JP2013033611A - Fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来より、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の供給を受けて発電を行う燃料電池を蓄電池等の二次電池とともに搭載して構成したハイブリッド電力供給装置が提案されている。例えば、主電源部(燃料電池)と、補助電源部(バッテリ)と、主電源部の出力電圧を所定の直流電圧に調整して出力する電圧調整部(DC−DCコンバータ等)と、を備えるハイブリッド電力供給装置が従来提案されている(特許文献1参照)。このような装置の電圧調整部は、主電源部の動作パラメータに応じて、フィードフォワード駆動モード及びフィードバック駆動モードの何れか一方で動作するように構成されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been proposed a hybrid power supply apparatus configured by mounting a fuel cell that receives a supply of reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) and generates power together with a secondary battery such as a storage battery. For example, a main power supply unit (fuel cell), an auxiliary power supply unit (battery), and a voltage adjustment unit (such as a DC-DC converter) that adjusts and outputs an output voltage of the main power supply unit to a predetermined DC voltage. A hybrid power supply apparatus has been conventionally proposed (see Patent Document 1). The voltage adjustment unit of such a device is configured to operate in either the feedforward drive mode or the feedback drive mode according to the operation parameter of the main power supply unit.
ところで、現在においては、燃料電池を備えるハイブリッド電力供給装置において、燃料電池から供給される直流電圧をより大きい直流電圧に変換するための大電力用の多相コンバータを設ける技術が提案されている。このような多相コンバータにおいては、フィードバック制御を採用して各駆動相のスイッチング素子のデューティ比を調整している。 By the way, at present, a technique for providing a high-power multiphase converter for converting a DC voltage supplied from a fuel cell into a larger DC voltage in a hybrid power supply apparatus including a fuel cell has been proposed. In such a multiphase converter, feedback control is employed to adjust the duty ratio of the switching element of each drive phase.
近年においては、システムの運転状態に応じて電力フィードバック制御モードと電圧フィードバック制御モードとを切り替える多相コンバータ制御の開発が進められている。このような切替制御は、通常の運転状態においては燃料電池の出力電力に応じて多相コンバータを制御する(電力フィードバック制御モード)一方、燃料電池の出力電圧が上限値を上回る(又は下限値を下回る)ような運転状態においては出力電圧に応じて多相コンバータを制御する(電圧フィードバック制御モード)ものである。 In recent years, development of multiphase converter control that switches between a power feedback control mode and a voltage feedback control mode in accordance with the operating state of the system has been underway. Such switching control controls the multiphase converter according to the output power of the fuel cell in a normal operating state (power feedback control mode), while the output voltage of the fuel cell exceeds the upper limit (or exceeds the lower limit). In such an operating state, the multiphase converter is controlled according to the output voltage (voltage feedback control mode).
ところが、前記したような切替制御においては、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへと(又は電圧フィードバック制御モードから電力フィードバック制御モードへと)切り替える際に、切替前後のフィードバック変数に隔たりが生じる場合がある。このように切替前後のフィードバック変数に隔たりがあると、例えば多相コンバータによって供給される直流電圧がフィードバックモードの切替後に急激に低下し、その結果、要求電力に対する燃料電池の出力電力の応答性が急激に低下するという問題が発生し得る。 However, in the switching control as described above, when switching from the power feedback control mode to the voltage feedback control mode (or from the voltage feedback control mode to the power feedback control mode), there is a gap between the feedback variables before and after the switching. There is. Thus, if there is a gap between the feedback variables before and after the switching, for example, the DC voltage supplied by the multiphase converter rapidly decreases after the switching of the feedback mode, and as a result, the responsiveness of the output power of the fuel cell to the required power is reduced. The problem of a sharp drop can occur.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムのコンバータ制御において運転状態に応じて電力フィードバック制御モードと電圧フィードバック制御モードとを切り替える場合に、フィードバックモードの切替に起因する急激な応答性の低下を抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and when switching between the power feedback control mode and the voltage feedback control mode in accordance with the operation state in the converter control of the fuel cell system, the rapid change caused by the switching of the feedback mode. It is intended to suppress a significant decrease in responsiveness.
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と負荷装置との間に設けられたコンバータと、このコンバータの動作を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、燃料電池の出力電力に基づいてコンバータの動作を制御する電力フィードバック制御モードと、燃料電池の出力電圧に基づいてコンバータの動作を制御する電圧フィードバック制御モードと、を切り替えて実施するものであって、切替前後のフィードバック変数に所定の閾値以上の差がある場合に、切替前のフィードバック変数から切替後のフィードバック変数へとフィードバック変数を漸次変化させるものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system comprising a converter provided between a fuel cell and a load device, and control means for controlling the operation of the converter. The control means switches between a power feedback control mode for controlling the operation of the converter based on the output power of the fuel cell and a voltage feedback control mode for controlling the operation of the converter based on the output voltage of the fuel cell. If the feedback variable before and after switching has a difference greater than a predetermined threshold, the feedback variable is gradually changed from the feedback variable before switching to the feedback variable after switching.
かかる構成を採用すると、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへと(又は電圧フィードバック制御モードから電力フィードバック制御モードへと)切り替える際に、切替前後のフィードバック変数に所定の閾値以上の差があった場合においても、フィードバック変数を漸次変化させることができる。従って、切替前後のフィードバック変数に隔たりがあることに起因する急激な応答性の低下を抑制することができる。 When such a configuration is adopted, when switching from the power feedback control mode to the voltage feedback control mode (or from the voltage feedback control mode to the power feedback control mode), the feedback variable before and after the switching has a difference of a predetermined threshold value or more. Even in the case, the feedback variable can be gradually changed. Therefore, it is possible to suppress a rapid decrease in responsiveness due to the difference between the feedback variables before and after switching.
本発明に係る燃料電池システムにおいて、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへと切り替える際のフィードバック変数の変化速度と、電圧フィードバック制御から電力フィードバック制御へと切り替える際のフィードバック変数の変化速度と、を異ならせる制御手段を採用することができる。例えば、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへと切り替える際のフィードバック変数の変化速度よりも、電圧フィードバック制御から電力フィードバック制御へと切り替える際のフィードバック変数の変化速度を大きく設定することができる。 In the fuel cell system according to the present invention, the change rate of the feedback variable when switching from the power feedback control mode to the voltage feedback control mode, and the change rate of the feedback variable when switching from the voltage feedback control to the power feedback control. Different control means can be employed. For example, the change rate of the feedback variable when switching from the voltage feedback control to the power feedback control can be set larger than the change rate of the feedback variable when switching from the power feedback control mode to the voltage feedback control mode.
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、電力フィードバック制御モードにおけるフィードバック変数を電流補正値IPとし、電圧フィードバック制御モードにおけるフィードバック変数を電流補正値IVとし、切替率をα(0<α<1)とした場合に、変化させるフィードバック変数としての電流補正値Iを以下の式
I=α×IP+(1−α)×IV
により算出する制御手段を採用することができる。
Further, in the fuel cell system according to the present invention, the feedback variables in the power feedback control mode and the current correction value I P, the feedback variable in the voltage feedback control mode and a current correction value I V, the switching rate α (0 <α < In the case of 1), a current correction value I as a feedback variable to be changed is expressed by the following formula: I = α × I P + (1−α) × I V
It is possible to employ control means for calculating by the above.
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへの切替が完了した時点で、前記電力フィードバック制御モードにおけるフィードバック変数を初期化する(所定の初期値に設定する)制御手段を採用することができる。同様に、電圧フィードバック制御モードから電力フィードバック制御モードへの切替が完了した時点で、電圧フィードバック制御モードにおけるフィードバック変数を初期化する(所定の初期値に設定する)制御手段を採用することもできる。 In the fuel cell system according to the present invention, when the switching from the power feedback control mode to the voltage feedback control mode is completed, the feedback variable in the power feedback control mode is initialized (set to a predetermined initial value). Control means can be employed. Similarly, it is possible to employ control means for initializing (setting to a predetermined initial value) the feedback variable in the voltage feedback control mode when the switching from the voltage feedback control mode to the power feedback control mode is completed.
かかる構成を採用すると、補正項の蓄積で応答性が低下することを抑制することができる。 By adopting such a configuration, it is possible to suppress a decrease in responsiveness due to accumulation of correction terms.
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、各フィードバック制御モードにおいてフィードバック変数を算出する際に積分フィードバックゲインを採用し、かつ、算出されたフィードバック変数が所定の上限値を上回る(又は所定の下限値を下回る)場合において、積分フィードバックゲインを零に設定する(積分項の蓄積を停止する)こともできる。 Further, in the fuel cell system according to the present invention, an integral feedback gain is employed when calculating a feedback variable in each feedback control mode, and the calculated feedback variable exceeds a predetermined upper limit value (or a predetermined lower limit value). The integral feedback gain can be set to zero (accumulation of the integral term can be stopped).
かかる構成を採用すると、応答性の低下をさらに効果的に抑制することができる。 By adopting such a configuration, it is possible to more effectively suppress a decrease in responsiveness.
本発明によれば、燃料電池システムのコンバータ制御において運転状態に応じて電力フィードバック制御モードと電圧フィードバック制御モードとを切り替える場合に、フィードバックモードの切替に起因する急激な応答性の低下を抑制することが可能となる。 According to the present invention, when switching between the power feedback control mode and the voltage feedback control mode in accordance with the operating state in the converter control of the fuel cell system, it is possible to suppress a rapid decrease in responsiveness caused by the switching of the feedback mode. Is possible.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池車両に搭載された発電システムである。
Hereinafter, a
燃料電池システム1は、図1に示すように、燃料電池2やバッテリ3で発生させた電力を、インバータ4を介してトラクションモータ5に供給することにより、トラクションモータ5を回転駆動するものである。燃料電池システム1は、燃料電池2とインバータ4との間に設けられたFCコンバータ10、バッテリ3とインバータ4との間に設けられたバッテリコンバータ6、システム全体を統合制御するコントローラ7等を備えている。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池2は、複数の単電池を直列に積層して構成した固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池2においては、アノード電極において以下の(1)式の酸化反応が生じ、カソード電極において以下の(2)式の還元反応が生じ、燃料電池2全体としては以下の(3)式の起電反応が生じる。
The
H2→2H++2e- ・・・(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O ・・・(2)
H2+(1/2)O2→H2O ・・・(3)
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
燃料電池2を構成する単電池は、高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の二つの電極で挟み込んで構成した膜・電極接合体(MEA)を、燃料ガス及び酸化ガスを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有している。燃料電池2には、燃料ガスをアノード電極に供給する系統、酸化ガスをカソード電極に供給する系統、冷却液をセパレータ内に供給する系統が設けられており、コントローラ7からの制御信号に応じて燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御されることにより、所望の電力を発生させることができるようになっている。
The unit cell constituting the
FCコンバータ10は、燃料電池2の出力電圧を制御する機能を果たす。本実施形態におけるFCコンバータ10は、図1に示すように、U相コンバータ11、V相コンバータ12、W相コンバータ13、X相コンバータ14の4相を並列に接続した多相コンバータである。FCコンバータ10は、トラクションモータ5等の負荷装置の負荷(要求電力)に応じて、1相(例えばU相)のみを使用する1相駆動、2相(例えばU相とV相)を使用する2相駆動、3相(例えばU相とV相とW相)を使用する3相駆動、全ての駆動相を使用する4相駆動、といった駆動相の切替を行うことができるようになっている。
The FC converter 10 functions to control the output voltage of the
FCコンバータ10は、燃料電池2の出力電圧を目標出力に応じた電圧となるように制御する。なお、FCコンバータ10の出力電圧や出力電流は、図示していない電圧センサ及び電流センサにより検出することができるようになっている。また、本実施形態においては、各駆動相のリアクトルに流れる電流(リアクトル電流)を検出するためのリアクトル電流センサが設けられている。
The
FCコンバータ10の各駆動相(U相、V相、W相、X相)に用いられるスイッチング素子の種類としては、例えば、接合ショットキーダイオード、p−i−n/ショットキー複合ダイオード、MOS障壁ショットキーダイオード等のダイオード類、バイポーラ接合型トランジスタ(BJT)やダーリントンといった電流制御型トランジスタ、通常サイリスタやGTO(Gate Turn Off)サイリスタ等のサイリスタ類、MOS電界効果(FET)トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ(IGBT)、注入促進型絶縁ゲートトランジスタ(IEGT)等の電圧制御型トランジスタ、等を挙げることができる。これらの中では、サイリスタ類及び電圧制御型トランジスタが好ましい。
Examples of switching elements used for each drive phase (U phase, V phase, W phase, X phase) of the
バッテリ3は、トラクションモータ5に対して燃料電池2と並列に接続されており、余剰電力や回生制動時の回生エネルギを蓄える機能を有するとともに、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能するものである。バッテリ3としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池を採用することができる。
The
バッテリコンバータ6は、インバータ4の入力電圧を制御する機能を果たすものであり、例えばFCコンバータ10と同様の回路構成を有するものを採用することができる。バッテリコンバータ6としては、昇圧型のコンバータを採用してもよいが、これに代えて昇圧動作及び降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用してもよく、インバータ4の入力電圧の制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
The battery converter 6 fulfills the function of controlling the input voltage of the
インバータ4は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータを採用することができ、コントローラ7からの制御指令に従って、燃料電池2やバッテリ3から供給される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ5の回転トルクを制御する。
The
トラクションモータ5は、燃料電池車両の動力となる回転トルクを発生させるものであり、減速時には回生電力を発生させるようにも構成されている。トラクションモータ5の回転トルクは、減速装置8によって所定の回転数に減速させられた上で、シャフト8aを介してタイヤ9に伝達される。なお、本実施形態においては、燃料電池2から供給される電力を受けて作動する全ての機器(トラクションモータ5及び減速装置8を含む)を負荷装置と総称することとする。
The
コントローラ7は、燃料電池システム1を統合制御するためのコンピュータシステムであり、例えばCPU、RAM、ROM等を有している。コントローラ7は、各種センサから供給される信号(例えば、アクセル開度を表す信号、車速を表す信号、燃料電池2の出力電流や出力電圧を表す信号等)の入力を受けて、負荷装置の負荷(要求電力)を算出する。
The
負荷装置の負荷は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、車載補機類(エアコンプレッサ、水素ポンプ、冷却水循環ポンプ等)で消費される電力、車両走行に必要な装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等)で消費される電力、乗員空間内に配置される装置(空調装置、照明器具、オーディオ等)で消費される電力、等が含まれる。 The load of the load device is, for example, a total value of the vehicle traveling power and the auxiliary power. Auxiliary power is the power consumed by in-vehicle auxiliaries (air compressors, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.) and equipment required for vehicle travel (transmissions, wheel control devices, steering devices, suspension devices, etc.) Power consumed, power consumed by devices (air conditioners, lighting fixtures, audio, etc.) arranged in the passenger space are included.
そして、コントローラ7は、燃料電池2とバッテリ3との各々の出力電力の配分を決定し、発電指令値を算出する。コントローラ7は、燃料電池2及びバッテリ3に対する要求電力を算出すると、これらの要求電力が得られるようにFCコンバータ10及びバッテリコンバータ6の動作を制御する。すなわち、コントローラ7は、本発明における制御手段として機能するものである。
And the
本実施形態におけるコントローラ7は、FCコンバータ10の動作を制御する際に、燃料電池2の出力電力に基づいてFCコンバータ10の動作を制御する「電力フィードバック制御モード」と、燃料電池2の出力電圧に基づいてFCコンバータ10の動作を制御する「電圧フィードバック制御モード」と、を切り替えて実施する。
In the present embodiment, the
ここで、図2〜図5を用いて、コントローラ7によるFCコンバータ制御の詳細について説明する。
Here, the details of the FC converter control by the
<電力フィードバック制御モード>
最初に、燃料電池2の出力電力に基づいてFCコンバータ10の動作を制御する「電力フィードバック制御モード」について説明する。コントローラ7は、燃料電池2の運転状態を監視し、通常の運転状態においては、FCコンバータ10の動作を制御する際に電力フィードバック制御モードを採用する。
<Power feedback control mode>
First, the “power feedback control mode” for controlling the operation of the
まず、コントローラ7は、要求電力等に基づいて電力指令値PREFを算出するとともに、燃料電池2の出力電力PMESを検出する。そして、コントローラ7は、図2に示すように、電力指令値PREFに対する出力電力PMESの偏差(PREF−PMES)と、電力フィードバックゲインKFB_Pと、に基づいて、電力フィードバックによる電流補正値IPを算出する。
First, the
次いで、コントローラ7は、要求電力等に基づいて算出した電流指令値IREFに、電力フィードバックによる電流補正値IPを加算することにより、電力フィードバックにより補正した電流指令値IREF_P(=IREF+IP)を算出するとともに、燃料電池2の出力電流IMESを検出する。そして、コントローラ7は、電力フィードバックにより補正した電流指令値IREF_Pに対する出力電流IMESの偏差(IREF_P−IMES)と、電流フィードバックゲインKFB_Iと、に基づいて、電力・電流フィードバックによるデューティ項DFB_Pを算出する。また、コントローラ7は、電力フィードバックにより補正した電流指令値IREF_Pに電流フィードフォワードゲインKFF_Iを乗じることにより、電力フィードバック・電流フィードフォワードによるデューティ項DFF_Pを算出する。
Next, the
その後、コントローラ7は、電力・電流フィードバックによるデューティ項DFB_Pと、電力フィードバック・電流フィードフォワードによるデューティ項DFF_Pと、を加算することにより電力フィードバックによるデューティ指令値D(=DFB_P+DFF_P)を算出し、このデューティ指令値Dを用いてFCコンバータ10の動作を制御する。なお、各種フィードバックゲイン(電力フィードバックゲインKFB_Pや電流フィードバックゲインKFB_I)としては、比例ゲインや積分ゲインを採用することができる。
Thereafter, the
<電圧フィードバック制御モード>
次に、燃料電池2の出力電圧に基づいてFCコンバータ10の動作を制御する「電圧フィードバック制御モード」について説明する。コントローラ7は、燃料電池2の運転状態を監視し、燃料電池2の出力電圧が所定の上限値を上回る(又は所定の下限値を下回る)ような特殊な運転状態において、FCコンバータ10の動作を制御する際に電圧フィードバック制御モードを採用する。電圧フィードバック制御モードは、燃料電池2の劣化抑制や最低電力確保等を目的とするものである。
<Voltage feedback control mode>
Next, the “voltage feedback control mode” for controlling the operation of the
まず、コントローラ7は、燃料電池2の仕様(上限電圧値や下限電圧値)を考慮して電圧指令値VREFを算出するとともに、燃料電池2の出力電圧VMESを検出する。そして、コントローラ7は、図2に示すように、電圧指令値VREFに対する出力電圧VMESの偏差(VREF−VMES)と、電圧フィードバックゲインKFB_Vと、に基づいて、電圧フィードバックによる電流補正値IVを算出する。
First, the
次いで、コントローラ7は、要求電力等に基づいて算出した電流指令値IREFに、電圧フィードバックによる電流補正値IVを加算することにより、電圧フィードバックにより補正した電流指令値IREF_V(=IREF+IV)を算出するとともに、燃料電池2の出力電流IMESを検出する。そして、コントローラ7は、電圧フィードバックにより補正した電流指令値IREF_Vに対する出力電流IMESの偏差(IREF_V−IMES)と、電流フィードバックゲインKFB_Iと、に基づいて、電圧・電流フィードバックによるデューティ項DFB_Vを算出する。また、コントローラ7は、電圧フィードバックにより補正した電流指令値IREF_Vに電流フィードフォワードゲインKFF_Iを乗じることにより、電圧フィードバック・電流フィードフォワードによるデューティ項DFF_Vを算出する。
Next, the
その後、コントローラ7は、電圧・電流フィードバックによるデューティ項DFB_Vと、電圧フィードバック・電流フィードフォワードによるデューティ項DFF_Vと、を加算することにより電圧フィードバックによるデューティ指令値D(=DFB_V+DFF_V)を算出し、このデューティ指令値Dを用いてFCコンバータ10の動作を制御する。なお、電圧フィードバックゲインKFB_Vとしては、比例ゲインや積分ゲインを採用することができる。
After that, the
<フィードバックモード切替制御>
続いて、フィードバックモード切替制御について説明する。コントローラ7は、通常の運転状態においては電力フィードバック制御モードを採用してFCコンバータ10の動作を制御する一方、燃料電池2の出力電圧が所定の上限値を上回る(又は所定の下限値を下回る)ような特殊な運転状態においては電圧フィードバック制御モードを採用してFCコンバータ10の動作を制御する。
<Feedback mode switching control>
Next, feedback mode switching control will be described. The
コントローラ7は、燃料電池2の運転状態が通常の運転状態から特殊な運転状態に移行したものと判断した場合に、切替信号SSを出力して、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへとFCコンバータ10の制御モードを切り替える。なお、コントローラ7は、燃料電池2の出力電圧が所定の上限値(例えば300V)を上回った場合、又は、燃料電池2の出力電圧が所定の下限値(例えば150V)を下回った場合に、通常の運転状態から特殊な運転状態に移行したものと判断することができる。
When the
コントローラ7は、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへと切り替える際に、切替前のフィードバック変数(電流補正値IP)に対する切替後のフィードバック変数(電流補正値IV)の偏差ΔI(=IP−IV)の絶対値を算出する。そして、コントローラ7は、この偏差ΔIの絶対値が所定の閾値以上である場合に、切替前のフィードバック変数(電流補正値IP)から切替後のフィードバック変数(電流補正値IV)へとフィードバック変数を漸次変化させる。
When the
また、コントローラ7は、燃料電池2の運転状態が特殊な運転状態から通常な運転状態に移行したものと判断した場合においても、切替信号SSを出力して、電圧フィードバック制御モードから電力フィードバック制御モードへとFCコンバータ10の制御モードを切り替える。この際においても、コントローラ7は、切替前のフィードバック変数(電流補正値IV)に対する切替後のフィードバック変数(電流補正値IP)の偏差ΔI(=IV−IP)の絶対値を算出し、この偏差ΔIの絶対値が所定の閾値以上である場合に、切替前のフィードバック変数(電流補正値IV)から切替後のフィードバック変数(電流補正値IP)へとフィードバック変数を漸次変化させる。
Further, the
本実施形態において、コントローラ7は、フィードバック変数の切替率をα(0<α<1)とした場合に、変化させるフィードバック変数としての電流補正値Iを以下の式
I=α×IP+(1−α)×IV
により算出する。
In the present embodiment, when the feedback variable switching rate is α (0 <α <1), the
Calculated by
ここで、図3〜図5のタイムチャートを用いて、本実施形態におけるフィードバックモード切替制御を時間軸に沿って説明する。図3のタイムチャートは、フィードバックモードフラグの時間履歴を示すものであり、電力フィードバック制御モードのフラグを「1」、電圧フィードバック制御モードのフラグを「0」としている。図4のタイムチャートは、切替率αの時間履歴を示すものである。図5のタイムチャートは、フィードバックモード切替状態の時間履歴を示すものであり、電力フィードバック制御モードを実施している状態を「0」、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへと遷移している状態を「1」、電圧フィードバック制御モードを実施している状態を「2」、電圧フィードバック制御モードから電力フィードバック制御モードへと遷移している状態を「3」で表している。 Here, the feedback mode switching control in the present embodiment will be described along the time axis using the time charts of FIGS. The time chart of FIG. 3 shows the time history of the feedback mode flag, where the power feedback control mode flag is “1” and the voltage feedback control mode flag is “0”. The time chart of FIG. 4 shows the time history of the switching rate α. The time chart of FIG. 5 shows the time history of the feedback mode switching state, and the state in which the power feedback control mode is executed is “0”, and the state is changed from the power feedback control mode to the voltage feedback control mode. The state is represented by “1”, the state in which the voltage feedback control mode is being implemented is represented by “2”, and the state in which the voltage feedback control mode is being changed to the power feedback control mode is represented by “3”.
コントローラ7は、図3〜図5に示されるように、フィードバックモードフラグが「1」から「0」へと切り替わった時点(フィードバックモード切替状態が「0」から「1」へと切り替わった時点)から、切替率αを1から線形的に減少させ、時間T1が経過した時点で切替率αを0とする。この時点で、フィードバックモード切替状態が「1」から「2」へと切り替わることとなる。所要時間T1で1から0まで減少する切替率αは、以下のような時間tの線形関数となる。
α=1−(1/T1)×t
この場合、電流補正値Iは、以下のような時間tの線形関数で表される。
I=IP−(IP−IV)/T1×t=IP−ΔI/T1×t
As shown in FIGS. 3 to 5, the
α = 1− (1 / T 1 ) × t
In this case, the current correction value I is represented by the following linear function of time t.
I = I P - (I P -I V) /
一方、コントローラ7は、フィードバックモードフラグが「0」から「1」へと切り替わった時点(フィードバックモード切替状態が「2」から「3」へと切り替わった時点)から、切替率αを0から線形的に増加させ、時間T2が経過した時点で切替率αを1とする。この時点で、フィードバックモード切替状態が「3」から「0」へと切り替わることとなる。所要時間T2で0から1まで増加する切替率αは、以下のような時間tの線形関数となる。
α=(1/T2)×t
この場合、電流補正値Iは、以下のような時間tの線形関数で表される。
I=IV+(IP−IV)/T2×t=IV+ΔI/T2×t
On the other hand, the
α = (1 / T 2 ) × t
In this case, the current correction value I is represented by the following linear function of time t.
I = I V + (I P −I V ) / T 2 × t = I V + ΔI / T 2 × t
本実施形態においては、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへと切り替える際の切替率αの減少時間T1よりも、電圧フィードバック制御モードから電力フィードバック制御モードへと切り替える際の切替率αの増加時間T2を短く設定している(T1>T2)。換言すると、本実施形態においては、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへと切り替える際のフィードバック変数の変化速度(ΔI/T1)よりも、電圧フィードバック制御モードから電力フィードバック制御モードへと切り替える際のフィードバック変数の変化速度(ΔI/T2)を大きく設定している。 In the present embodiment, the switching rate α increases when switching from the voltage feedback control mode to the power feedback control mode, rather than the decrease time T 1 of the switching rate α when switching from the power feedback control mode to the voltage feedback control mode. The time T 2 is set short (T 1 > T 2 ). In other words, in the present embodiment, when switching from the voltage feedback control mode to the power feedback control mode rather than the change rate (ΔI / T 1 ) of the feedback variable when switching from the power feedback control mode to the voltage feedback control mode. The change rate (ΔI / T 2 ) of the feedback variable is set large.
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへと(又は電圧フィードバック制御モードから電力フィードバック制御モードへと)切り替える際に、切替前後のフィードバック変数に所定の閾値以上の差があった場合においても、フィードバック変数を漸次変化させることができる。従って、切替前後のフィードバック変数に隔たりがあることに起因する急激な応答性の低下を抑制することができる。
In the
すなわち、燃料電池2の運転状態が通常の運転状態から特殊な運転状態へと移行した場合に、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへと徐々に移行させることができるので、FCコンバータ10によって供給される直流電圧がフィードバックモードの切替後に急激に低下することがなく、要求電力に対する燃料電池2の出力電力の応答性が急激に低下することがない。一方、燃料電池2の運転状態が特殊な運転状態から通常の運転状態へと復帰した場合には、電圧フィードバック制御モードから本来の電力フィードバック制御モードへと比較的速やかに移行させることができるので、要求電力に対して出力電力を速やかに応答させることができる。
That is, when the operating state of the
なお、本実施形態においては、時間tの線形関数としての切替率αを含む所定の式を用いて、フィードバック変数(電流補正値I)を線形的に変化させた例を示したが、フィードバック変数の変化態様はこれに限られるものではない。例えば、所定のマップを参照して切替率αを非線形的に変化させ、これに伴ってフィードバック変数を非線形的に変化させることもできる。 In the present embodiment, an example in which the feedback variable (current correction value I) is linearly changed using a predetermined expression including the switching rate α as a linear function of time t has been described. However, the change mode is not limited to this. For example, the switching rate α can be changed nonlinearly with reference to a predetermined map, and the feedback variable can be changed nonlinearly accordingly.
また、本実施形態においては、FCコンバータ10の動作を制御する際に、電力フィードバック制御モードと電圧フィードバック制御モードと、を切り替えて実施するコントローラ7について例示したが、このコントローラ7に以下のような付加的な機能を付与することもできる。
Moreover, in this embodiment, when controlling the operation | movement of
例えば、コントローラ7は、電力フィードバック制御モードから電圧フィードバック制御モードへの切替が完了した時点(図5に示すフィードバックモード切替状態が「1」から「2」へと切り替わった時点)で、電力フィードバック制御モードにおけるフィードバック変数(電流補正値IP)を初期化する(所定の初期値に設定する)ことができる。同様に、コントローラ7は、電圧フィードバック制御モードから電力フィードバック制御モードへの切替が完了した時点(図5に示すフィードバックモード切替状態が「3」から「0」へと切り替わった時点)で、電圧フィードバック制御モードにおけるフィードバック変数(電流補正値IV)を初期化する(所定の初期値に設定する)ことができる。このようにすると、補正項の蓄積で応答性が低下することを抑制することができる。
For example, the
また、コントローラ7は、各フィードバック制御モードにおいて算出されたフィードバック変数としての電流補正値(IP又はIV)やデューティ指令値(D)が所定の上限値を上回る(又は所定の下限値を下回る)場合において、各フィードバック制御モードの積分フィードバックゲインを零に設定する(積分項の蓄積を停止する)こともできる。このようにすると、応答性の低下をさらに効果的に抑制することができる。
Further, the
また、コントローラ7は、要求電力に応じてFCコンバータ10の駆動相数が変化した場合に、駆動相数に応じてフィードバック変数(電流補正値)の上限値や下限値を変化させることもできる。
In addition, when the number of drive phases of the
なお、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。さらには、携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。 In the above embodiment, an example in which the fuel cell system according to the present invention is mounted on a fuel cell vehicle has been shown. However, various mobile bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle are related to the present invention. A fuel cell system can also be installed. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.). Furthermore, the present invention can be applied to a portable fuel cell system.
1…燃料電池システム、2…燃料電池、5…トラクションモータ(負荷装置)、7…コントローラ(制御手段)、10…FCコンバータ。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記制御手段は、前記燃料電池の出力電力に基づいて前記コンバータの動作を制御する電力フィードバック制御モードと、前記燃料電池の出力電圧に基づいて前記コンバータの動作を制御する電圧フィードバック制御モードと、を切り替えて実施するものであって、切替前後のフィードバック変数に所定の閾値以上の差がある場合に、切替前のフィードバック変数から切替後のフィードバック変数へとフィードバック変数を漸次変化させるものである、
燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a converter provided between a fuel cell and a load device, and control means for controlling the operation of the converter,
The control means includes a power feedback control mode for controlling the operation of the converter based on the output power of the fuel cell, and a voltage feedback control mode for controlling the operation of the converter based on the output voltage of the fuel cell. When the feedback variable before and after switching has a difference equal to or greater than a predetermined threshold, the feedback variable is gradually changed from the feedback variable before switching to the feedback variable after switching.
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システム。 The control means includes a change rate of a feedback variable when switching from the power feedback control mode to the voltage feedback control mode, and a change rate of a feedback variable when switching from the voltage feedback control mode to the power feedback control mode. , Which is different
The fuel cell system according to claim 1.
請求項2に記載の燃料電池システム。 The control means has a feedback variable change speed when switching from the voltage feedback control mode to the power feedback control mode, rather than a feedback variable change speed when switching from the power feedback control mode to the voltage feedback control mode. Is a large setting,
The fuel cell system according to claim 2.
I=α×IP+(1−α)×IV
により算出するものである、
請求項1から3の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The control means sets a feedback variable in the power feedback control mode as a current correction value I P , a feedback variable in the voltage feedback control mode as a current correction value I V , and a switching rate α (0 <α <1). In this case, the current correction value I as a feedback variable to be changed is expressed by the following formula: I = α × I P + (1−α) × I V
Is calculated by
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The control means initializes a feedback variable in the power feedback control mode when the switching from the power feedback control mode to the voltage feedback control mode is completed.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から5の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The control means initializes a feedback variable in the voltage feedback control mode when switching from the voltage feedback control mode to the power feedback control mode is completed.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.
請求項1から6の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The control means adopts an integral feedback gain when calculating a feedback variable in each feedback control mode, and sets the integral feedback gain to zero when the calculated feedback variable exceeds a predetermined upper limit value. To do,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から7の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The control means employs an integral feedback gain when calculating a feedback variable in each feedback control mode, and sets the integral feedback gain to zero when the calculated feedback variable is below a predetermined lower limit value. To do,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7.
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