JP2013069489A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池とその出力を昇圧する昇圧コンバータを備えた燃料電池システムに係り、特に、燃料電池からの出力電圧に対するセンサ検出値と昇圧コンバータへの入力電圧に対するセンサ検出値との間の偏差の異常判定に関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell and a boost converter that boosts the output of the fuel cell, and in particular, between a sensor detection value for an output voltage from the fuel cell and a sensor detection value for an input voltage to the boost converter. It relates to anomaly judgment of deviation.
反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムは、燃料電池からの出力電圧を検出するセル電圧モニタが設けられており、制御部では、このセル電圧モニタの検出結果に基づいて、システムの各種制御を行う(例えば、特許文献1参照)。 A fuel cell system that uses a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction of a reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) as an energy source is provided with a cell voltage monitor that detects an output voltage from the fuel cell. Various control of the system is performed based on the detection result of the cell voltage monitor (for example, see Patent Document 1).
上記燃料電池システムでは、セル電圧モニタにより検出されたセル電圧が、セル電圧モニタで検出可能な下限セル電圧以下であるか否かを判定する下限判定手段と、セル電圧モニタが検出したセル電圧が下限セル電圧以下であると下限判定手段によって判定された場合において、セル電圧モニタによって過去に検出され記憶手段に記憶されているセル電圧が判定セル電圧よりも大きいときに、セル電圧モニタは故障していると判定する故障判定出段を備えているので、セル電圧モニタの故障判定を行なうことができる。 In the fuel cell system, lower limit determination means for determining whether or not the cell voltage detected by the cell voltage monitor is equal to or lower than the lower limit cell voltage detectable by the cell voltage monitor, and the cell voltage detected by the cell voltage monitor When the lower limit determination means determines that the voltage is lower than the lower limit cell voltage, the cell voltage monitor fails when the cell voltage detected in the past by the cell voltage monitor and stored in the storage means is greater than the determination cell voltage. Therefore, the failure determination of the cell voltage monitor can be performed.
しかしながら、燃料電池システムには、燃料電池の後段にその出力を昇圧する昇圧コンバータを備えたものもあり、かかる燃料電池システムにおいて、さらに昇圧コンバータへの入力電圧を検出する入力電圧センサが設けられている場合に、この入力電圧センサの検出電圧値とセル電圧モニタの検出電圧値との異常偏差までも的確に把握することは困難であった。 However, some fuel cell systems include a boost converter that boosts the output at the subsequent stage of the fuel cell. In such a fuel cell system, an input voltage sensor that detects an input voltage to the boost converter is further provided. In this case, it is difficult to accurately grasp the abnormal deviation between the detected voltage value of the input voltage sensor and the detected voltage value of the cell voltage monitor.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池からの出力電圧を検出するセンサの検出値と昇圧コンバータへの入力電圧を検出するセンサの検出値との間の異常偏差を的確に把握することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and accurately detects an abnormal deviation between a detection value of a sensor that detects an output voltage from a fuel cell and a detection value of a sensor that detects an input voltage to a boost converter. It aims at providing the fuel cell system which can be grasped | ascertained.
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池の出力電力を昇圧する昇圧コンバータと、前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧センサと、前記昇圧コンバータへの入力電圧を検出する入力電圧センサと、前記出力電圧センサの検出電圧値と前記入力電圧センサの検出電圧値との間の偏差の絶対値が所定の閾値を上回った状態が所定時間以上継続した場合に、異常偏差であると判定する判定部と、を備えてなる。 In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, a boost converter that boosts the output power of the fuel cell, and an output of the fuel cell. An absolute value of a deviation between an output voltage sensor that detects a voltage, an input voltage sensor that detects an input voltage to the boost converter, and a detected voltage value of the output voltage sensor and a detected voltage value of the input voltage sensor is And a determination unit that determines that the deviation is abnormal when the state exceeding the predetermined threshold continues for a predetermined time or longer.
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が複数の単セルが積層してなるスタック構造を有するものである場合には、前記出力電圧センサは、単セル毎又は複数セル毎の電圧を検出可能なセルモニタからなるものでもよい。 In the fuel cell system of the present invention, when the fuel cell has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked, the output voltage sensor can detect a voltage for each single cell or for each plurality of cells. A simple cell monitor may be used.
本発明の燃料電池システムにおいて、前記判定部は、前記判定の前処理として、前記出力電圧センサの検出レンジと前記入力電圧センサの検出レンジを揃える処理を行なってもよい。また、前記判定部は、前記判定の前処理として、前記出力電圧センサ及び前記入力電圧センサの各検出電圧値になまし処理を行なってもよい。 In the fuel cell system of the present invention, the determination unit may perform a process of aligning the detection range of the output voltage sensor and the detection range of the input voltage sensor as pre-processing of the determination. In addition, the determination unit may perform a smoothing process on the detected voltage values of the output voltage sensor and the input voltage sensor as preprocessing for the determination.
本発明の燃料電池システムにおいて、前記判定部は、前記出力電圧センサと前記入力電圧センサとの各検出電圧値の偏差の絶対値が前記所定の閾値以下である状態が前記所定時間以上継続した場合に、正常偏差であると判定してもよい。 In the fuel cell system of the present invention, when the determination unit continues the state where the absolute value of the deviation between the detected voltage values of the output voltage sensor and the input voltage sensor is equal to or less than the predetermined threshold for the predetermined time or more. In addition, it may be determined that the deviation is normal.
前記判定部、前記出力電圧センサ、及び前記入力電圧センサの正常動作が保証されない条件下では、前記判定部による判定を禁止してもよい。 The determination by the determination unit may be prohibited under a condition in which normal operations of the determination unit, the output voltage sensor, and the input voltage sensor are not guaranteed.
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池からの出力電圧を検出するセンサの検出値と昇圧コンバータへの入力電圧を検出するセンサの検出値との間の異常偏差を的確に把握することが可能になる。 According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to accurately grasp the abnormal deviation between the detection value of the sensor that detects the output voltage from the fuel cell and the detection value of the sensor that detects the input voltage to the boost converter. It becomes possible.
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして用いた場合について説明する。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. This embodiment demonstrates the case where the fuel cell system which concerns on this invention is used as a vehicle-mounted power generation system of a fuel cell vehicle (FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle).
まず、図1を参照しながら、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。
図1に示すように、燃料電池システム11は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池12を備えている。
First, the configuration of the fuel cell system in the present embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 11 includes a
燃料電池12は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層しタスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスである空気が供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
The
この燃料電池12には、燃料電池スタックを構成している各セルの電圧を測定するセルモニタ(出力電圧センサ)12aを備えており、このセルモニタ12aによって全セルの総電圧はもとより、各セル毎の電圧あるいは複数セル毎の電圧を監視することが可能とされている。
The
この燃料電池12は、車両を走行させるための駆動モータ(駆動源、負荷)13に接続されており、駆動モータ13へ電力を供給する。この燃料電池12から駆動モータ13への電力供給経路には、燃料電池12側から順に、FC昇圧コンバータ(昇圧コンバータ)14、コンデンサ15及び駆動インバータ16が接続されている。
The
このように、燃料電池システム11では、燃料電池12で発電された電力がFC昇圧コンバータ14で昇圧され、駆動インバータ16を介して駆動モータ13へ給電される。
Thus, in the fuel cell system 11, the electric power generated by the
FC昇圧コンバータ14は、多相のコンバータであるマルチフェーズコンバータであり、複数(本例では4つ)のコンバート部31a〜31dを備えている。これらのコンバート部31a〜31dは、それぞれリアクトル32,トランジスタ33及びダイオード34を備えている。
The FC
駆動モータ13は、例えば三相交流モータであり、駆動モータ13が接続された駆動インバータ16は、直流電流を三相交流に変換し、駆動モータ13に供給する。
The
また、燃料電池システム11は、駆動モータ13へ電力を放電可能かつ燃料電池12からの電力を充電可能なバッテリ21を備えている。このバッテリ21から駆動モータ13への電力供給経路には、バッテリ昇圧コンバータ23が接続されている。本発明に係る燃料電池システム11は、このバッテリ昇圧コンバータ23を備えていない構成であってもよい。
The fuel cell system 11 includes a
このバッテリ21の電力供給経路は、燃料電池12の電力供給経路に接続されており、バッテリ21からの電力が駆動モータ13へ供給可能とされている。
The power supply path of the
本実施形態のバッテリ昇圧コンバータ23は、直流の電圧変換器であり、バッテリ21から入力された直流電圧を調整して駆動モータ13側へ出力する機能と、燃料電池12または駆動モータ13から入力された直流電圧を調整してバッテリ21に出力する機能と、を有する。このようなバッテリ昇圧コンバータ23の機能により、バッテリ21の充放電が実現される。
The
燃料電池システム11は、揮発性メモリ40を有する制御ECU(以下、ECU)41を備えている。このECU41には、燃料電池12、FC昇圧コンバータ14、バッテリ21、バッテリ昇圧コンバータ23、駆動インバータ16及び駆動モータ13が接続されており、ECU41は、これらの燃料電池12、FC昇圧コンバータ14、バッテリ21、バッテリ昇圧コンバータ23、駆動インバータ16及び駆動モータ13を制御する。
The fuel cell system 11 includes a control ECU (hereinafter referred to as ECU) 41 having a
図1に示すように、上記燃料電池システム11には、FC昇圧コンバータ14への入力電圧を検出する入力電圧センサ35が、FC昇圧コンバータ14の上流側に設けられている。この入力電圧センサ35は、ECU41に接続されている。また、ECU41には、燃料電池12に設けられたセルモニタ12aも接続されており、このセルモニタ12aの検出結果もECU14へ送信される。そして、ECU14は、セルモニタ12aや入力電圧センサ35からの検出電圧値を用いて、燃料電池システム11の各種制御を行う。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 11 is provided with an
また、ECU41は、本発明に係る判定部としての機能も有しており、その具体的な機能として、図2のフローチャートに示す判定処理を行う。この処理では、まず、セルモニタ12aの検出電圧値V1(全セルの総電圧)と入力電圧センサ35の検出電圧値V2とを取得する(ステップS1)。
The
なお、本実施形態のセルモニタ12aによる電圧検出は100(ms)間隔で行なわれ、入力電圧センサ35による電圧検出は1(ms)間隔で行なわれる。また、セルモニタ12aにおいて、セル数が300の場合における全チャンネルの電圧検出には最大で約90(ms)の時間が必要になる。そして、セルモニタ12aの検出電圧値は100(ms)間隔でECU41に送信され、入力電圧センサ35の検出電圧値は8(ms)間隔でECU41に送信される。
Note that voltage detection by the
次に、これら検出電圧値V1,V2に対し、後に詳述する信号処理を行なう(ステップS3)。しかる後、信号処理された検出電圧値V1,V2の偏差に基づき、異常偏差の有無を判定する(ステップS5)。 Next, signal processing which will be described in detail later is performed on these detection voltage values V1 and V2 (step S3). Thereafter, the presence or absence of an abnormal deviation is determined based on the deviation of the detected voltage values V1 and V2 subjected to signal processing (step S5).
この異常偏差の判定ステップでは、ステップS3で信号処理された検出電圧値V1,V2の偏差の絶対値が所定の閾値を上回った状態になったかどうかと、そのような状態が所定時間以上継続したか否かが判定される(ステップS5)。その判定の結果、偏差の絶対値が所定の閾値を上回った状態が所定時間以上継続した場合(ステップS5で「Yes」)には、セルモニタ12aの検出電圧値V1と入力電圧センサ35の検出電圧値V2との間に偏差異常があると判定され、異常カウンタをセットすると共に正常カウンタをクリアする(ステップS7)。
In this abnormal deviation determination step, whether or not the absolute value of the deviation of the detected voltage values V1 and V2 signal-processed in step S3 has exceeded a predetermined threshold, and such a state has continued for a predetermined time or more. It is determined whether or not (step S5). As a result of the determination, when the state where the absolute value of the deviation exceeds a predetermined threshold continues for a predetermined time or longer (“Yes” in step S5), the detection voltage value V1 of the
一方、ステップS5で「No」と判定された場合には、ステップS3で信号処理された検出電圧値V1,V2の偏差の絶対値が所定の閾値以下の状態であるかどうかと、そのような状態が所定時間以上継続したか否かが判定される(ステップS11)。その判定の結果、偏差の絶対値が所定の閾値以下である状態が所定時間以上継続した場合(ステップS11で「Yes」)には、セルモニタ12aの検出電圧値V1と入力電圧センサ35の検出電圧値V2との間に異常偏差は無い、言い換えれば、正常偏差であると判定され、正常カウンタをセットすると共に異常カウンタをクリアする(ステップS13)。
On the other hand, if “No” is determined in step S5, whether or not the absolute value of the deviation between the detected voltage values V1 and V2 signal-processed in step S3 is equal to or smaller than a predetermined threshold value, and such It is determined whether or not the state has continued for a predetermined time (step S11). As a result of the determination, when the state where the absolute value of the deviation is equal to or less than the predetermined threshold continues for a predetermined time or longer (“Yes” in step S11), the detection voltage value V1 of the
次に、ステップS5,S11で使用される「所定の閾値」と「所定時間」について、詳細に説明する。
所定の閾値Vthは、下記式(1)によって求められる。すなわち、下記式(2)によって求められるΔVxと、下記式(3)によって求められるΔVyのうち、より大なる方の値によって定義付けられるセンサ誤差の偏差A(式(4))と、セルモニタ12aと入力電圧センサ35の各検出電圧値V1,V2に対して、ステップS3の信号処理を実施した場合に生じ得る偏差Bとの合計値(すなわち、Vth=偏差A+偏差B)によって定義される。
Next, the “predetermined threshold” and “predetermined time” used in steps S5 and S11 will be described in detail.
The predetermined threshold value Vth is obtained by the following equation (1). That is, the sensor error deviation A (formula (4)) defined by the larger value of ΔVx obtained by the following formula (2) and ΔVy obtained by the following formula (3), and the
Vth=偏差A+偏差B …(1)
ΔVx=Va1−Va2 …(2)
ΔVy=Va1−Vb1 …(3)
偏差A=max(ΔVx,ΔVy) …(4)
Vth = deviation A + deviation B (1)
ΔVx = Va1-Va2 (2)
ΔVy = Va1−Vb1 (3)
Deviation A = max (ΔVx, ΔVy) (4)
上記式(2)のΔVxは、セルモニタ12aの検出電圧値(クランプ値)がVa1、そのときの実電圧がVar、この実電圧Varに対する入力電圧センサ35の検出電圧値がVa2であるときに、Va1からVa2を減算して得られる値である。
上記式(3)のΔVyは、入力電圧センサ35の検出電圧値(クランプ値)が上記式(1)と同じVa1であり、そのときの実電圧がVbr、この実電圧Vbrに対するセルモニタ12aの検出電圧値がVb1であるときに、Va1からVb1を減算して得られる値である。
ΔVx in the above formula (2) is when the detected voltage value (clamp value) of the
ΔVy in the above equation (3) is the same Va1 as the detected voltage value (clamp value) of the
ステップS3の信号処理は、セルモニタ12aと入力電圧センサ35の各検出電圧値の通信遅れや、急変、電圧リップルによる誤判定への影響を抑制するために、各検出電圧値に対して実施されるものであり、本実施形態ではクランプ処理となまし処理とからなる。
The signal processing in step S3 is performed on each detected voltage value in order to suppress communication delay of each detected voltage value of the
クランプ処理は、例えば、セルモニタ12aで計測する燃料電池12の上下限電圧が100V〜360Vのレンジであり、入力電圧センサ35で計測する燃料電池12の上下限電圧が80V〜320Vのレンジである場合に、それらレンジの共通部分、すなわち、100V〜320Vのレンジに統一することである。本実施形態では、セルモニタ12a及び入力電圧センサ35の検出電圧値を0V〜360Vにクランプする。
In the clamping process, for example, the upper and lower limit voltage of the
なまし処理は、前記クランプ処理によってそれぞれクランプされたセルモニタ12aの検出電圧値及び入力電圧センサ35の検出電圧値に対し、所定の時定数によって一次フィルタをかけるものであり、これにより、各検出電圧値の一時的な急変動に起因する誤判定を回避することができる。
In the annealing process, a primary filter is applied to the detection voltage value of the
燃料電池12の出力電圧は、通常運転時は10(ms)程度のオーダーで変動するのに対し、本実施形態においては上述したとおり、セルモニタ12aの電圧検出は100(ms)周期、入力電圧センサ35の電圧検出は1(ms)周期で行なわれるため、なまし処理を行なわずに、セルモニタ12aと入力電圧センサ35の各検出電圧値を比較してしまうと、異常偏差が発生していないにもかかわらず、瞬間的に検出電圧値間の偏差が大きくなって異常偏差が発生していると誤判定してしまう虞がある。
While the output voltage of the
そこで、かかる誤判定を回避するため、本実施形態では、セルモニタ12a及び入力電圧センサ35の各検出電圧値に対し、前記なまし処理を実施する。
そして、本実施形態では、このなまし処理を実施することによって生じる各検出電圧値の検出遅れ(すなわち、実電圧と検出電圧値との偏差)を、例えば実験やシミュレーションの結果等に基づいて求め、その値を前記偏差Bに設定している。
Therefore, in order to avoid such erroneous determination, in the present embodiment, the annealing process is performed on the detected voltage values of the
In this embodiment, the detection delay of each detected voltage value (that is, the deviation between the actual voltage and the detected voltage value) caused by performing this annealing process is obtained based on, for example, the results of experiments or simulations. The value is set as the deviation B.
なまし処理に使用する時定数は、セルモニタ12aからECU41への通信時間と、入力電圧センサ35からECU41への通信時間との差を考慮し、かかる差が最大に生じている場合であっても前記誤判定を行うことのないような値が、例えば実験やシミュレーションの結果等に基づいて設定される。この設定の際には、時定数を大きくするほど、検出電圧値が一時的に大きく変動した場合の誤判定を回避することが可能になる一方で、大きくし過ぎると、異常判定の精度低下を招いてしまうという点も考慮される。
The time constant used for the annealing process takes into account the difference between the communication time from the
「所定時間」は、ステップS3で信号処理された検出電圧値V1,V2の偏差の絶対値が所定の閾値を上回った状態や所定の閾値以下である状態が安定的に生じているかどうかを判断するための判定留保時間であり、一時的な異常偏差や正常偏差による誤判定を予防するための時間である。 The “predetermined time” determines whether or not the state where the absolute value of the deviation between the detected voltage values V1 and V2 signal-processed in step S3 exceeds a predetermined threshold or is not more than the predetermined threshold is occurring. This is a determination reserve time for the purpose of preventing misjudgment due to temporary abnormal deviation or normal deviation.
「所定時間」は、例えば、セルモニタ12aにおける全チャンネルの電圧検出に必要な時間(本実施形態では、約90(ms))の100倍程度の時間に設定したり、前記時定数の値の10倍程度の時間に設定することが可能であるが、これらの数値に限定されるものではなく、判定留保という趣旨から逸脱しない範囲で任意の時間に設定することが可能である。
The “predetermined time” is set to, for example, a time that is about 100 times the time required for voltage detection of all channels in the
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム11によれば、ECU41が行う判定処理によって、セルモニタ12aの検出電圧値と入力電圧センサ35の検出電圧値との間に異常偏差があるか否かを的確に判定することができる。よって、かかる異常偏差が生じている状態でのセルモニタ12a又は/及び入力電圧センサ35の検出電圧値を用いたFC昇圧コンバータ14等の各部の不適切な制御の実施を抑制することができる。
As described above, according to the fuel cell system 11 according to the present embodiment, is there an abnormal deviation between the detected voltage value of the
なお、所定の判定禁止条件が成立する場合、すなわち、ECU41、セルモニタ12a、及び入力電圧センサ35の正常動作が保証されないような場合には、図2の判定処理の実施を禁止してもよい。
When the predetermined determination prohibition condition is satisfied, that is, when normal operation of the
この判定禁止条件としては、例えば、ECU41や駆動インバータ16の異常、ECU41やセルモニタ12aや入力電圧センサ35に対する電力供給源の異常(例えば、電圧低下等)、及びセルモニタ12aや入力電圧センサ35の信号異常を検出した場合や、ECU41の起動から所定時間(例えば、0.3秒)経過するまでの間が該当する。かかる場合に、図2の判定処理を禁止することにより、ECU41による誤判定を予防することができる。
The determination prohibition conditions include, for example, abnormalities in the
11…燃料電池システム、12…燃料電池、12a…セルモニタ(出力電圧センサ)、14…FC昇圧コンバータ、35…入力電圧センサ、41…ECU(判定部) DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Fuel cell system, 12 ... Fuel cell, 12a ... Cell monitor (output voltage sensor), 14 ... FC boost converter, 35 ... Input voltage sensor, 41 ... ECU (determination part)
Claims (6)
前記燃料電池の出力電力を昇圧する昇圧コンバータと、
前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧センサと、
前記昇圧コンバータへの入力電圧を検出する入力電圧センサと、
前記出力電圧センサの検出電圧値と前記入力電圧センサの検出電圧値との間の偏差の絶対値が所定の閾値を上回った状態が所定時間以上継続した場合に、異常偏差であると判定する判定部と、を備えてなる燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas;
A boost converter that boosts the output power of the fuel cell;
An output voltage sensor for detecting an output voltage of the fuel cell;
An input voltage sensor for detecting an input voltage to the boost converter;
Determination that an abnormal deviation is determined when a state where an absolute value of a deviation between a detection voltage value of the output voltage sensor and a detection voltage value of the input voltage sensor exceeds a predetermined threshold continues for a predetermined time or more. A fuel cell system.
前記出力電圧センサは、単セル毎又は複数セル毎の電圧を検出可能なセルモニタからなる請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the output voltage sensor includes a cell monitor capable of detecting a voltage for each single cell or a plurality of cells.
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