔ−Ｖａｌ＿Ｏｐｅｎを出力するＦＦ＿Ｐ部３２、実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃとの偏差に基づいてフィードバック制御量を出力するＦＢ＿Ｐ部４１、空気流量系がカソード圧力系に干渉する干渉関係を示すブロック４２を備えて構成されている。
【００５０】
ブロック４２は、目標コンプレッサ回転数が実空気流量に影響を及ぼすブロックＰ１１と、目標コンプレッサ回転数がカソード圧力に影響を及ぼすブロックＰ１２と、目標バルブ開度が実空気流量に影響を及ぼすブロックＰ２１と、目標バルブ開度がカソード圧力に影響を及ぼすブロックＰ２２を備えて構成されている。
【００５１】
目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒは、図示しないドライバのトルク要求などから決定され、目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒに基づいてＦＦ＿Ｑ部３１で目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを算出する。ＦＦ＿Ｑ部３１ではあらかじめ設定された図示しないマップによって一意に決定される。
【００５２】
目標圧力ＴＰｃに基づいてＦＦ＿Ｐ部３２で目標バルブ開度ＴＶＯを算出する。ＦＦ＿Ｐ部３２ではあらかじめ設定された図示しないマップによって一意に決定される。
【００５３】
実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃからその偏差を求め、その偏差に基づいて、ＦＢ＿Ｐ部４１でフィードバック制御量を算出する。算出されたフィードバック制御量はＦＦ＿Ｐ部３２で算出された目標バルブ開度ＴＶＯに加算される。フィードバック制御としては、例えばＰＩＤ制御等の制御器が組み込まれた制御系が考えられる。
【００５４】
上記ブロックＰ１１，ブロックＰ１２，ブロックＰ２１，ブロックＰ２２、ＦＦ＿Ｑ部３１、ＦＦ＿Ｐ部３２、ならびにＦＢ＿Ｐ部４１の関係は、下式（６）、（７）で示すように表される。
【００５５】
【数６】
上式（６）、（７）を実圧力Ｐｃについてまとめると、下式（８）に示すように表される。
【００５６】
【数７】
上式（８）を上式（６）に代入し、上式（６）、（７）に基づいて実空気量Ｑａｉｒについてまとめると下式（９）ならびに式（１０）、（１１）に示すように表される。
【００５７】
【数８】
上式（９）をブロック図で表すと、図１２に示すようになる。式（１１）に示すＧｐを、図１３に示すように、目標位相補償空気流量算出部５１で算出した目標位相補償空気流量から、目標カソード圧力に基づいて、圧力、流量を干渉させない制御量を算出する制御量算出部５２で算出された非干渉カソード圧力ｏ＿Ｉｎｔ＿ｃ＿ｐを減算することにより、カソード圧力系と空気供給系とを非干渉化することができる。
【００５８】
また、式（１０）に示すＧａを、図１３に示すように、目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒを入力とする目標位相補償空気流量算出部５１を追加して、その空気流量の目標値に対して位相を補償させる構成にしたので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量を設計の時点で任意に決定することができる。
【００５９】
目標位相補償空気流量算出部５１では、１／Ｇａ（式（１０））のダイナミクスを組み込むことにより、空気供給系のダイナミクスと位相の相殺を行い、下式（１２）によって位相を操作する。
【００６０】
【数９】
一方、目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒの値が大きければ大きいほど、図１４に示すように位相を遅らせる。これを時間応答で表すと図１５に示すようになる。図１５に示すように、位相を操作することにより、設計者が任意に応答性やオーバーシュート量を設定することができる。図１３に示す目標位相補償空気流量算出部５１で算出された目標位相補正空気量Ｔ＿ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿ｂを用いてコンプレッサ１６を動作させることにより、空気流量とカソード圧力の応答時間の関係は図１６に示すようになり、常にコンプレッサ１６のオーバーシュート量を低減することができる。
【００６１】
次に、この第３の実施形態における演算順序の手順を、図１７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００６２】
図１７において、ステップＳ１７００では、目標カソード圧力を算出し、ステップＳ１７０１では、非干渉カソード圧力を算出する。なお、ステップＳ１７００とステップＳ１７０１の実行順序は必ずステップＳ１７００で目標カソード圧力を算出した後、ステップＳ１７０１で非干渉カソード圧力を演算する。
【００６３】
続いて、ステップＳ１７０２では、目標空気流量を算出し、ステップＳ１７０３では、目標位相補償空気流量を算出する。なお、ステップＳ１７００〜Ｓ１７０１とステップＳ１７０２〜Ｓ１７０３の実行順序は、どちらを先に実行してもよい。ただし、ステップＳ１７０１とステップＳ１７０３の演算が終了した後、ステップＳ１７０４で最終目標コンプレッサ回転数を算出する。
【００６４】
その後、ステップＳ１７０５では、最終目標コンプレッサ回転数に基づいてコンプレッサ１６を駆動する。続いて、ステップＳ１７０６では、ステップＳ１７００で算出した目標カソード圧力に基づいて、カソード調圧弁１８を駆動する。したがって、ステップＳ１７０６は、ステップＳ１７００が終了した後、ステップＳ１７０４、ステップＳ１００５でアクチュエーターを駆動させる前に演算を終了しておく必要がある。
【００６５】
上記第３の実施形態においては、カソード極の圧力と空気流量の干渉を回避させることにより、空気流量のみを独立に制御できるようにし、その空気流量の目標値に対して位相を補償させるようにしたので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量を設計の時点で任意に決定させることができる。
【００６６】
また、カソード極の圧力と空気流量の干渉を回避させることにより、空気流量のみを独立に制御できるようにし、その空気流量の目標値の変化幅が大きくなればなるほど、位相を遅らせるようにし、位相に変化を与えるようにしたので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量を低減させることができ、かつ圧力応答性を損なうことなく実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の制御装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池の制御装置における制御系の構成を示す図である。
【図３】時定数と偏差との関係を示す図である。
【図４】空気流量とカソード圧力の従来の応答時間を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における、空気流量とカソード圧力の応答時間を示す図である。
【図６】時定数と偏差との関係を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における動作手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態における燃料電池の制御装置における制御系の構成を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態における、空気流量とカソード圧力の応答時間を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における動作手順を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第３の実施形態の燃料電池の制御装置における、空気流量系とカソード圧力系の干渉ブロックの構成を示す図である。
【図１２】第３の実施形態の燃料電池の制御装置における、空気流量系とカソード圧力系の干渉ブロックの構成を示す図である。
【図１３】空気流量系とカソード圧力系の非干渉化と位相補償のブロックを示す図である。
【図１４】目標空気流量と時定数との関係を示す図である。
【図１５】位相の操作量を示す図である。
【図１６】目標空気流量と実空気流量との関係を示す図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態における動作手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１…燃料タンク
１２…アノード調圧弁
１３…エゼクタ
１４…アノード極
１５…水素パージ弁
１６…コンプレッサ
１７…カソード極
１８…カソード調圧弁
１９…制御器
２１，３１…ＦＦ＿Ｑ部
２２，３２…ＦＦ＿Ｐ部
２３，３３…加算部
２４，３４…Ｐｌａｎｔ＿Ｑ部
２５，３５…Ｐｌａｎｔ＿Ｐ部
２６，３６…コンプレッサ回転数応答補正量算出部
４１…ＦＢ＿Ｐ部
４２，Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ２１，Ｐ２２…ブロック
５１…目標位相補償空気流量算出部
５２…制御量算出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給される空気の流量と圧力を制御する燃料電池の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池車両では一般に、燃料電池のカソード極における空気の流量を制御する空気制御系を構成する装置としてコンプレッサが用いられ、カソード極の圧力を制御する圧力制御系を構成する装置として圧力制御バルブが用いられていた。このような空気供給制御系と圧力制御系は、それぞれ独立して目的に応じて制御を行っていた。この種の従来技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１、又は特許文献２参照）。
【０００３】
このように、それぞれ独立して制御を行っている空気制御系と圧力制御系を有する燃料電池車両では、カソード極の空気圧力の応答性を向上させるために、空気の圧力制御を行う際でも、コンプレッサの回転数の制御量を操作することにより圧力の応答性を向上させることが考えられる。また、同様にカソード極の空気流量の応答性を向上させるために、空気の流量制御を行う際でも、圧力制御バルブの開度の制御量を操作することにより空気流量の応答性を向上させることが考えられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３４５１１２号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平８−０４５５２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術において、カソード極の目標空気流量に対して実空気流量は高応答性を実現しているが、目標空気流量に対して実空気流量がオーバーシュートする場合があった。実空気流量が目標空気流量に対してオーバーシュートしてしまうと、空気流量の急激な変化により燃料電池に多大な負担がかかっていた。さらに、空気流量を制御するコンプレッサは、過渡的に高回転状態となるため、高回転するコンプレッサの駆動モータの騒音が乗員にとって耳障りなものとなっていた。そのため、コンプレッサの駆動モータによるオーバーシュート音を低減させることが求められていた。
【０００７】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、空気の圧力を制御する圧力制御系の応答性を損なうことなく、空気の流量を制御する空気制御系のオーバーシュート量を低減した燃料電池の制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、水素ガスと酸化ガスの供給により電力を発電する燃料電池を制御する燃料電池の制御装置において、空気を前記燃料電池の空気極（以下、カソードと記す）側に供給する空気供給手段と、目標空気流量に従って前記空気供給手段の目標コンプレッサ回転数を算出する空気供給制御手段と、前記カソードの空気圧力を制御するカソード圧力制御手段と、目標カソード圧力に従って前記カソード圧力制御手段の目標バルブ開度を制御する開度制御手段と、目標カソード圧力とカソード圧力との偏差を算出する偏差算出手段と、前記偏差算出手段で算出された偏差に基づいてコンプレッサ回転数の応答を補正するためのコンプレッサ回転数応答補正量を算出するコンプレッサ回転数応答補正量算出手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、目標カソード圧力と実カソード圧力との偏差に基づいて、コンプレッサ回転数の応答を補正するようにしたので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量を操作することが可能となり、オーバーシュート量を低減させることができ、かつ圧力の応答性も極端に遅くさせることなく応答性を維持することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池車両の制御装置の構成を示す図である。
【００１２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを、電解質を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。この燃料電池を車両の駆動源として利用する車両が燃料電池車両である。すなわち、圧縮水素ボンベ、液体水素タンク、水素吸蔵合金などの水素貯蔵装置を車両に搭載し、水素貯蔵装置から供給される水素と酸素を含む大気を燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出された電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという車両である。
【００１３】
燃料電池車両では、燃料電池の発電量は基本的にドライバが要求する駆動力に応じて決定される。駆動力はアクセルやシフトの操作や車速等によって時々刻々演算されるので、燃料電池の発電量もそれに応じて変化する。燃料電池は上述したように、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて電気エネルギを取り出すものであるので、燃料電池へのガス供給量を発電量にしたがって変化させるのが効率的である。
【００１４】
図１において、この第１の実施形態の燃料電池車両の制御装置は、燃料の水素を貯蔵する燃料タンク１１、アノード極１４に供給される水素の圧力を調整するアノード調圧弁１２、エゼクタ１３、アノード極１４とカソード極１７を備えた燃料電池と、水素パージ弁１５、カソード極１７に空気を供給するコンプレッサ１６、カソード極１７の空気の圧力を調整するカソード調圧弁１８、アノード調圧弁１２、コンプレッサ１６ならびにカソード調圧弁１８を制御する制御器１９を備えて構成されている。
【００１５】
カソード（空気）極１４ならびにアノード（水素）極１７を備えた燃料電池には、図示しない加湿器により加湿された空気、水素が供給される。空気は、大気からコンプレッサ１６で加圧され、図示しない空気加湿器で図示しない純水で加湿された後、燃料電池のカソード極１７へ供給される。燃料電池で未使用の空気は、カソード調圧弁１８から大気へ排出される。燃料電池のカソード極１７へ供給される空気の流量と圧力は、コンプレッサ１６の回転数およびカソード調圧弁１８の開度により制御される。
【００１６】
コンプレッサ１６は、図示しないモータにより駆動される。制御器１９は、コンプレッサを駆動するモータの回転数を参照して、モータが目標の回転数となるようにモータを制御する。また水素は、高圧で水素が充填された燃料タンク１１からアノード調圧弁１２、ならびにエゼクタ１３を経由して、図示しない水素加湿器で図示しない純水で加湿された後、燃料電池のアノード極１４に供給される。燃料電池で未使用の水素は、エゼクタ１３によって燃料電池のアノード極１４へ循環される。
【００１７】
燃料電池のアノード極１４に供給される水素の圧力は、アノード調圧弁１２の開度で制御される。燃料電池のアノード極１４に供給される水素の圧力が目標の圧力となるように、アノード調圧弁１２は制御器１９で制御される。
【００１８】
水素パージ弁１５は、燃料電池の状態に応じて開閉することにより、燃料電池内部の水つまりや、カソード極１７からアノード極１４への空気のリークによる出力低下および効率低下を防止するために使用される。
【００１９】
図２は図１に示す制御器１９における制御系の構成を示すブロック図である。
【００２０】
図２において、制御器１９の制御系は、目標空気量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒを入力して目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを出力するＦＦ＿Ｑ部２１、目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃを入力して目標バルブ開度Ｔ−Ｖａｌ＿Ｏｐｅｎを出力するＦＦ＿Ｐ部２２、目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖとコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖとを加算して最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌを出力する加算部２３、最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌを入力して実流量Ｑ＿ａを出力するＰｌａｎｔ＿Ｑ部２４、目標バルブ開度Ｔ−Ｖａｌ＿Ｏｐｅｎを入力して実圧力Ｐ＿ｃを出力するＰｌａｎｔ＿Ｐ部２５、ならびに目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃと実圧力Ｐ＿ｃを入力してコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを演算して出力するコンプレッサ回転数応答補正量算出部２６を備えて構成されている。
【００２１】
目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒは、図示しないドライバのトルク要求などから決定され、目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒに基づいてＦＦ＿Ｑ部２１で目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを算出する。ＦＦ＿Ｑ部２１では、例えばあらかじめ設定された図示しないマップによって一意に決定することができる。
【００２２】
コンプレッサ回転数応答補正量算出部２６では、実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃに基づいてコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを算出する。コンプレッサ回転数応答補正量算出部２６では、実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃの偏差を算出し、その偏差量に対して、例えば下記のようなダイナミクスＧ（ｓ）を付加する。
【００２３】
【数１】
【００２４】
【数２】
【００２５】
コンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖと目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒを、加算部２３で加算することで、最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌを算出する。算出された最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌに従って、コンプレッサ１６を動作させることにより、空気流量とカソード圧力の応答時間の関係は、図４（ａ）に示す従来の空気流量応答時間、ならびに同図（ｂ）に示す従来のカソード圧力応答時間に比べて、図５（ａ）の空気流量応答時間ならびに同図（ｂ）のカソード圧力応答時間に示すようになる。これにより、コンプレッサ１６における空気流量のオーバーシュート量を低減することができる。
【００２６】
一方、上記（１）式のＧ（ｓ）のＴに対して、例えば図６に示すように制限を設ける。この制限値はカソード圧力応答の時定数よりも長く（遅く）ならないような値とする。上記カソード圧力応答の時定数は、目標カソード圧力に対するカソード側燃料電池出口の圧力の応答性を算出したものである。圧力の応答性を算出するためには、カソード側燃料電池出口に圧力センサを取り付け、目標カソード圧力を入力とし、カソード側燃料電池出口の圧力を出力として、システム同定を行いカソード圧力応答の特性を算出する。
【００２７】
上記燃料電池のシステム同定の結果を、本実施形態では例えば下記の式（３）として表す。
【００２８】
【数３】
上式（３）は算出結果の最も簡単な結果である。なお、システム同定の結果の精度を高めたければ、上式（３）の次数（ｓ）を高めることも考えられる。
【００２９】
次に、この第１の実施形態における演算順序の手順を、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３０】
図７において、ステップＳ７０では、目標カソード圧力を算出し、ステップＳ７１では、実カソード圧力を検出する。なお、ステップＳ７０とステップＳ７１の実行順序はどちらを先におこなってもよい。
【００３１】
ステップＳ７０、Ｓ７１が実行された後、ステップＳ７２では、時定数を算出する。その後、ステップＳ７３では、コンプレッサ回転数応答補正量を算出する。次に、ステップＳ７４では目標空気流量を算出し、続いてステップＳ７５では目標コンプレッサ回転数を算出する。なお、ステップＳ７０〜Ｓ７３とステップＳ７４〜Ｓ７５の実行順序は何れを先に実行してもよい。ただし、ステップＳ７３とステップＳ７５の演算が終了した後、ステップＳ７６において目標コンプレッサ回転数とコンプレッサ回転数応答補正量を加算する。
【００３２】
その後、加算された最終目標コンプレッサ回転数に基づいて、ステップＳ７７では、コンプレッサ１６を駆動する。ステップＳ７８では、目標バルブ開度を算出し、ステップＳ７９では、算出された目標バルブ開度に基づいてカソード調圧弁１８を駆動する。なお、ステップＳ７８は、ステップＳ７０で目標カソード圧力が算出され、ステップＳ７７、Ｓ７９でアクチュエーターを駆動させる前に演算を終了しておく必要がある。
【００３３】
上記第１の実施形態においては、目標カソード圧力と実カソード圧力との偏差より、コンプレッサ回転数の応答を補正するようにしているので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量を操作することが可能となり、オーバーシュート量を低減させることができる。かつ、圧力の応答性も極端に遅くさせることなく応答性を維持することができる。
【００３４】
また、コンプレッサ回転数の応答を目標カソード圧力の変化幅が大きくなればなるほど、位相を遅くするようにしたので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量の位相を操作することが可能となり、オーバーシュート量を低減させることができる。かつ、圧力の応答性も極端に遅くさせることなく応答性を維持することできる。
【００３５】
さらに、コンプレッサ回転数応答補正量の位相操作量に対して、制限値を設けるようにしたので、位相のズレによるコンプレッサ回転数のハンチングや、制御系の発散を防ぐことができる。従って、コンプレッサ回転数をオーバーシュートさせることなく、かつ、圧力の応答性も極端に遅くさせることなく、制御系の安定性を保証することができる。
【００３６】
図８は本発明の第２の実施形態に係る制御器１９における制御系の構成を示すブロック図である。
【００３７】
図８において、制御器１９の制御系は、目標空気量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒを入力して目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを出力するＦＦ＿Ｑ部３１、目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃを入力して目標バルブ開度Ｔ−Ｖａｌ＿Ｏｐｅｎを出力するＦＦ＿Ｐ部３２、目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖとコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖとを加算して最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌを出力する加算部３３、最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌを入力して実流量Ｑ＿ａを出力するＰｌａｎｔ＿Ｑ部３４、目標バルブ開度Ｔ−Ｖａｌ＿Ｏｐｅｎを入力して実圧力Ｐ＿ｃを出力するＰｌａｎｔ＿Ｐ部３５、ならびに目標空気量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒ、目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃ、実流量Ｑ＿ａ及び実圧力Ｐ＿ｃを入力してコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを演算して出力するコンプレッサ回転数応答補正量算出部３６を備えて構成されている。
【００３８】
目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒは、図示しないドライバのトルク要求などから決定され、目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒに基づいてＦＦ＿Ｑ部３１で目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖが算出される。ＦＦ＿Ｑ部３１では、あらかじめ設定された図示しないマップによって一意に決定される。
【００３９】
実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃと目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒと実流量Ｑ＿ａとに基づいて、コンプレッサ回転数応答補正量算出部３６でコンプレッサ回転数応答補正量ＣＯＭＰ＿ｒｅｖが算出される。コンプレッサ回転数応答補正量算出部３６では、実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃの偏差を算出し、算出した偏差量に対して、例えば下記のようなダイナミクスＧ（ｓ）を付加する。
【００４０】
【数４】
【００４１】
【数５】
【００４２】
上記最終目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖ＿Ｌに従って、コンプレッサを動作させることにより、空気流量とカソード圧力の応答時間の関係は、図４（ａ）に示す従来の空気流量応答時間、ならびに同図（ｂ）に示す従来のカソード圧力応答時間に比べて、図９（ａ）の空気流量応答時間ならびに同図（ｂ）のカソード圧力応答時間に示すようになる。これにより、コンプレッサ１６における空気流量のオーバーシュート量を低減することができる。
【００４３】
次に、この第２の実施形態における演算順序の手順を、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。
【００４４】
図１０において、ステップＳ１００では、目標カソード圧力を算出し、ステップＳ１０１では、実カソード圧力を検出し、ステップＳ１０２では、実空気流量を算出する。なお、ステップＳ１００〜Ｓ１０２の実行順序はいずれを先に実行してもよい。
【００４５】
次に、ステップＳ１０３では、目標空気流量を算出し、ステップＳ１０４では、目標コンプレッサ回転数を算出する。なお、ステップＳ１００〜Ｓ１０３とステップＳ１０４〜Ｓ１０５の実行順序は何れを先に実行してもよい。ただし、ステップＳ１０３とステップＳ１０４の演算が終了した後、目標コンプレッサ回転数とコンプレッサ回転数応答補正量をステップＳ１０６で加算する。
【００４６】
その後、算出された最終目標コンプレッサ回転数に基づいて、ステップＳ１０７でコンプレッサを駆動する。ステップＳ１０８では、目標バルブ開度を算出し、ステップＳ１０９でカソード調圧弁１８を駆動する。ステップＳ１０５は、ステップＳ１００で目標カソード圧力が算出された後、ステップＳ１０７、ステップＳ１０９でアクチュエーターを駆動させる前に演算を終了しておく必要がある。
【００４７】
上記第２の実施形態においては、実空気流量が目標空気流量を超えないようにコンプレッサ回転数応答補正量を算出するようにしたので、目標空気流量に対して実空気流量をオーバーシュートさせることなく、かつ、圧力の応答性も極端に遅くさせることなく、応答性を維持することができる。
【００４８】
図１１は本発明の第３の実施形態に係る制御器１９における制御系の構成を示すブロック図である。
【００４９】
図１１において、制御器１９の制御系は、目標空気量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒを入力して目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを出力するＦＦ＿Ｑ部３１、目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃを入力して目標バルブ開度Ｔ−Ｖａｌ＿Ｏｐｅｎを出力するＦＦ＿Ｐ部３２、実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃとの偏差に基づいてフィードバック制御量を出力するＦＢ＿Ｐ部４１、空気流量系がカソード圧力系に干渉する干渉関係を示すブロック４２を備えて構成されている。
【００５０】
ブロック４２は、目標コンプレッサ回転数が実空気流量に影響を及ぼすブロックＰ１１と、目標コンプレッサ回転数がカソード圧力に影響を及ぼすブロックＰ１２と、目標バルブ開度が実空気流量に影響を及ぼすブロックＰ２１と、目標バルブ開度がカソード圧力に影響を及ぼすブロックＰ２２を備えて構成されている。
【００５１】
目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒは、図示しないドライバのトルク要求などから決定され、目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒに基づいてＦＦ＿Ｑ部３１で目標コンプレッサ回転数Ｔ−ＣＯＭＰ＿ｒｅｖを算出する。ＦＦ＿Ｑ部３１ではあらかじめ設定された図示しないマップによって一意に決定される。
【００５２】
目標圧力ＴＰｃに基づいてＦＦ＿Ｐ部３２で目標バルブ開度ＴＶＯを算出する。ＦＦ＿Ｐ部３２ではあらかじめ設定された図示しないマップによって一意に決定される。
【００５３】
実圧力Ｐ＿ｃと目標カソード圧力Ｔ−Ｐ＿ｃからその偏差を求め、その偏差に基づいて、ＦＢ＿Ｐ部４１でフィードバック制御量を算出する。算出されたフィードバック制御量はＦＦ＿Ｐ部３２で算出された目標バルブ開度ＴＶＯに加算される。フィードバック制御としては、例えばＰＩＤ制御等の制御器が組み込まれた制御系が考えられる。
【００５４】
上記ブロックＰ１１，ブロックＰ１２，ブロックＰ２１，ブロックＰ２２、ＦＦ＿Ｑ部３１、ＦＦ＿Ｐ部３２、ならびにＦＢ＿Ｐ部４１の関係は、下式（６）、（７）で示すように表される。
【００５５】
【数６】
【００５６】
【数７】
【００５７】
【数８】
【００５８】
また、式（１０）に示すＧａを、図１３に示すように、目標空気流量Ｔ−Ｑ＿ａｉｒを入力とする目標位相補償空気流量算出部５１を追加して、その空気流量の目標値に対して位相を補償させる構成にしたので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量を設計の時点で任意に決定することができる。
【００５９】
目標位相補償空気流量算出部５１では、１／Ｇａ（式（１０））のダイナミクスを組み込むことにより、空気供給系のダイナミクスと位相の相殺を行い、下式（１２）によって位相を操作する。
【００６０】
【数９】
【００６１】
次に、この第３の実施形態における演算順序の手順を、図１７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００６２】
図１７において、ステップＳ１７００では、目標カソード圧力を算出し、ステップＳ１７０１では、非干渉カソード圧力を算出する。なお、ステップＳ１７００とステップＳ１７０１の実行順序は必ずステップＳ１７００で目標カソード圧力を算出した後、ステップＳ１７０１で非干渉カソード圧力を演算する。
【００６３】
続いて、ステップＳ１７０２では、目標空気流量を算出し、ステップＳ１７０３では、目標位相補償空気流量を算出する。なお、ステップＳ１７００〜Ｓ１７０１とステップＳ１７０２〜Ｓ１７０３の実行順序は、どちらを先に実行してもよい。ただし、ステップＳ１７０１とステップＳ１７０３の演算が終了した後、ステップＳ１７０４で最終目標コンプレッサ回転数を算出する。
【００６４】
その後、ステップＳ１７０５では、最終目標コンプレッサ回転数に基づいてコンプレッサ１６を駆動する。続いて、ステップＳ１７０６では、ステップＳ１７００で算出した目標カソード圧力に基づいて、カソード調圧弁１８を駆動する。したがって、ステップＳ１７０６は、ステップＳ１７００が終了した後、ステップＳ１７０４、ステップＳ１００５でアクチュエーターを駆動させる前に演算を終了しておく必要がある。
【００６５】
上記第３の実施形態においては、カソード極の圧力と空気流量の干渉を回避させることにより、空気流量のみを独立に制御できるようにし、その空気流量の目標値に対して位相を補償させるようにしたので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量を設計の時点で任意に決定させることができる。
【００６６】
また、カソード極の圧力と空気流量の干渉を回避させることにより、空気流量のみを独立に制御できるようにし、その空気流量の目標値の変化幅が大きくなればなるほど、位相を遅らせるようにし、位相に変化を与えるようにしたので、コンプレッサ回転数のオーバーシュート量を低減させることができ、かつ圧力応答性を損なうことなく実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の制御装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池の制御装置における制御系の構成を示す図である。
【図３】時定数と偏差との関係を示す図である。
【図４】空気流量とカソード圧力の従来の応答時間を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における、空気流量とカソード圧力の応答時間を示す図である。
【図６】時定数と偏差との関係を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における動作手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態における燃料電池の制御装置における制御系の構成を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態における、空気流量とカソード圧力の応答時間を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における動作手順を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第３の実施形態の燃料電池の制御装置における、空気流量系とカソード圧力系の干渉ブロックの構成を示す図である。
【図１２】第３の実施形態の燃料電池の制御装置における、空気流量系とカソード圧力系の干渉ブロックの構成を示す図である。
【図１３】空気流量系とカソード圧力系の非干渉化と位相補償のブロックを示す図である。
【図１４】目標空気流量と時定数との関係を示す図である。
【図１５】位相の操作量を示す図である。
【図１６】目標空気流量と実空気流量との関係を示す図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態における動作手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１…燃料タンク
１２…アノード調圧弁
１３…エゼクタ
１４…アノード極
１５…水素パージ弁
１６…コンプレッサ
１７…カソード極
１８…カソード調圧弁
１９…制御器
２１，３１…ＦＦ＿Ｑ部
２２，３２…ＦＦ＿Ｐ部
２３，３３…加算部
２４，３４…Ｐｌａｎｔ＿Ｑ部
２５，３５…Ｐｌａｎｔ＿Ｐ部
２６，３６…コンプレッサ回転数応答補正量算出部
４１…ＦＢ＿Ｐ部
４２，Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ２１，Ｐ２２…ブロック
５１…目標位相補償空気流量算出部
５２…制御量算出部
Claims (6)
- 水素ガスと酸化ガスの供給により電力を発電する燃料電池を制御する燃料電池の制御装置において、
空気を前記燃料電池の空気極（以下、カソードと記す）側に供給する空気供給手段と、
目標空気流量に従って前記空気供給手段の目標コンプレッサ回転数を算出する空気供給制御手段と、
前記カソードの空気圧力を制御するカソード圧力制御手段と、
目標カソード圧力に従って前記カソード圧力制御手段の目標バルブ開度を制御する開度制御手段と、
目標カソード圧力とカソード圧力との偏差を算出する偏差算出手段と、
前記偏差算出手段で算出された偏差に基づいてコンプレッサ回転数の応答を補正するためのコンプレッサ回転数応答補正量を算出するコンプレッサ回転数応答補正量算出手段と
を有することを特徴とする燃料電池の制御装置。 - 目標カソード圧力の変化幅が大きくなるにしたがって、コンプレッサ回転数応答補正量の位相を遅らせる
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の制御装置。 - コンプレッサ回転数応答補正量の位相操作量は、前記カソード圧力制御手段の応答よりも遅くならない
ことを特徴とする請求項２の燃料電池の制御装置。 - 水素ガスと酸化ガスの供給により電力を発電する燃料電池を制御する燃料電池の制御装置において、
空気を前記燃料電池の空気極（以下、カソードと記す）側に供給する空気供給手段と、
目標空気流量に従って前記空気供給手段の目標コンプレッサ回転数を算出する空気供給制御手段と、
前記カソードの空気圧力を制御するカソード圧力制御手段と、
目標カソード圧力に従って前記カソード圧力制御手段の目標バルブ開度を制御する開度制御手段と、
前記カソードの実圧力を検出するカソード圧力検出手段と、
目標カソード圧力と前記カソード圧力検出手段で検出した実カソード圧力との偏差を算出する偏差算出手段と、
前記偏差算出手段で算出された偏差に基づいてコンプレッサ回転数の応答を補正するためのコンプレッサ回転数応答補正量を算出するコンプレッサ回転数応答補正量算出手段と、
カソード空気流量を計測するカソード空気流量検出手段と、
前記コンプレッサ回転数応答補正量に相当する空気量と前記カソード空気流量検出手段で検出されたカソード空気流量を加算する加算手段とを有し、
前記加算手段で得られた加算値が目標空気流量を超えないようにコンプレッサ回転数応答補正量を決定する
ことを特徴とする燃料電池の制御装置。 - 水素ガスと酸化ガスの供給により電力を発電する燃料電池を制御し、
空気を前記燃料電池の空気極（以下、カソードと記す）側に供給する空気供給手段と、
目標空気流量に従って前記空気供給手段の目標コンプレッサ回転数を算出する空気供給制御手段と、
前記カソードの空気圧力を制御するカソード圧力制御手段と、
目標カソード圧力に従って前記カソード圧力制御手段の目標バルブ開度を制御する開度制御手段とを有する燃料電池の制御装置において、
コンプレッサによって供給される空気の圧力変動と、前記カソード圧力制御手段の開閉に応じて変動する空気流量を、干渉させないように制御量を操作する制御量操作手段と、
目標空気流量の位相を操作して、目標位相補償空気流量を算出する目標位相補償空気流量算出手段を有する
ことを特徴とする燃料電池の制御装置。 - 目標空気流量の変化幅が大きくなるにしたがって、目標位相補償空気流量の位相を遅らせる
ことを特徴とする請求項５記載の燃料電池の制御装置。
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