JP2019145288A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。特に、燃料電池スタックへ反応ガスを供給する供給路に設けられている開閉弁を有する燃料電池システムに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a fuel cell system. In particular, the present invention relates to a fuel cell system having an on-off valve provided in a supply path for supplying a reaction gas to a fuel cell stack.
燃料電池システムは、燃料電池スタックへの反応ガスの供給路にインジェクタと呼ばれる開閉弁を備えている。電流が遮断したときにガスが漏れないように、開閉弁には、通電電流(駆動電流)によって開くノーマルクローズタイプが用いられる。コントローラは、PWM信号のデューティ比によって開閉弁の駆動電流を制御する。燃料電池システム自体の消費電力を抑えるため、必要最低限の電流で開閉弁の開状態を保持できることが望ましい。特許文献1には、開閉弁が開いた状態で、開閉弁に供給するデューティ比を漸減させていき、開閉弁が閉じたときのデューティ比を、開状態を保持するためのデューティ比の下限値とする技術が開示されている。
The fuel cell system includes an on-off valve called an injector in a reaction gas supply path to the fuel cell stack. A normally closed type that opens with an energizing current (driving current) is used for the on-off valve so that gas does not leak when the current is interrupted. The controller controls the drive current of the on-off valve according to the duty ratio of the PWM signal. In order to suppress the power consumption of the fuel cell system itself, it is desirable that the open / close valve can be kept open with the minimum necessary current. In
開閉弁に供給するデューティ比と開閉弁に流れる駆動電流の関係は、駆動電流の電源の電圧変化や、開閉弁の内部抵抗の経時変化によって変動することがある。それゆえ、特許文献1の技術では、保持したデューティ比が真の下限値からずれるおそれがある。本明細書は、燃料電池スタックに反応ガスを供給する供給路に設けられている開閉弁を開状態に保持するための制御の下限値を正確に決定する技術を提供する。
The relationship between the duty ratio supplied to the on-off valve and the drive current flowing through the on-off valve may vary depending on the voltage change of the power source of the drive current and the temporal change of the internal resistance of the on-off valve. Therefore, in the technique of
本明細書が開示する燃料電池システムは、開閉弁と、コントローラと、電流センサと、圧力センサを備えている。開閉弁は、燃料電池スタックへの反応ガスの供給路に設けられている。開閉弁は、駆動電流によって開閉が制御される。コントローラは、デューティ比によって開閉弁への駆動電流を制御する。電流センサは、開閉弁に流れる電流を計測する。圧力センサは、供給路の開閉弁よりも下流側に設けられている。コントローラは、開閉弁が開いているときにデューティ比を漸減させていき、圧力センサの計測値の変化に基づいて開閉弁の開から閉への切り換わりを判定する。コントローラは、開閉弁が開から閉へ切り換わったときの電流センサの計測値に基づいて、開閉弁の開状態保持のための電流の下限値を決定する。本明細書が開示する燃料電池システムは、開閉弁が開から閉に切り換わったときのデューティ比ではなく、電流値に基づいて下限値を決定する。それゆえ、コントローラは、決定された下限値以上の電流を流すことで、バッテリの状態、あるいは、開閉弁の内部抵抗の変動に関わらずに、開閉弁の開状態を確実に保持することができる。なお、コントローラは、例えば、開閉弁が開から閉へ切り換わったときの電流センサの計測値に所定のマージンを加えた値を下限値として保持してもよい。また、コントローラは、今回取得した電流値と過去に取得した電流値を合わせて、所定の学習アルゴリズムによって下限値を決定してもよい。 The fuel cell system disclosed in this specification includes an on-off valve, a controller, a current sensor, and a pressure sensor. The on-off valve is provided in the reaction gas supply path to the fuel cell stack. The opening / closing of the on / off valve is controlled by a drive current. The controller controls the drive current to the on-off valve according to the duty ratio. The current sensor measures the current flowing through the on-off valve. The pressure sensor is provided on the downstream side of the on-off valve of the supply path. The controller gradually decreases the duty ratio when the on-off valve is open, and determines whether the on-off valve is switched from open to closed based on a change in the measured value of the pressure sensor. The controller determines a lower limit value of the current for maintaining the open state of the on-off valve based on the measured value of the current sensor when the on-off valve is switched from open to closed. The fuel cell system disclosed in this specification determines the lower limit value based on the current value, not the duty ratio when the on-off valve is switched from open to closed. Therefore, the controller can reliably maintain the open state of the on-off valve regardless of the state of the battery or the fluctuation of the internal resistance of the on-off valve by flowing a current equal to or higher than the determined lower limit value. . The controller may hold, for example, a value obtained by adding a predetermined margin to the measured value of the current sensor when the on-off valve is switched from open to closed as the lower limit value. Further, the controller may determine the lower limit value by a predetermined learning algorithm by combining the current value acquired this time and the current value acquired in the past.
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be described in the following “DETAILED DESCRIPTION”.
図面を参照して実施例の燃料電池システム2を説明する。図1に、燃料電池システム2のブロック図を示す。燃料電池システム2は、自動車に搭載され、走行用モータに電力を供給する装置である。図1において、破線矢印線は、信号線を意味している。
A
燃料電池システム2は、燃料電池スタック3と、水素タンク4と、水素タンク4から燃料電池スタック3へ水素ガス(反応ガス)を供給する供給路5と、インジェクタ6と、コントローラ10を備えている。燃料電池スタック3は、セルと呼ばれる多数の発電単位を直列に接続したものである。燃料電池スタック3は、燃料極(アノード)に水素が供給され、空気極(カソード)に酸素(空気)が供給されると発電する。なお、燃料電池システム2は、酸素(空気)を供給する系を有しているが、酸素供給系については図示を省略してある。燃料電池スタック3での反応で残った酸素(空気)は、空気排出路24とマフラ25を通じて外部へ排出される。
The
水素ガスは、水素タンク4から供給路5を通じて燃料電池スタック3の燃料極に送られる。供給路5には、インジェクタ6と、2個の圧力センサ7、8が備えられている。圧力センサ7はインジェクタ6よりも下流側で供給路5に取り付けられており、圧力センサ8は、インジェクタ6よりも上流側で供給路5に取り付けられている。圧力センサ7(8)は、インジェクタ6の下流側(上流側)の供給路5の内部圧力を計測する。圧力センサ7、8が計測した圧力は、コントローラ10に送られる。
Hydrogen gas is sent from the
インジェクタ6は、水素タンク4の水素ガスの圧力を燃料電池スタック3に適した圧力に制限するデバイスであるが、構造は単純な開閉弁である。インジェクタ6は、電磁弁で開閉するので、DC電源21が接続されている。インジェクタ6は、電力が遮断されたときに水素ガスを逃がさないように、ノーマルクローズタイプである。インジェクタ6は、所定の電流値よりも大きい電流(駆動電流)が供給されると開き、所定の電流値を下回る駆動電流では、閉じたままとなる。
The
DC電源21とインジェクタ6の間の電力線には電流センサ9が備えられている。電流センサ9は、DC電源21からインジェクタ6に供給される駆動電流を計測する。計測された電流値は、コントローラ10に送られる。
A current sensor 9 is provided on the power line between the
コントローラ10は、インジェクタ6を含め、燃料電池システム2の全体を制御する。本実施例では、インジェクタ6の制御に注目しているので、インジェクタ6以外のデバイスの制御については図示と説明を割愛する。コントローラ10は、上位コントローラ30からの指令を受け、インジェクタ6と他のデバイスを制御する。コントローラ10は、プログラムそのほかを記憶しているメモリ12と、メモリ12に記憶されたプログラムを実行するCPU13(Central Processing Unit 13)を備えている。メモリ12には、プログラムのほか、インジェクタ6を開状態に保持するのに必要な電流の下限値などのデータも記憶されている。
The
先に述べたように、インジェクタ6は、所定の電流値よりも大きい駆動電流が供給されると開き、所定の電流値よりも小さい駆動電流では閉じたままとなる。コントローラ10は、PWM信号をインジェクタ6に供給し、インジェクタ6の駆動電流を制御する。PWM信号のデューティ比が大きいほど、大きい駆動電流が流れる。
As described above, the
インジェクタ6を長期間使っていると、インジェクタの電気抵抗成分が大きくなって、同じデューティ比でも流れる電流が小さくなり、インジェクタが閉弁することがある。一方、インジェクタ6の開状態を保持するのに切換電流閾値よりも十分大きい電流を流し続けるのは消費電力の無駄である。そこで、コントローラ10は、インジェクタ6の開状態を保持する電流の下限値を特定する(決定する)処理を実行する。そのような処理は、パーキングパージの際に実行される。パーキングパージとは、車両が停車しているときに、燃料電池スタック3の残留ガスを吐き出すとともに、マフラ25に残っている水分を外部へ吐き出す処理である。車両走行中は、燃料電池スタック3で発電される電力を精緻に制御するため、インジェクタ6の開閉は素早く行われる。一方、パーキングパージの際には、インジェクタ6を閉じる際に高速な動作が要求されないので、コントローラ10は、パーキングパージの時に電流の下限値を決定する処理を実行する。以下では、インジェクタ6の開状態を保持するのに必要な電流の下限値を単純に「下限値」と称する。
If the
図2に、下限値を決定する処理のフローチャートを示す。図2の処理は、パーキングパージにおいて、コントローラ10が、上位コントローラから30からインジェクタ6を閉じる指令を受けると実行される。図2の処理が開示される前は、上位コントローラ30からインジェクタ6を開く指令が出力されている。コントローラ10は、上位コントローラ30からの指令に基づき、所定のデューティ比のPWM信号をインジェクタ6に供給し、インジェクタ6の開状態を保持している。
FIG. 2 shows a flowchart of processing for determining the lower limit value. The processing of FIG. 2 is executed when the
インジェクタ6を閉じる指令を上位コントローラ30から受信すると、コントローラ10は、インジェクタ6に供給するPWM信号のデューティ比を、それまでのデューティ比からわずかに下げる(ステップS2)。コントローラ10は、例えば、デューティ比を3%下げる。デューティ比が下がるので、PWM信号を受けたインジェクタ6では、駆動電流がわずかに低下する。
When receiving a command to close the
次にコントローラ10は、圧力センサ7、8の計測データを取得し、インジェクタ6の上流と下流の圧力差を算出する(ステップS3)。コントローラ10は、ステップS3で算出した圧力差と所定の圧力差閾値を比較する(ステップS4)。インジェクタ6が開いている間は、圧力差は小さい。インジェクタ6が閉じると、下流側の圧力が下がり、上流側の圧力が上がるので、圧力差は急激に大きくなる。圧力差閾値には、インジェクタ6が閉じたときに生じる圧力差の推定値と、インジェクタ6が開いているときの圧力差の推定値の中間の値が設定されている。即ち、ステップS4の判定がNOのときは、インジェクタ6がまだ開いたままであることを意味し、ステップS4の判定がYESになると、インジェクタ6が閉じたことを意味する。ステップS4の処理により、コントローラ0は、インジェクタ6が開から閉への切り換わりを判定する(検知する)。
Next, the
ステップS4の判定がNOの場合(即ち、インジェクタ6が開いている場合)、コントローラ10は、ステップS2の処理に戻り、PWM信号のデューティ比をさらにわずかに下げる。そして、コントローラ10は、ステップS3、S4の処理を繰り返す。コントローラ10は、ステップS4の判定がYESとなるまで、ステップS2−S4の処理を繰り返す。ステップS2−S4の処理が繰り返される毎に、インジェクタ6へ指令するデューティ比がわずかに下がる。即ち、コントローラ10は、インジェクタ6へ指令するデューティ比を漸減させる。
When the determination in step S4 is NO (that is, when the
ステップS4の判定がYESになると、コントローラ10は、電流センサ9から、そのときのインジェクタ6の駆動電流を取得する(ステップS5)。このときの電流値は、インジェクタ6が開から閉に切り換わるときの電流値である。すなわち、このときの電流値が、先に述べた切換電流閾値に相当する。このときの電流値(切換電流閾値)よりもわずかに高い電流値が、インジェクタ6を開状態に保持するのに必要な電流の下限値に相当する。
If determination of step S4 becomes YES, the
切換電流閾値が特定できたら、コントローラ10は、デューティ比を一気にゼロに下げ(ステップS5)。最後に、コントローラ10は、取得した電流値(切換電流閾値)と過去の下限値決定処理で取得したデータに基づいて新たな下限値を決定する(ステップS6)。ステップS6の処理では、コントローラ10は、具体的には、次の処理を行い、新たな下限値を決定する。コントローラ10は、下限値決定処理の過去10回分、ステップS5で取得した電流値をメモリ12に記憶している。コントローラ10は、今回新たに取得した電流値と、過去10回分の電流値の移動平均を算出する。算出された移動平均に所定のマージンを加えた値を、新たな下限値として、メモリ12の過去の下限値を更新する。
If the switching current threshold value can be specified, the
以上の処理により、コントローラ10は、インジェクタ6を開状態に保持するために必要な電流の下限値を更新する。以後、コントローラ10は、上位コントローラ30からインジェクタ6を開く指令を受けると、インジェクタ6の駆動電流が下限値以上となるように、デューティ比を決定する。こうして、燃料電池システム2は、無駄な電力を消費することなく、かつ、確実に、インジェクタ6を開状態に保持することができる。
With the above processing, the
図3を用いて、下限値を決定するときのパーキングパージ処理のタイムチャートを説明する。なお、パーキングパージ処理であることは、既に上位コントローラ30からコントローラ10に通知されているとする。図3(1)は、上位コントローラ30がコントローラ10に与える指令を示している。上位コントローラ30は、時刻t1にインジェクタ6を開く指令を出力し、時刻t4にパーキングパージ処理を終了するためにインジェクタ6を閉じる指令を出力する。
The time chart of the parking purge process when determining the lower limit value will be described with reference to FIG. It is assumed that the parking purge process has already been notified from the
図3(2)は、コントローラ10がインジェクタ6に与えるPWM信号のデューティ比を示している。図3(3)は、インジェクタ6の駆動電流を示している。図3(4)は、インジェクタ6の上流と下流の圧力差を示している。時刻t1以前は、インジェクタ6が閉じているので、圧力差は大きい(図3の矢印P1が示す箇所)。
FIG. 3B shows the duty ratio of the PWM signal that the
時刻t1に開指令を上位コントローラ30から受けると、コントローラ10は、まず100%のデューティ比のPWM信号をインジェクタ6へ送る(図3の矢印P2が示す箇所)。そうすると、インジェクタ6には、最大駆動電流I1が流れ(図3の矢印P3の箇所)、インジェクタ6は閉状態から直ちに開状態に切り換わる。インジェクタ6が開状態に切り換わるので、圧力差は急激に小さくなる(図3の矢印P4が示す箇所)。一方、コントローラ10は、100%のデューティ比を一定時間指令した後、駆動電流がそのときの下限値I2を保持するように、デューティ比を調整する(図3の矢印P5、P6の箇所)。下限値I2は、前回の図2の処理で決定された下限値である。インジェクタ6の駆動電流が下限値I2に保持されている間、インジェクタ6は開いているので、圧力差は小さいままである(図3の矢印P7の箇所)。
When an open command is received from the
時刻t4に上位コントローラ30からインジェクタ6を閉じる指令を受け取ると、コントローラ10は、デューティ比を漸減させる(図3の矢印P8の箇所)。デューティ比が下がるにつれて、インジェクタ6の駆動電流も漸減する(図3の矢印P9の箇所)。
When receiving a command to close the
駆動電流の大きさが、インジェクタ6の電磁弁が開を保持するのに必要な電流を下回ったところでインジェクタ6が開から閉に切り換わる。インジェクタ6が開から閉に切り換わると、圧力差が急激に大きくなる(図3の矢印P10が示す箇所)。コントローラ10は、圧力差が急激に大きくなったときの駆動電流の値(電流値I3)を取得し、図2のステップS6の処理により、新たな下限値を決定する。電流値I3が、先に述べた切換電流閾値に相当する。
The
実施例の燃料電池システム2が実行する下限値決定処理の利点を挙げる。コントローラ10は、インジェクタ6の駆動電流をモニタしており、圧力差からインジェクタ6が閉じたと推定される時点を特定し、その時点の駆動電流に基づいて、電流の下限値を決定する。一般に、インジェクタ6に与えられるデューティ比と、そのデューティ比によって流れる駆動電流との間の関係はずれることがある。ずれる原因は、駆動電流の電源(図1のDC電源21)の電圧変動や、インジェクタ6の電磁弁の内部抵抗の変動などである。即ち、同じデューティ比であっても、駆動電流は変わることがある。それゆえ、インジェクタ6を開に保持する下限値をデューティ比で決定してしまうと、正確ではなくなるおそれがある。実施例の燃料電池システム2では、インジェクタ6の開状態を保持するのに必要な制御の下限値を駆動電流の大きさで決定する。それゆえ、上記したデューティ比の問題は生じない。
Advantages of the lower limit determination process executed by the
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の下限値決定処理では、圧力差が急変したときの電流値と過去の電流値の移動平均を使って切換電流閾値を特定し、その値に基づいて新たな下限値を決定した。コントローラ10は、別のアルゴリズムで新たな下限値を決定してもよい。コントローラ10は、例えば、最新の電流値と過去の電流値を用いた学習アルゴリズムを使って新たな下限値を決定してもよい。あるいは、コントローラ10は、単純に、ステップS5で取得した電流値に所定のマージンを加えた値を新たな下限値として決定してもよい。コントローラ10は、デューティ比を漸減させている間に圧力差が急変したときの電流値に基づいて新たな下限値を決定すれはよい。
Points to be noted regarding the technology described in the embodiments will be described. In the lower limit determination processing of the example, the switching current threshold is specified using the moving average of the current value when the pressure difference suddenly changes and the past current value, and a new lower limit value is determined based on that value. The
図2のフローチャートでは、コントローラ10は、インジェクタ6の上流側の圧力と下流側の圧力の差(圧力差)に基づいてインジェクタ6が開状態から閉状態への切り換わりを検知した。コントローラ10は、インジェクタ6の下流側の圧力の変化から、開状態から閉状態への切り換わりを検知するようにしてもよい。インジェクタ6が開から閉に切り換わると、下流側の圧力は急激に下がるからである。
In the flowchart of FIG. 2, the
実施例のインジェクタ6が、開閉弁の一例に相当する。本明細書が開示する技術は、燃料電池スタックへ反応ガスを供給する供給路に設けられている開閉弁の下限値決定に適用可能である。即ち、本明細書が開示する技術は、燃料電池スタックへ酸素ガス(空気)を供給する供給路に設けられている開閉弁の下限値決定に適用してもよい。
The
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
2:燃料電池システム
3:燃料電池スタック
4:水素タンク
5:供給路
6:インジェクタ
7、8:圧力センサ
9:電流センサ
10:コントローラ
12:メモリ
13:CPU
21:DC電源
24:空気排出路
25:マフラ
30:上位コントローラ
2: Fuel cell system 3: Fuel cell stack 4: Hydrogen tank 5: Supply path 6: Injector 7, 8: Pressure sensor 9: Current sensor 10: Controller 12: Memory 13: CPU
21: DC power supply 24: Air discharge path 25: Muffler 30: Host controller
Claims (1)
デューティ比によって前記開閉弁の駆動電流を制御するコントローラと、
前記開閉弁に流れる電流を計測する電流センサと、
前記供給路の前記開閉弁よりも下流側に設けられている圧力センサと、
を備えており、
前記コントローラは、前記開閉弁が開いているときに前記デューティ比を漸減させていき、前記圧力センサの計測値の変化に基づいて前記開閉弁の開から閉への切り換わりを判定し、前記開閉弁が開から閉へ切り換わったときの前記電流センサの計測値に基づいて、前記開閉弁の開状態を保持する電流の下限値を決定する、燃料電池システム。 An on-off valve that is provided in a reaction gas supply path to the fuel cell stack and is current-controlled;
A controller that controls the drive current of the on-off valve according to a duty ratio;
A current sensor for measuring a current flowing through the on-off valve;
A pressure sensor provided downstream of the on-off valve in the supply path;
With
The controller gradually decreases the duty ratio when the on-off valve is open, determines whether the on-off valve is switched from open to closed based on a change in a measured value of the pressure sensor, and A fuel cell system that determines a lower limit value of a current for maintaining an open state of the on-off valve based on a measured value of the current sensor when the valve is switched from open to closed.
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