JP2006351421A - Fuel cell system and control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池制御方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell control method.
近年、燃料電池自動車等に搭載される燃料電池システムの一例としては、酸化剤ガスを燃料電池のカソード極に供給するとともに、燃料ガスを燃料電池のアノード極に供給して、これらのガスの電気化学反応により発電出力を得るシステムが知られている。
このようなシステムにおいて、燃料電池の出力特性を考慮して、燃料電池の運転を制御する技術が検討されている。
In recent years, as an example of a fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle or the like, an oxidant gas is supplied to the cathode electrode of the fuel cell and a fuel gas is supplied to the anode electrode of the fuel cell. Systems that obtain power generation output by chemical reaction are known.
In such a system, a technique for controlling the operation of the fuel cell in consideration of the output characteristics of the fuel cell has been studied.
例えば、特許文献1には、水素供給圧から燃料電池の基本出力特性を求め、該基本出力特性を実際の燃料電池の出力電流および出力電圧を用いて出力特性を推定する技術が提案されている。
また、特許文献2には、燃料電池の検出された出力電流と燃料電池の基本出力特性から推定電圧値を算出し、この推定電圧値と検出された燃料電池の端子電圧知の偏差を算出し、該偏差を所定の割合で燃料電池の内部抵抗偏差と開回路電圧偏差とに分配し、分配した電圧偏差を基に基本出力特性を補正する技術が提案されている。
In
しかしながら、従来の技術では、以下のような問題がある。
すなわち、従来技術においては、燃料電池の出力電圧や出力電流といった実際に検出された値によって出力特性を補正して燃料電池の発電制御を行うので、発電状況が変動したときであっても出力される値が検出されるまでは出力特性の補正を行うことができない。その結果、発電状況の変動に対応して燃料電池の発電制御を行うにあたり応答遅れが生じてしまうという問題がある。
However, the conventional techniques have the following problems.
In other words, in the prior art, the power characteristics of the fuel cell are controlled by correcting the output characteristics based on the actually detected values such as the output voltage and output current of the fuel cell, so that even if the power generation situation fluctuates, it is output. The output characteristic cannot be corrected until a certain value is detected. As a result, there is a problem that a response delay occurs when performing power generation control of the fuel cell in response to fluctuations in the power generation status.
本発明は、発電状況の変動に対応して燃料電池の発電制御を迅速かつ的確に行うことができる燃料電池システムおよび燃料電池制御方法を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a fuel cell system and a fuel cell control method capable of quickly and accurately performing power generation control of a fuel cell in response to fluctuations in power generation status.
請求項1に係る発明は、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟んで発電を行う燃料電池と、該燃料電池の所定時間前に求めた発電面積を読込む発電面積読込手段(例えば、実施の形態における電圧マップ補正値読込処理部36、温度補正値読込処理部38、前回値読込部57)と、前記燃料電池の発電電流を検出する電流検出手段(例えば、実施の形態における出力電流センサ22)と、前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段(例えば、実施の形態における出力電圧センサ23)と、前記発電電流と前記発電面積から電流密度を算出する電流密度算出手段(例えば、実施の形態における燃料電池実電流入力部27、発電面積算出部31、乗除算処理部32)と、前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出する予定電圧算出手段(例えば、実施の形態における予想セル電圧算出部33、セル数乗算部34)と、前記予定電圧と前記発電面積に基づいて現在の発電面積を推定する発電面積推定手段(例えば、実施の形態における発電面積算出部31)と、前記現在の発電面積に基づいて、燃料電池への発電電流指令値を算出する発電電流指令値算出手段(例えば、実施の形態における制御装置20)とを有することを特徴とする。
The invention according to claim 1 is a fuel cell that performs power generation with an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode, and a power generation area reading means that reads a power generation area obtained a predetermined time before the fuel cell (for example, implementation) Voltage map correction value
この発明によれば、前記電流検出手段で検出した発電電流のみならず所定時間前に求めた発電面積から現在の発電面積を発電面積推定手段により推定し、この現在の発電面積を用いて前記電流密度算出手段で電流密度を算出して前記予定電圧算出手段により予定電圧を算出するので、推定される現在の燃料電池内部での発電状態に基づいて予定電圧を算出できる。そして、現在の発電面積に基づいて前記発電電流指令値算出手段により発電電電流指令値を算出する。このように、燃料電池の電流電圧特性を使用する制御(例えば、実施の形態における負荷出力制御、燃料電池の発電指令制御)において、現在の燃料電池のより正確な電流電圧特性を把握できるため、精度の良い制御が可能になる。特に、氷点下で起動する場合等の燃料電池の特性が大きく変化する場面においての特性変化の追従性が向上する。ここで、発電面積とは、燃料電池の全発電面のうち発電に寄与しうる面積をいうが、実際の発電面積以外の燃料電池の温度などの電流−電圧(IV特性)の変化要因も発電面積相当量として発電面積に含むものとする。以下においても同様とする。 According to the present invention, the current power generation area is estimated by the power generation area estimation means from the power generation area obtained not only by the power generation current detected by the current detection means but also a predetermined time ago, and the current generation area is estimated using the current power generation area. Since the current density is calculated by the density calculation means and the planned voltage is calculated by the planned voltage calculation means, the planned voltage can be calculated based on the estimated current power generation state inside the fuel cell. Based on the current power generation area, the generated current command value is calculated by the generated current command value calculation means. As described above, in the control using the current-voltage characteristics of the fuel cell (for example, load output control in the embodiment, power generation command control of the fuel cell), more accurate current-voltage characteristics of the current fuel cell can be grasped. Accurate control is possible. In particular, the followability of the characteristic change in a scene where the characteristics of the fuel cell greatly change, such as when starting below freezing point, is improved. Here, the power generation area refers to the area that can contribute to power generation in the entire power generation surface of the fuel cell. However, factors other than the actual power generation area such as the temperature of the fuel cell such as the temperature of the fuel cell (IV characteristics) can also generate power. It shall be included in the power generation area as an area equivalent amount. The same applies to the following.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のものであって、前記現在の発電面積に基づいて、前記燃料電池を搭載した装置の制御パラメータ(例えば、実施の形態におけるモータ出力制限値)を算出する制御パラメータ算出手段(例えば、実施の形態におけるモータ出力制限値算出部51)を備え、前記制御パラメータにより前記装置の出力を制限する出力制限手段(例えば、実施の形態におけるモータ出力制限値出力部52)を備えることを特徴とする。
この発明によれば、燃料電池の内部状態を加味して得られた前記現在の発電面積に基づいて、前記制御パラメータ算出手段により制御パラメータを算出して、前記制御パラメータにより前記装置の出力を前記出力制限手段で制限することで、負荷変動時における燃料電池のガス欠を防ぐと共に、最適な反応ガス量を燃料電池に供給することが可能となる。
The invention according to
According to the present invention, based on the current power generation area obtained by taking into account the internal state of the fuel cell, the control parameter calculation means calculates the control parameter, and the control parameter outputs the output of the device. By limiting the output with the output limiting means, it is possible to prevent the fuel cell from running out of gas when the load fluctuates, and to supply the optimal amount of reaction gas to the fuel cell.
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載のものであって、前記現在および所定時間前に求めた発電面積は、前記燃料電池の温度にそれぞれ換算することを特徴とする。
この発明によれば、前記燃料電池の発電面積は前記燃料電池の温度に関係するので、前記所定時間前に求めた発電面積を温度に換算して、実際に検出した燃料電池の温度を加味して前記現在の発電面積の推定を行うことにより、発電面積の推定精度を向上することができる。
The invention according to claim 3 is the invention according to
According to this invention, since the power generation area of the fuel cell is related to the temperature of the fuel cell, the power generation area obtained before the predetermined time is converted into temperature, and the actually detected temperature of the fuel cell is taken into account. Thus, the estimation accuracy of the power generation area can be improved by estimating the current power generation area.
請求項4に係る発明は、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟んで発電を行う燃料電池の発電電流を検出する工程と、前記燃料電池の発電電圧を検出する工程と、前記燃料電池の所定時間前に求めた発電面積を読込む工程と、前記発電電流と前記発電面積から電流密度を算出する工程と、前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出する工程と、前記予定電圧と前記発電面積に基づいて現在の発電面積を推定する工程と、前記現在の発電面積に基づいて、燃料電池への発電電流指令値を算出する工程と、を有することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a step of detecting a power generation current of a fuel cell that performs power generation with an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode, a step of detecting a power generation voltage of the fuel cell, A step of reading a power generation area obtained before a predetermined time; a step of calculating a current density from the generated current and the power generation area; a step of calculating a planned voltage of the fuel cell from the current density; The method includes a step of estimating a current power generation area based on the power generation area, and a step of calculating a power generation current command value for the fuel cell based on the current power generation area.
この発明によれば、発電電流のみならず所定時間前に求めた発電面積から現在の発電面積を推定し、この現在の発電面積を用いて電流密度を算出して予定電圧を算出するので、推定される現在の燃料電池内部での発電状態に基づいて予定電圧を算出できる。そして、現在の発電面積に基づいて発電電電流指令値を算出する。このように、燃料電池の電流電圧特性を使用する制御において、現在の燃料電池のより正確な電流電圧特性を把握できるため、精度の良い制御が可能になる。特に、氷点下で起動する場合等の燃料電池の特性が大きく変化する場面においての特性変化の追従性が向上する。 According to the present invention, the current power generation area is estimated not only from the power generation current but also from the power generation area obtained a predetermined time ago, and the current voltage is calculated using the current power generation area to calculate the planned voltage. The planned voltage can be calculated based on the current power generation state inside the fuel cell. Then, a generated current command value is calculated based on the current power generation area. As described above, in the control using the current-voltage characteristic of the fuel cell, it is possible to grasp the more accurate current-voltage characteristic of the current fuel cell, so that the control with high accuracy is possible. In particular, the followability of the characteristic change in a scene where the characteristics of the fuel cell greatly change, such as when starting below freezing point, is improved.
請求項1に係る発明によれば、発電状況の変動に対応して燃料電池の発電制御を迅速かつ的確に行うことができる。
請求項2に係る発明によれば、負荷変動時における燃料電池のガス欠を防ぐと共に、最適な反応ガス量を燃料電池に供給することが可能となる。
請求項3に係る発明によれば、発電面積の推定精度を向上することができる。
請求項4に係る発明によれば、発電状況の変動に対応して燃料電池の発電制御を迅速かつ的確に行うことができる。
According to the first aspect of the present invention, the power generation control of the fuel cell can be performed quickly and accurately in response to fluctuations in the power generation status.
According to the second aspect of the invention, it is possible to prevent the fuel cell from running out of gas when the load fluctuates, and to supply the optimum amount of reaction gas to the fuel cell.
According to the invention which concerns on Claim 3, the estimation precision of an electric power generation area can be improved.
According to the invention which concerns on Claim 4, the electric power generation control of a fuel cell can be performed rapidly and exactly according to the fluctuation | variation of an electric power generation condition.
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池制御方法について図面を参照して説明する。本実施の形態では、燃料電池システムを車両に適用して燃料電池車両とした場合について説明する。
本実施の形態に係る燃料電池車両1は、例えば図1に示すように、燃料電池11と、第1電流・電圧制御器12と、第2電流・電圧制御器13と、蓄電装置であるキャパシタ14と、パワードライブユニット(PDU)15と、モータ16と、コンプレッサ出力制御器17と、エアーコンプレッサ(A/C)18と、水素タンク19aおよび水素供給弁19bと、制御装置20と、各種の電気負荷21と、出力電流センサ22と、出力電圧センサ23と、端子電圧センサ24とを備えて構成されている。
この燃料電池1では、走行用のモータ16の駆動力は、例えばオートマチックトランスミッション(AT)あるいはマニュアルトランスミッション(MT)等の変速機(T/M)を介して車両の駆動輪W,Wに伝達される。また、燃料電池車両1の減速時に駆動輪W側からモータ16側に駆動力が伝達されると、モータ16は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
Hereinafter, a fuel cell system and a fuel cell control method according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a case where the fuel cell system is applied to a vehicle to form a fuel cell vehicle will be described.
As shown in FIG. 1, for example, the fuel cell vehicle 1 according to the present embodiment includes a
In the fuel cell 1, the driving force of the traveling
燃料電池11は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極(アノード)と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極(カソード)とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
燃料電池11のアノードには、高圧の水素タンク19aから水素供給弁19bを介して水素からなる燃料ガス(反応ガス)が供給され、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードには、例えば酸素を含む酸化剤ガス(反応ガス)である空気がエアーコンプレッサ(A/C)18によって供給され、このカソードにおいて、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
The
A fuel gas (reactive gas) made of hydrogen is supplied from the high-
燃料電池11から取り出される発電電流(出力電流)は第1電流・電圧制御器12に入力されており、この第1電流・電圧制御器12には、さらに、第2電流・電圧制御器13を介して、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる複数のキャパシタセルが互いに直列に接続されて構成されたキャパシタ14が接続されている。
そして、燃料電池11および第1電流・電圧制御器12と、第2電流・電圧制御器13およびキャパシタ14とは、パワードライブユニット(PDU)15を介して、走行用のモータ16と、例えば燃料電池11やキャパシタ14の冷却装置(図示略)や空調装置(図示略)等の各種補機類からなる電気負荷21と、エアーコンプレッサ出力制御器17とに対して並列に接続されている。
The generated current (output current) extracted from the
The
第1および第2電流・電圧制御器12、13は、例えばチョッパ方式のDC−DCコンバータを備えて構成され、このDC−DCコンバータのチョッピング動作つまりDC−DCコンバータに具備されるスイッチング素子のオン/オフ動作によって、燃料電池11から取り出される出力電流の電流値、および、キャパシタ14の充電電流および放電電流の電流値を制御しており、このチョッピング動作は制御装置20から入力される制御パルスのデューティつまりオン/オフの比率に応じて制御されている。
例えば、燃料電池11から出力電流の取り出しを禁止する場合において、制御装置20から第1および第2電流・電圧制御器12,13に入力される制御パルスのデューティが0%に設定されると、各電流・電圧制御器12,13のDC−DCコンバータに具備されるスイッチング素子がオフ状態に固定され、燃料電池11とキャパシタ14とが電気的に遮断される。一方、制御パルスのデューティが100%とされ、スイッチング素子がオン状態に固定されると、いわば燃料電池11とキャパシタ14とが直結状態となり、燃料電池11の出力電圧とキャパシタ14の端子電圧とが同等の値となる。
The first and second current /
For example, in the case of prohibiting the extraction of the output current from the
また、例えば、第1電流・電圧制御器12に入力される制御パルスのデューティが0%〜100%の間の適宜の値に設定されると、第1電流・電圧制御器12は、1次側電流とされる燃料電池11の出力電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限し、制限して得た電流を2次側電流として出力する。
また、例えば、第2電流・電圧制御器13に入力される制御パルスのデューティが0%〜100%の間の適宜の値に設定されると、第2電流・電圧制御器12は、キャパシタ14の充電電流または放電電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限する。
For example, when the duty of the control pulse input to the first current /
Further, for example, when the duty of the control pulse input to the second current /
PDU15は、トランジスタのスイッチング素子を複数用いてブリッジ接続してなるブリッジ回路を具備するパルス幅変調(PWM)によるPWMインバータを備えて構成され、制御装置20から出力される制御指令に応じて走行用のモータ16の駆動および回生動作を制御する。例えばモータ16の駆動時には、制御装置20から入力されるトルク指令に基づき、第1および第2電流・電圧制御器12,13から出力される直流電力を3相交流電力に変換してモータ16へ供給する。一方、モータ16の回生時には、モータ16から出力される3相交流電力を直流電力に変換して、第2電流・電圧制御器13を介してキャパシタ14へ供給し、キャパシタ14を充電する。
このPDU15の電力変換動作は、制御装置20からPWMインバータの各スイッチング素子に入力されるパルス、つまりパルス幅変調(PWM)により各スイッチング素子をオン/オフ駆動させるためのパルスに応じて制御され、このパルスのデューティつまりオン/オフの比率のマップ(データ)は予め制御装置20に記憶されている。
The
The power conversion operation of the
なお、モータ16は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の3相交流同期モータとされており、PDU15から供給される3相交流電力により駆動制御されると共に、燃料電池車両1の減速時において駆動輪W側から駆動力が伝達されると、発電機として機能して、いわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
The
エアーコンプレッサ18は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池11のカソードに供給する。
このエアーコンプレッサ18を駆動するモータ(図示略)の回転数は、制御装置20から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調(PWM)によるPWMインバータを具備するコンプレッサ出力制御器17によって制御されている。
The
The number of rotations of a motor (not shown) for driving the
制御装置20は、例えば、燃料電池車両1の運転状態や、燃料電池11のアノードに供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池11のアノードから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池11の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの端子電圧や、燃料電池11から取り出される出力電流等に基づき、エアーコンプレッサ18から燃料電池11へ供給される反応ガスの流量に対する指令値および水素供給弁19bの弁開度に対する指令値を出力し、燃料電池11の発電状態を制御する。
さらに、制御装置20は、燃料電池11に対する発電指令に基づき、第1電流・電圧制御器12の電力変換動作を制御する制御パルスを出力し、燃料電池11から取り出される出力電流の電流値を制御する。
For example, the
Further, the
また、制御装置20は、PDU15に具備されたPWMインバータの電力変換動作を制御しており、例えばモータ16の駆動時においては、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に係るアクセル開度の信号に基づいてトルク指令を算出する。そして、制御装置20が、このトルク指令をPDU15に入力することで、トルク指令に応じたパルス幅変調信号がPWMインバータに入力され、要求されたトルクを発生させるための各相電流がモータ16の各相へと出力される。
さらに、制御装置20は、キャパシタ14の状態、例えばキャパシタ14の温度や、複数のキャパシタセルのキャパシタセル電圧の和である総電圧つまりキャパシタ14の端子電圧の検出値等に基づき、モータ16の回生動作を制御する。
Further, the
Further, the
また、制御装置20は、キャパシタ14の状態に基づき、第2電流・電圧制御器13の電力変換動作を制御する制御パルスを出力し、キャパシタ14の充電電流または放電電流の電流値を制御する。
このため、制御装置20には、例えば、燃料電池11を構成する各複数の燃料電池セルの端子電圧(燃料電池セル電圧)を検出する燃料電池セル電圧センサ(図示略)から出力される検出信号と、燃料電池11から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ22から出力される検出信号と、燃料電池11の出力電圧を検出する出力電圧センサ23から出力される検出信号と、キャパシタ14の端子電圧を検出する端子電圧センサ24から出力される検出信号と、キャパシタ14の温度を検出する温度センサ(図示略)から出力される検出信号とが入力されている。さらに、制御装置20には、イグニッションスイッチ26のON・OFF信号、燃料電池11の温度を検出する温度センサ25から出力する検出信号が入力される。
Further, the
Therefore, for example, the
以下に、上記構成を備える燃料電池車両1の処理について説明する。図2は燃料電池の温度補正値と電圧マップ補正値を求める制御の処理内容を示すハードブロック図である。同図に示すように、出力電流センサ22で検出した燃料電池11の実電流を燃料電池実電流入力部27から入力する。また、温度センサ25で検出した燃料電池11の代表温度(例えば、燃料電池11のアノードガス排出流路の水素温度)を燃料電池代表温度入力部28から入力する。
Below, the process of the fuel cell vehicle 1 provided with the said structure is demonstrated. FIG. 2 is a hardware block diagram showing the processing contents of the control for obtaining the temperature correction value and the voltage map correction value of the fuel cell. As shown in the figure, the actual current of the
次に、この代表温度に、後述する前回の温度補正量を加算した値を、発電面積算出部31に入力する。発電面積算出部31には、燃料電池11の代表温度値と、発電面積との関係を示すマップが保持されている(図4参照)。このマップに示すように、燃料電池11の発電面積は、温度に応じて変動する。すなわち、温度が低い場合には発電面積は小さい値になり、温度が高くなるにつれて発電面積は増大していき、全発電面に漸近する。また、温度が氷点下から0℃近傍にかけては、発電面積は温度に略比例する。このマップを用いて、燃料電池11の内部状態を示す発電面積の推定を行っている。
Next, a value obtained by adding a previous temperature correction amount to be described later to this representative temperature is input to the power generation
次いで、発電面積算出部31で算出した燃料電池11の発電面積と、燃料電池実電流入力部27で入力した燃料電池11の電流値とを、乗除算処理部32に入力し、電流値を発電面積で除算して電流密度を算出する。ここで、電流密度とは、燃料電池11の電極(アノード、カソード)のうち実際に発電に寄与する部位(発電面積)における単位面積あたりの電流値である。
Next, the power generation area of the
この電流密度を予想セル電圧算出部33に入力する。予想セル電圧算出部33には、燃料電池11を構成するセルの電圧と、電流密度との関係を示すマップが保持されている(図5参照)。このマップに示すように、セル電圧は電流密度と略反比例の関係にあり、電流密度が増加するにつれてセル電圧は減少していく。このマップを用いて、セル電圧の算出を行っている。
This current density is input to the expected cell
そして、算出したセル電圧をセル数乗算部34に入力する。セル数乗算部34では、燃料電池11を構成するセルの数を前記セル電圧に乗算して、燃料電池11自体の予想ベース電圧値を算出する。この予想ベース電圧値と、後述する前回の電圧マップ補正値とを加算して、燃料電池11の予想電圧値を算出する。
Then, the calculated cell voltage is input to the
それから、出力電圧センサ23で検出した燃料電池11の実電圧を燃料電池実電圧入力部29に入力し、この実電圧から予想電圧値を減算して、電圧差分値(偏差)を算出する。この電圧差分値を電圧ゲイン乗算部35に入力して、所定値であるゲインを電圧差分値に乗算し、さらに、前回の電圧マップ補正値読込処理部36により読み込んだ前回の電圧マップ補正値を加算して、現在の電圧マップ補正値を算出する。この現在の電圧マップ補正値は、モータの出力制限値の算出にも用いられるが、これについては後述する。
Then, the actual voltage of the
一方、電圧差分値は温度ゲイン乗算部37にも入力されて、所定値(ただし上述の電圧ゲイン乗算部35の値とは異なる)であるゲインを電圧差分値に乗算し、さらに、前回の温度補正値読込処理部38により読み込んだ前回(所定時間前)の温度補正値を加算して、現在の温度補正値を算出する。この現在の温度補正値は、モータの出力制限値の算出にも用いられるが、これについては後述する。
On the other hand, the voltage difference value is also input to the temperature
そして、推定した発電面積や、燃料電池システムである燃料電池車両1の予想消費電力、キャパシタ14の開放端子電圧やその内部抵抗、燃料電池11の内部抵抗により、燃料電池11の電流指令値を算出する。
このように、燃料電池11の電流電圧特性を使用する制御において、燃料電池11のより正確な電流電圧特性を把握できるため、精度の良い制御が可能になる。特に、氷点下で起動する場合等の燃料電池11の特性が大きく変化する場面においての特性変化の追従性が向上する。
Then, the current command value of the
As described above, in the control using the current-voltage characteristics of the
図3は負荷であるモータの出力制限値を求める制御の処理内容を示すハードブロック図である。同図に示すように、電流制限値入力部41から燃料電池11の電流制限値(電流指令値)を入力する。また、温度センサ25で検出した燃料電池11の代表温度を燃料電池代表温度入力部28から入力する。そして、図2の処理で説明したのと同様に、温度補正値を温度補正値入力部42から入力して、代表温度に温度補正量を加算した値を、発電面積算出部31に入力して、発電面積を算出する。それから、乗除算処理部32により電流密度を算出して、予想セル電圧算出部33によりセル電圧を算出して、セル数乗算部34によりセル数を乗算して予想ベース電圧値を算出する。この予想ベース電圧値に、電圧マップ補正値入力部43から入力される電圧マップ補正値を加算して、燃料電池11の電流制限時における予想電圧値を算出する。
FIG. 3 is a hardware block diagram showing the processing contents of the control for obtaining the output limit value of the motor as the load. As shown in the figure, the current limit value (current command value) of the
次に、キャパシタ開放端子電圧入力部30からキャパシタ14の端子電圧値を入力して、この端子電圧値から上述の予想電圧値を減算して、燃料電池11とキャパシタ14との電圧差を求める。この電圧差を二乗処理部49に入力して二乗処理を行う。また、キャパシタ内部抵抗入力部44からキャパシタ14の内部抵抗値を入力して、二乗した電位差を内部抵抗値により除算して、キャパシタ14の出力を算出する。
Next, the terminal voltage value of the
また、補機消費電力入力部45から燃料電池システムが有する補機(例えばコンプレッサ、ヘッドライト等)で消費される電力を入力する。
そして、燃料電池11の電流制限時における予想電圧値に、燃料電池11の電流制限値を乗算して、燃料電池11の制限出力を算出する。この制限出力に、キャパシタ14の出力を加算して、補機で消費される電力を減算して、モータ出力制限値を算出する。このモータ出力制限値がモータ出力制限値出力部52から出力され、この制限値に基づいてモータ16の制御がされる。
このようにすると、負荷変動時における燃料電池11のガス欠を防ぐと共に、最適な反応ガス量を燃料電池11に供給することが可能となる。
Further, the power consumed by the auxiliary equipment (for example, compressor, headlight, etc.) included in the fuel cell system is input from the auxiliary equipment power
Then, the expected voltage value when the current of the
In this way, it is possible to prevent the
上述した制御では、燃料電池11の代表温度を用いて燃料電池11の発電面積を推定して、負荷であるモータ16の出力制限値を算出していたが、この内容に限られるものではない。他の制御方法について、図6〜図8を用いて説明する。
図6は燃料電池の発電面積相当量を求める制御の処理内容を示すハードブロック図である。図7は負荷であるモータの出力制限値を求める制御の他の処理内容を示すハードブロック図である。以下の制御において、上述した制御と同様の処理内容については、適宜その説明を省略する。
In the control described above, the power generation area of the
FIG. 6 is a hardware block diagram showing the processing contents of the control for obtaining the power generation area equivalent amount of the fuel cell. FIG. 7 is a hardware block diagram showing another processing content of the control for obtaining the output limit value of the motor as the load. In the following control, the description of the processing contents similar to the control described above will be omitted as appropriate.
この制御では、発電面積相当量を、燃料電池11の電圧偏差に基づいて算出している。すなわち、燃料電池実電圧入力部28に入力された燃料電池11の実電流を、発電面積に基づいて得られる予想ベース電圧値で減算して、電圧差分値(偏差)を算出する。この電圧差分値を発電面積ゲイン乗算部55に入力して、発電面積ゲインを乗算し、さらに、この値を前回値読込部57により読み込んだ前回の発電面積推定値を加算して、発電面積相当量を算出する。この発電面積ゲインは、発電面積相当量を発電面積ゲイン算出部56に入力することで算出する。発電面積ゲイン算出部56には、燃料電池11の発電面積相当量と、発電面積ゲインとの関係を示すテーブルが保持されている(図7参照)。発電面積の変化は2次元であるので、発電面積ゲインをテーブルで持つことで、発電面積ゲインと発電面積の対応づけを可能としている。
そして、図6に示すように、前記発電面積相当量推定値入力部53より発電面積相当量を入力して、燃料電池電流制限値入力部41より入力された電流値を発電面積相当量で除算して、電流密度を算出しているので、図3に示した制御よりも簡便にモータ出力制限値を算出することができる。
In this control, the power generation area equivalent amount is calculated based on the voltage deviation of the
Then, as shown in FIG. 6, the generation area equivalent amount is input from the generation area equivalent amount estimation
なお、本発明の内容は実施の形態のみに限定されるものでないことはもちろんであり、例えば、車両以外のシステムに適用したものであってもよい。また、蓄電装置としてキャパシタを用いた場合について説明したが、これに限らず、例えばバッテリを用いてもよい。 Of course, the contents of the present invention are not limited to the embodiments, and may be applied to a system other than a vehicle, for example. Moreover, although the case where the capacitor was used as an electrical storage apparatus was demonstrated, it is not restricted to this, For example, you may use a battery.
1…燃料電池車両(燃料電池システム)
11…燃料電池
20…制御装置(発電電流指令値算出手段)
23…出力電圧センサ(電圧検出手段)
25…温度センサ(温度検出手段)
27…燃料電池実電流入力部(電流密度算出手段)
31…発電面積算出部(発電面積算出手段、電流密度算出手段)
32…乗除算処理部(電流密度算出手段)
33…予想セル電圧算出部(予定電圧算出部)
34…セル数乗算部(予定電圧算出部)
36…電圧マップ補正値読込処理部(発電面積読込手段)
37…温度ゲイン乗算部(発電面積補正手段)
38…温度補正値値読込処理部(発電面積補正手段)
51…モータ出力制限値算出部(制御パラメータ算出部)
52…モータ出力制限値出力部(出力制限手段)
57…前回値読込部(発電面積読込手段)
1 ... Fuel cell vehicle (fuel cell system)
11.
23. Output voltage sensor (voltage detection means)
25 ... Temperature sensor (temperature detection means)
27 ... Fuel cell actual current input section (current density calculation means)
31 ... Power generation area calculation unit (power generation area calculation means, current density calculation means)
32. Multiplication / division processing unit (current density calculation means)
33 ... Expected cell voltage calculation unit (scheduled voltage calculation unit)
34 ... Cell number multiplier (scheduled voltage calculator)
36 ... Voltage map correction value reading processing section (power generation area reading means)
37 ... Temperature gain multiplier (power generation area correction means)
38 ... Temperature correction value reading processing unit (power generation area correction means)
51 ... Motor output limit value calculation unit (control parameter calculation unit)
52 ... Motor output limit value output section (output limiting means)
57 ... last time value reading part (power generation area reading means)
Claims (4)
該燃料電池の所定時間前に求めた発電面積を読込む発電面積読込手段と、
前記燃料電池の発電電流を検出する電流検出手段と、
前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段と、
前記発電電流と前記発電面積から電流密度を算出する電流密度算出手段と、
前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出する予定電圧算出手段と、
前記予定電圧と前記発電面積に基づいて現在の発電面積を推定する発電面積推定手段と、
前記現在の発電面積に基づいて、燃料電池への発電電流指令値を算出する発電電流指令値算出手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity with an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode;
A power generation area reading means for reading a power generation area obtained a predetermined time before the fuel cell;
Current detecting means for detecting the generated current of the fuel cell;
Voltage detection means for detecting the power generation voltage of the fuel cell;
Current density calculation means for calculating a current density from the generated current and the power generation area;
A planned voltage calculation means for calculating a planned voltage of the fuel cell from the current density;
A power generation area estimation means for estimating a current power generation area based on the planned voltage and the power generation area;
A fuel cell system comprising: a generated current command value calculating means for calculating a generated current command value for the fuel cell based on the current power generation area.
前記制御パラメータにより前記装置の出力を制限する出力制限手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 Based on the current power generation area, comprising a control parameter calculation means for calculating a control parameter of a device equipped with the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 1, further comprising an output limiting unit that limits the output of the device according to the control parameter.
前記燃料電池の発電電圧を検出する工程と、
前記燃料電池の所定時間前に求めた発電面積を読込む工程と、
前記発電電流と前記発電面積から電流密度を算出する工程と、
前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出する工程と、
前記予定電圧と前記発電面積に基づいて現在の発電面積を推定する工程と、
前記現在の発電面積に基づいて、燃料電池への発電電流指令値を算出する工程と、を有することを特徴とする燃料電池制御方法。
Detecting a power generation current of a fuel cell that generates power by sandwiching an electrolyte membrane between an anode and a cathode;
Detecting the power generation voltage of the fuel cell;
Reading a power generation area obtained a predetermined time before the fuel cell;
Calculating a current density from the generated current and the power generation area;
Calculating a planned voltage of the fuel cell from the current density;
Estimating a current power generation area based on the planned voltage and the power generation area;
And a step of calculating a generated current command value for the fuel cell based on the current power generation area.
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