JP4935125B2

JP4935125B2 - 流体制御システム

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Publication number: JP4935125B2
Application number: JP2006069660A
Authority: JP
Inventors: 祥朋浅井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-03-14
Also published as: JP2007250272A

Description

本発明は、制御対象の出力を目標値に追従させる流体制御システムに関する。

燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気が供給されて発電する発電装置である。燃料電池は発電に伴って発熱するため、燃料電池を冷却する冷却液が供給されるのが一般的である。燃料電池へ供給される燃料ガス、空気及び冷却液の流量は、燃料電池から取り出す電流値や燃料電池の温度などに基づいて流量設定値が演算され、流量設定値に追従するように制御される。

例えば、特許文献１では、流量設定値の増減を判別して、流量設定値の急減時にはその減少速度を緩和した補正流量設定値を出力し、流量設定値の増加時には減速しない流量設定値をそのまま出力している。

また、特許文献２では、燃料電池の要求出力の変化に基づいて空気流量を補正し発電電力の安定化を図っている。
特開平９−２７０２６５号公報特開２００２−２３１２８９号公報

ところで、制御対象の出力（流量）を目標値（流量設定値）に追従させる制御系では、ステップ応答などの過渡応答時に制御対象に対する操作量が飽和してしまう場合がある。この場合、目標値に対する出力の行き過ぎ量を低減するために、操作量を求める過程で行われる積分演算を停止するのが一般的である。

例えば、燃料電池を低負荷状態から高負荷状態に急激に変化させた場合、目標空気流量も急激に増加する。この過渡応答時に空気を供給するコンプレッサのトルク（操作量）が飽和してしまうと積分演算を停止する。この積分演算の停止によりトルク（操作量）はそれ以上大きくならない。したがって、目標空気流量に対する空気流量の追従性能が低下してしまう。

一方、特許文献２において高負荷から低負荷へのステップ応答を考えた場合、目標空気流量も急激に減少する。しかし、この過渡応答時に操作量が飽和しているにもかかわらず積分演算を継続してしまうと、目標空気流量に対して空気流量が下回ってしまい行き過ぎ量が発生するおそれがある。この場合、一時的に空気が不足して発電電力不足が起きる。よって、水素を希釈することができる十分な空気流量を確保するために、行き過ぎ量を考慮した目標空気流量の設定が必要になる。

本発明に係わる流体制御システムは、流体を供給する流体供給手段と、流体供給手段が供給する流体の状態量である流体状態量を検知する流体状態量検知手段と、流体供給手段の状態量である装置状態量を検知する装置状態量検出手段と、流体状態量の目標値を生成する目標値生成手段と、検知された流体状態量が目標値に近づくように、装置状態量の指令値を生成する制御手段と、検知された装置状態量が指令値に近づくように、操作量中間値を生成する操作量中間値生成手段と、操作量中間値が予め定めた下限値よりも小さい場合に積分停止信号（第１の停止信号）を生成する積分停止信号生成手段と、操作量中間値から操作量を生成する操作量制約手段とを備える。操作量に基づいて装置状態量が制御される。制御手段は、目標値と流体状態量との乖離度合いを時間で積分した積分値を演算し、積分値に基づいて指令値を生成する。また、制御手段は、積分停止信号が生成された場合に積分値の演算を停止する。

本発明によれば、目標値が急激に大きくなる場合は、積分演算を停止しないので流体状態量が目標値まで到達するまでの時間が短くなり、目標値が急激に小さくなる場合は、操作量中間値が予め定めた下限値よりも小さくなり、積分演算を停止するので目標値を下回る行き過ぎ量を低減できる。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一の部分には同一の符号を付している。

（第１の実施の形態）
＜燃料電池システム＞
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係わる流体制御システムを適用した燃料電池システム全体の構成を説明する。

燃料電池１は、アノード（燃料極）に水素ガスが供給され、カソード（酸化剤極）に空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され発電される。

アノード（燃料極）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード（酸化剤極）：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋(1/2)Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

アノードへの水素供給は水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁４、水素供給弁５を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、オン／オフ弁である減圧弁４により機械的に所定の圧力まで減圧され、開度調整可能な水素供給弁５により燃料電池１での水素圧力が所望の水素圧に制御される。水素循環装置７はポンプ等からなり、アノードで消費されなかった水素を再循環させるために設置されている。アノードの水素圧は、圧力センサ６ａで検出した水素圧力をフィードバックして水素供給弁５の開度を調整することによって制御される。水素圧を所望の目標圧力に制御することによって、燃料電池１が消費した分だけの水素が自動的に補われる。

パージ弁８は、次のような役割を果たす。（１）水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出する。（２）セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。（３）起動時に水素系を水素で置換するために水素系内のガスを排出する。

排水素処理装置９は、パージ弁８から排出される水素を可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈して本実施形態の外へ排出するか、あるいは水素と空気を反応させて燃焼させることで排出水素濃度を下げる。

カソードへの空気供給はコンプレッサ１０ａにより行われる。インバータ１０ｂは、コンプレッサ１０ａの回転数を制御するインバータとインバータを制御するマイコンからなる。インバータとマイコンを合わせて以下「インバータ」と称する。加湿装置１１は、カソードへ供給する空気を加湿する。カソードの空気圧及び空気流量は、圧力センサ６ｂで検出した空気圧力と流量センサ６ｃで検出した空気流量をフィードバックして空気調圧弁１２の開度及びインバータ１０ｂを駆動することによって制御される。

燃料電池１を冷却するために供給される冷却水は冷却水流路を循環する。冷却水流路への冷却水の供給は、冷却水ポンプ１３により行われる。三方弁１６は、冷却水の流路をラジエタ１７方向とラジエタバイパス方向に切り替えるか、或いは任意の割合で分流する。ラジエタファン１８は、ラジエタ１７へ風を通過させて冷却水を冷やす。温度センサ１４により燃料電池入口における冷却水の温度が検出され、温度センサ１５により燃料電池出口における冷却水の温度が検出される。これらの検出結果に基づいてコントローラ３０が三方弁１６とラジエタファン１８を駆動して、燃料電池１の温度を一定に保つ。なお、コントローラ３０は、中央処理装置（ＣＰＵ）及び周辺インターフェースを有するマイクロコンピュータによって実現されている。

燃料電池１の出力（電流或いは電力）はパワーマネージャー２０により取り出される。燃料電池１から取り出された出力は、図示しないモータ等へ供給する。

第１の実施の形態では、空気系の流量制御に本発明に係わる流体制御システムを適用する場合について説明する。しかし、本発明はこれに限定されること無く、燃料電池システムの水素系の制御又は冷却系の制御においても同様に適用することができることは言うまでもない。具体的に、流体制御システムは、流体を供給する流体供給手段の例として、空気を供給するコンプレッサ１０ａ、水素を供給する水素循環装置７、及び冷却水を供給する冷却水ポンプ１３を制御対象とすることができる。

以下、第１の実施の形態に係わる流体制御システムについて説明する。ここでは、流体制御システムを図１のコンプレッサ１０ａに適用した場合を例に取り説明する。

＜流体制御システム＞
図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係わる流体制御システムの構成を説明する。

第１の実施の形態に係わる流体制御システムは、流体を供給する流体供給部４１（流体供給手段）と、流体供給部４１が供給する流体の状態量である流体状態量を検知する流体状態量検知部４２（流体状態量検知手段）と、流体供給部４１の状態量である装置状態量を検知する装置状態量検知部４３（装置状態量検出手段）と、流体状態量の目標値を生成する目標値生成部４４（目標値生成手段）と、流体状態量検知部４２により検知された流体状態量が目標値に近づくように、装置状態量の指令値を生成する制御部４５（制御手段）と、装置状態量検知部４３により検知された装置状態量が指令値に近づくように、操作量中間値を生成する操作量中間値生成部４６（操作量中間値生成手段）と、操作量中間値が予め定めた下限値よりも小さい場合に積分停止信号を生成する積分停止信号生成部４７（積分停止信号生成手段）と、操作量中間値から操作量を生成する操作量制約部４８（操作量制約手段）とを備える。操作量制約部４８が生成した操作量に基づいて装置状態量を制御することにより、制御対象（流体供給部４１）の出力（流体状態量）を目標値に追従させる。

次に、図２の流体制御システムを図１のコンプレッサ１０ａに適用した場合の流体制御システムの構成を説明する。

この場合、図２の流体供給部４１が図１のコンプレッサ１０ａに相当する。コンプレッサ１０ａは、回転体を回転させることにより流体（空気）を供給する手段であり、図２の「流体状態量」及び「装置状態量」はそれぞれ空気の「流量」及び回転体の「回転数」に相当する。よって、流体状態量検知部４２は図１の流量センサ６ｃに相当し、装置状態量検知部４３は図１のインバータ１０ｂに相当する。

目標値生成部４４は流量の目標値（目標流量）を生成し、制御部４５は流量が目標流量に近づくように回転数の指令値（指令回転数）を生成する。また、図２の「操作量中間値」及び「操作量」はコンプレッサ１０ａが備える回転体を回転させるための「トルク」或いは「電流」に相当する。ここでは、「トルク」を例に取り説明を続ける。即ち、操作量中間値生成部４６は回転数が指令回転数に近づくように操作量中間値（トルク）を生成し、操作量制約部４８は操作量中間値（トルク）から操作量（トルク）を生成する。

目標値生成部４４、制御部４５、操作量中間値生成部４６、積分停止信号生成部４７及び操作量制約部４８は、コントローラ３０の一部分として構成されている。

次に、図３を参照して、図２の流体制御システムを図１のコンプレッサに適用した場合の流体制御システムの構成を説明する。

制御部４５は、目標流量からセンサが測定した空気流量を減算する減算部５０と、目標流量から空気流量を減算した偏差を時間で積分した積分値を演算する積分部５１と、この積分値に係数Ｋ_lをかけるＫ_l部５２と、偏差に係数Ｋ_ｐをかけるＫ_ｐ部５３と、Ｋ_l部５２及びＫ_ｐ部５３の演算結果を加算する加算部５４とを備える。加算部５４による演算結果は指令回転数となる。

操作量中間値生成部４６は、指令回転数からインバータ１０ｂが検出した回転数を減算する減算部５５と、ＰＩ制御部５６とを備える。ＰＩ制御部５６の演算結果は操作量中間値として操作量制約部４８に入力される。

＜流体制御方法＞
次に、図４を参照して、図２の流体制御システムを図１のコンプレッサに適用した場合の流体制御手順を説明する。この処理フローは所定時間毎(例えば１０ｍｓ毎)に実行され、繰り返し実行されるものである。また、ここでは図１に記載の燃料電池システムを車両に搭載した燃料電池自動車を例にとり記載する。

（イ）先ず、目標値生成部４４は、ドライバのアクセル操作から燃料電池システムに要求される負荷信号Ｕ（発電出力）を求める（Ｓ２０１）。そして、図５に示すようなテーブルを参照して、この負荷に必要な空気の流量である目標流量を生成する（Ｓ２０２）。テーブルの値は実験を行い、十分な発電が行える値に設定すればよい。また、このとき負荷に応じて空気圧力を変化させる場合は目標圧力も設定する。このときも図３と同じようなテーブルを用いれば容易に実現できる。

なお、このとき燃料電池１が発電できる最大出力以下の領域で目標流量と目標圧力が上限値をもつようにテーブルを作成しておくことが望ましい。これにより、負荷が急激に増加した場合でも後述する図６のＳ４０３段階で行われる積分演算が過剰に演算することがなくなる。また、目標流量及び目標圧力の時間的変化を制約しても同様の効果が得られる。たとえば、目標流量及び目標圧力の変化率を制約することができる。あるいは１次遅れのフィルタを通すこともできる。

（ロ）制御部４５は、目標流量と流量センサ６ｃが測定した空気流量との乖離度合いを時間で積分した積分値を演算し、この積分値と積分停止信号生成部４７による積分停止信号に基づいてコンプレッサ１０ａの指令回転数を生成する（Ｓ２０３）。或いは、たとえばＰＩ制御理論のような公知の制御技術を適用しても構わない。なお、制御部４５は、積分停止信号が生成されている場合、積分値の演算を停止する。コンプレッサ１０ａの指令回転数はコンプレッサ１０ａの回転数を制御しているインバータ１０ｂへと伝達される。

（ハ）Ｓ２０４において、操作量中間値生成部４６は、インバータ１０ｂにより検知された回転数が指令回転数に近づくように操作量中間値（トルク）を生成し、操作量制約部４８は、操作量中間値が一定の数値範囲を収まるように操作量（トルク）を生成する。なお、操作量中間値生成部４６は、ＰＩ制御理論のような公知の制御理論を用いることで容易にトルクを演算することができる。

このように、操作量制約部４８が生成した操作量（トルク）に基づいてコンプレッサ１０ａの回転数を制御することにより、コンプレッサ１０ａの出力（流量）を目標流量に追従させることができる。

図６を参照して、図４のＳ２０３段階の詳細な手順を説明する。

（い）Ｓ４０１段階において、流量センサ６ｃを用いて流体（空気）の状態量（流量）を検知する。

（ろ）Ｓ４０２段階において、積分停止信号生成部４７が積分停止信号（第１の停止信号）を生成している否かを判断する。第１の停止信号を生成している場合、積分停止第１フラグ＝１とする。第１の停止信号を生成していない場合、積分停止第１フラグ＝０とする。積分停止第１フラグ＝１の時、積分演算を停止してＳ４０４へ進み、積分停止第１フラグ＝０の時、Ｓ４０３へ進み、積分演算を実施する。

（は）Ｓ４０３段階において、Ｓ２０２にて求めた目標流量から流量センサ６ｃで求めた空気流量を減算して偏差を求め、この偏差を時間に関して積分する。この演算はたとえば以下に示す数式を用いて積分値I(n)を求めればよい。

I(n) = I(n-1) + (R(n) - Y(n))*dt ただしI(0) = 0 ・・・(1)

ここで、I(n)はnステップにおける偏差の積分値、R(n)はnステップにおける目標流量、Y(n)はnステップにおける空気流量、dtは制御周期、nは現在ステップである。

（に）Ｓ４０４段階において、コンプレッサ１０ａの指令回転数U0(n)を生成する。この指令回転数U0(n)は、以下の数式により求めればよい。

U0(n) = KI × I(n) + KP ( R (n)- Y(n)) ・・・(2)

ここで、KIは積分ゲイン、KPは比例ゲインである。(2)式で求められたU0(n)はいわゆるＰＩ制御理論により求められた値である。操作量中間値生成部４６は、コンプレッサ１０ａの指令回転数をインバータ１０ｂへと送信し、コンプレッサ１０ａの回転数が指令回転数となるようにトルクを制御する。

図７を参照して、図４のＳ２０４段階の詳細な手順を説明する。

（Ａ）Ｓ５０１段階において、コンプレッサ１０ａの回転数Yrev(n)を検知する。これはたとえば回転軸にホール素子等を取り付けることで容易に検知できる。

（Ｂ）Ｓ５０２段階において、積分停止信号生成部４７が第２の停止信号を生成している否かを判断する。第２の停止信号を生成している場合、積分停止第２フラグ＝１とする。第２の停止信号を生成していない場合、積分停止第２フラグ＝０とする。積分停止第２フラグ＝１の時、積分演算を停止してＳ５０４へ進み、積分停止第２フラグ＝０の時、Ｓ５０３へ進み、積分演算を実施する。

（Ｃ）Ｓ５０３段階において、Ｓ４０４にて求めたコンプレッサ１０ａの指令回転数U0(n)からコンプレッサ１０ａの回転数Yrev(n)を減算した偏差を時間に関して積分する。この演算はたとえば以下に示す数式を用いて積分値Irev(n)を求めればよい。

Irev(n) = Irev(n-1) + (U0(n) - Yrev(n))*dt ただしIrev(0) = 0
・・・(3)

（Ｄ）Ｓ５０４段階において、コンプレッサ１０ａの操作量中間値U1(n)を生成する。操作量中間値の単位を例えばコンプレッサ１０ａに印加されるトルクと同じものとすると、Ｓ５０３、Ｓ５０４段階の計算が容易に行える。もしくは電流と同じ単位としてもよい。操作量中間値U1(n)は、たとえば次式に示すＰＩ制御理論により演算すればよい。ここで、KIrevは積分ゲイン、KPrevは比例ゲインである。

U1(n) = KIrev × Irev(n) + KPrev (U0(n)- Yrev(n)) ・・・(4)

（Ｅ）Ｓ５０５、Ｓ５０６段階において、操作量中間値U1(n)が所定範囲内に入っているかを判断する。具体的に、Ｓ５０５にて、操作量中間値とコンプレッサ１０ａへ印加する操作量の上限値との大小比較を行う。操作量中間値が上限値より小さい場合はＳ５０６に進み、操作量中間値が上限値以上である場合はＳ５０７段階に進む。上限値はコンプレッサ１０ａに印加できる最大トルクとすればよい。操作量を電流とした場合、上限値はインバータ１０ｂに流せる最大電流とすればよい。

（Ｆ）Ｓ５０６にて、操作量中間値とコンプレッサ１０ａへ印加する操作量の下限値との大小比較を行う。操作量中間値が下限値より大きい場合はＳ５０９に進み、操作量中間値が下限値以下である場合はＳ５１１段階に進む。下限値は、流体の流れの向きを維持する最小の操作量とすることができる。あるいは、コンプレッサ１０ａから回生エネルギを取り出さない場合は0[N・m]とすればよい。

（Ｇ）Ｓ５０７段階において、積分停止第１フラグ＝０、積分停止第２フラグ＝１とし、Ｓ５０８段階において、操作量制約部４８は上限値を操作量とする。

（Ｈ）Ｓ５０９段階において、積分停止第１フラグ＝０、積分停止第２フラグ＝０とし、Ｓ５１０段階において、操作量制約部４８は操作量中間値を操作量とする。

（Ｉ）Ｓ５１１段階において、積分停止第１フラグ＝１、積分停止第２フラグ＝１とし、Ｓ５１２段階において、操作量制約部４８は下限値を操作量とする。なお、Ｓ５１１段階ではさらにコンプレッサ１０ａの回転数が減少していることを確認した場合に積分停止第１フラグ＝１としてもよい。

なお、操作量中間値が下限値よりも小さい場合（Ｓ５０９）に下限値を操作量とする（Ｓ５１２）場合に限らず、操作量制約４８は、操作量中間値が下限値と同等な場合であっても下限値を操作量としても構わない。つまり、操作量中間値が下限値以下である場合に下限値を操作量とすればよい。

以上説明した流体制御を実施した場合に予想されるタイムチャートを図８及び図９に示す。図８（ａ）〜図８（ｄ）は負荷増加時のステップ応答を示し、図９（ａ）〜図９（ｄ）は負荷減少時のステップ応答を示す。図８（ａ）〜図８（ｄ）及び図９（ａ）〜図９（ｄ）は、それぞれ空気の流量、コンプレッサ１０ａの指令回転数U0(n)、指令回転数の積分演算結果Irev(n)、操作量（トルク）を示す。

図８（ａ）〜図８（ｄ）の比較例は、負荷が急増して操作量（トルク）が飽和した時に積分演算を停止した場合、つまり操作量中間値が上限値以上の時に積分停止第１フラグ＝１とした場合である。負荷が急増してトルク飽和が発生した場合には積分演算が停止し、積分演算結果が一定となる。その積分演算結果を用いて、コンプレッサの指令回転数U0(n)を演算するため、比較例では、トルクの飽和が起こるとコンプレッサの指令回転数U0(n)の上がり方が本発明に比べて鈍くなる。これに対して、本発明の実施例は、操作量中間値が上限値以上の時（Ｓ５０５にてＮＯ）に積分停止第１フラグ＝０としている（Ｓ５０７）。これにより、指令回転数U0(n)は比較例よりも急激に増加する。つまり、本発明の実施例ではトルク飽和が生じても負荷が増加している時は積分演算を停止しないため、コンプレッサの指令回転数U0(n)が上昇しつづける。その結果、目標流量に到達するまでの時間が比較例に比べて短くすみ、空気流量不足による発電電力の低下が起きない。比較例では、目標流量に到達するまでの時間が本発明の実施例に比べて時間がかかるため、その間に発電電力の低下が起こる可能性がある。

図９（ａ）〜図９（ｄ）の比較例は、負荷が急減して操作量（トルク）が飽和した時に積分演算を継続した場合、つまり操作量中間値が下限値以下の時に積分停止第１フラグ＝０とした場合である。負荷が急減してトルク飽和が発生した場合には積分演算が停止せず、流量が目標流量を一時的に下回ってしまう。これに対して、本発明の実施例は、下限値側へトルクの飽和が発生した場合（Ｓ５０６にてＮＯ）に積分演算を停止する、つまり、積分停止第１フラグ＝１としている（Ｓ５１１）。よって、コンプレッサの指令回転数U0(n)、流量ともに、目標値下側への行き過ぎ量が生じにくく、良好な制御性能が得られる。つまり、一時的に空気が不足して発電電力が不足することを防ぎ、水素を希釈することができる十分な空気流量を確保することができる。

＜作用・効果＞
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。

たとえば操作量の飽和が発生するような流体をより多く供給する方向へのステップ応答の場合、操作量が上限値側へ飽和しても積分演算を停止しない。積分を停止する場合は指令値が大きくなるまでに時間がかかってしまうが、積分を停止しないことにより、短時間で指令値を大きくすることができる。

また、指令値（指令回転数）と装置状態量（回転数）に基づいて操作量（トルク）を演算するため、操作量がたとえ一時的に飽和しても、指令値が大きくなるため積分演算が停止する場合に比べて、操作量が短時間で流体をより多く供給する方向に大きくなる。

一方、目標値がステップ状に急激に小さくなる場合、操作量が流体の流れの向きを反転させる方向の操作量となれば積分演算が停止する。これにより、積分演算が停止しない場合に比べて、流体状態量が目標値に到達するまでの時間が長くなる。

そのため、目標値が大きくなる場合は目標値までの到達時間が短くなる。たとえば、燃料電池１に空気を供給するコンプレッサ１０ａを想定した場合、空気不足による発電不足を引き起こしにくくなる。

また、目標値が小さくなる場合は積分演算を停止するために、目標値の下側への行き過ぎ量を低減できる。燃料電池１が発電する場合を考えると空気不足による発電低下を引き起こしにくいとともに、目標流量を下回ることによるフラッディング現象の発生を抑制できる。

操作量中間値が操作量よりも小さい場合に積分値の演算を停止する積分停止信号（第１の停止信号）を生成する。これにより、操作量中間値が下限値未満であるか否かを判断することなく、操作量中間値と操作量を比較するだけで積分停止信号（第１の停止信号）が生成できる。そのため、意図していない下限値以下の操作量が印加されなくなる。

流体の流れの向きが時間に対して変化する操作量を下限値とする。これにより、操作量中間値が流体の流れの向きを反転させる向きの操作量となっている場合には操作量を下限値へ制約して積分演算を停止することができる。そのため、流体の向きが変化するような操作量が印加されなくなる。目標値が小さくなる場合は積分演算を停止するために、目標値の下側への行き過ぎ量を低減できるとともに、燃料電池が発電する場合を考えると空気不足による発電低下を引き起こしにくいとともに、目標流量を下回ることによるフラッディング現象の発生を抑制できる。

操作量中間値が予め定めた上限値よりも大きい場合に積分停止信号を生成しない。積分を停止する場合は指令値が大きくなるまでに時間がかかってしまうが、積分を停止しないことにより、短時間で指令値を大きくすることができる。また、指令値（指令回転数）と装置状態量（回転数）に基づいて操作量（トルク）を演算するため、操作量がたとえ一時的に飽和しても、指令値が大きくなるため積分演算が停止する場合に比べて、操作量が短時間で流体をより多く供給する方向に大きくなる。

操作量中間値の符号が変化した場合に再び操作量中間値の符号が変化するまでの間、積分停止信号（第１の停止信号）を生成して、積分演算を停止する。そのため、流体の流れの向きが変化するような操作量が印加されなくなる。そのため、目標値にたいして下側への行き過ぎ量を低減できる。

操作量中間値が下限トルクより小さい場合に積分演算停止信号（第１の停止信号）を生成する。流体供給手段（コンプレッサ）に過剰な操作量を印加しなくなるとともに、下限トルク以下の操作量中間値が生成された場合に下限トルク以下の操作量を印加しなくなるとともに、このときの過剰な積分を行わなくなる。そのため、目標値にたいして下側への行き過ぎ量を低減できる。

操作量はコンプレッサの回転体を回転させるための電流である場合、操作量中間値の符号が変化する時に操作量の符号が変化しないように操作量を制約する。流体供給手段（コンプレッサ）に過剰な操作量を印加しなくなる。また同時に、電流の符号が変化し回生が発生するような場合に、操作量を印加しなくなるとともに、このときの過剰な積分を行わなくなる。そのため、目標値にたいして下側への行き過ぎ量を低減できる。

燃料電池の負荷の減少により操作量中間値が下限値未満になる場合に積分演算停止信号（第１の停止信号）を生成し、負荷の増加により操作量中間値が上限値を上回る場合に積分演算停止信号を生成しない。これにより、発電に必要な空気流量を確保するまでの時間が短くなる。たとえば、負荷を上げる場合、負荷が増加するにともない、空気流量も増加させる必要があるが、このときに目標値まで短時間で到達しなければ、空気流量が不足し発電電力が低下してしまう。そのため、負荷を増加させる場合は積分演算を継続し短時間で目標値まで到達させることができる。一方、負荷を減少させる場合は積分演算を停止して目標値を下側に行き過ぎる現象を防止でき、空気流量不足による発電電力の低下を未然に防ぐことができる。

操作量中間値が上限値を上回る時間が所定時間以内となるように目標値を生成する。これにより、操作量が上限値となっている時間が所定時間以内となり、操作量中間値と操作量が異なる時間も所定時間以内となる。そのため、操作量中間値と操作量が異なることによる過剰な積分演算が所定時間以内に終わり、そのため、所定時間以内に過剰な積分演算が終了しない場合に比べて、目標値に対する行き過ぎ量を低減することができる。

たとえば燃料電池１への負荷が大きくなるに従い、燃料電池１に空気を供給するコンプレッサ１０ａを想定した場合、燃料電池１の最大発電電力に対して供給する空気流量を決めることで目標空気流量の上限値を設けることができ、目標空気流量に対する行き過ぎ量を低減できる。

目標値生成部４４は、予め定めた数値範囲内において目標値を生成する。つまり、目標値に最大値および最小値を持たせる。これにより、指令値も最大値および最小値をもつ構成となる。そのため、操作量が下限値あるは上限値となっている時間を所定時間以内とするとができる。そのため、過剰な積分を行う時間を最小限に抑制することができ、過剰な積分に起因するオーバーシュートを低減できる。

また、特許文献１で、燃料電池システムの空気流量の制御を想定した場合、負荷増加時に目標空気流量に対する制御性能が低下するおそれがあった。よって、これを考慮した結果、過剰な空気を供給することになり、消費電力の増加・ドライアウトの懸念・音振性能が問題となっていた。しかし、本発明の第１の実施の形態によれば、目標値への速応性を損なうことなく、流量を多く供給することによるドライアウトの発生、発電性能の低下を防ぐことができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、図７のＳ５０８段階及びＳ５１２段階の変形例を説明する。これを除く、図１〜図３のシステム構成、図４〜図７のフローチャート構成は、第１の実施の形態と同じであり、説明を省略する。

操作量中間値が上限値以上となった場合（図７のＳ５０５にてＮＯ）、Ｓ５０８段階において、操作量制約部４８は、操作量が上限値Umax以下となるように、操作量中間値U1(n)に対して、例えば次式に示すような変換を行い、次式の変換結果を操作量U2(n)とする。ここで、δは任意の正の定数であり、実験をしながら適切な値を設定すればよい。

U2(n) = Umax × ｜U1(n)｜ / (|U1(n)| + δ) ・・・（5）

操作量中間値が下限値以下となった場合（図７のＳ５０５にてＮＯ）、Ｓ５１２段階において、操作量制約部４８は、操作量が下限値Umin以上となるように、操作量中間値U1(n)に対して、例えば次式に示すような変換を行い、次式の変換結果を操作量U2(n)とする。ここで、δは（5）式と同様に任意の正の定数であり、実験をしながら適切な値を設定すればよい。

U2(n) = Umin × ｜U1(n)｜ / (|U1(n)｜ + δ) ・・・（6）

図７のその他の段階は、第１の実施の形態と同じである。

操作量中間値が上限値よりも大きい場合に、(5)式による上限値以下の第１所定値を操作量とし、操作量中間値が下限値よりも小さい場合に、(6)式による下限値以上の第２所定値を操作量とする。

上記のように、本発明は、２つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

実施の形態では、空気系の流量制御に本発明に係わる流体制御システムを適用する場合について説明した。しかし、本発明はこれに限定されること無く、燃料電池システムの水素系の制御又は冷却系の制御においても同様に適用することができる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施の形態に係わる流体制御システムを適用した燃料電池システム全体の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態に係わる流体制御システムの構成を示すブロック図である。図２の流体制御システムを図１のコンプレッサに適用した場合の流体制御システムの構成を示すブロック図である。図３の流体制御システムにおける空気流量の制御処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池の発電出力とそれに必要な空気の流量との関係を示すグラフである。図４のＳ２０３段階の詳細な手順を示すフローチャートである。図４のＳ２０４段階の詳細な手順を示すフローチャートである。図８（ａ）〜図８（ｄ）は、負荷増加時の空気の流量、コンプレッサの指令回転数、指令回転数の積分演算結果、操作量の時間変化を、比較例と本発明の実施例とで比較するグラフである。図９（ａ）〜図９（ｄ）は、負荷減少時の空気の流量、コンプレッサの指令回転数、指令回転数の積分演算結果、操作量の時間変化を、比較例と本発明の実施例とで比較するグラフである。

符号の説明

１…燃料電池
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…減圧弁
５…水素供給弁
６ａ、６ｂ…圧力センサ
６ｃ…流量センサ
７…水素循環装置
８…パージ弁
９…排水素処理装置
１０ａ…コンプレッサ
１０ｂ…インバータ
１１…加湿装置
１２…空気調圧弁
１３…冷却水ポンプ
１４…温度センサ
１５…温度センサ
１６…三方弁
１７…ラジエタ
１８…ラジエタファン
２０…パワーマネージャー
３０…コントローラ
４１…流体供給部（流体供給手段）
４２…流体状態量検知部（流体状態量検知手段）
４３…装置状態量検知部（装置状態量検知手段）
４４…目標値生成部（目標値生成手段）
４５…制御部（制御手段）
４６…操作量中間値生成部（操作量中間値生成手段）
４７…積分停止信号生成部（積分停止信号生成手段）
４８…操作量制約部（操作量制約手段）
５０…減算部
５１…積分部
５２…Ｋl部
５３…Ｋｐ部
５４…加算部
５５…減算部
５６…ＰＩ制御部

Claims

流体を供給する流体供給手段と、
前記流体供給手段が供給する流体の状態量である流体状態量を検知する流体状態量検知手段と、
前記流体供給手段の状態量である装置状態量を検知する装置状態量検出手段と、
前記流体状態量の目標値を生成する目標値生成手段と、
検知された前記流体状態量が前記目標値に近づくように、前記装置状態量の指令値を生成する制御手段と、
検知された前記装置状態量が前記指令値に近づくように、操作量中間値を生成する操作量中間値生成手段と、
前記操作量中間値が予め定めた下限値よりも小さい場合に積分停止信号を生成し、前記操作量中間値が予め定めた上限値よりも大きい場合に積分停止信号を生成しない積分停止信号生成手段と、
前記操作量中間値から操作量を生成する操作量制約手段とを備え、
前記操作量に基づいて前記装置状態量が制御され、
前記制御手段は、前記目標値と前記流体状態量との乖離度合いを時間で積分した積分値を演算し、前記積分値に基づいて前記指令値を生成し、積分停止信号が生成された場合に前記積分値の演算を停止する
ことを特徴とする流体制御システム。
前記操作量制約手段は、前記操作量中間値が前記下限値よりも小さい場合に、前記下限値を前記操作量とし、
前記積分停止信号生成手段は、前記操作量中間値が前記操作量よりも小さい場合に前記積分停止信号を生成する
ことを特徴とする請求項１記載の流体制御システム。
前記下限値は、前記流体の流れの向きを維持する最小の操作量であることを特徴とする請求項１又は２記載の流体制御システム。
前記流体供給手段は回転体を回転させることにより前記流体を供給する手段であり、
前記操作量中間値及び前記操作量は前記回転体を回転させるためのトルクであり、
前記積分停止信号生成手段は、前記操作量中間値の符号が変化した場合に再び操作量中間値の符号が変化するまでの間、前記積分停止信号を生成することを特徴とする請求項１記載の流体制御システム。
前記流体供給手段は回転体を回転させることにより前記流体を供給する手段であり、
前記操作量中間値及び前記操作量は前記回転体を回転させるためのトルクであり、
前記操作量制約手段は、前記操作量中間値が前記回転体に印加できるトルクの上限値である上限トルクより大きい場合には前記操作量を上限トルクとし、前記操作量中間値が前記回転体に印加できるトルクの下限値である下限トルクより小さい場合は前記操作量を下限トルクとし、
前記積分停止信号生成手段は、前記操作量中間値が前記下限トルクより小さい場合に前記積分演算停止信号を生成する
ことを特徴とする請求項１記載の流体制御システム。
前記流体供給手段は回転体を回転させることにより前記流体を供給する手段であり、
前記操作量中間値及び前記操作量は前記回転体を回転させるための電流であり、
前記操作量制約手段は、前記操作量中間値の符号が変化する場合に、前記操作量の符号が変化しないように制約することを特徴とする請求項１記載の流体制御システム。
前記流体供給手段は、酸化剤と還元剤を供給して発電する燃料電池へ酸化剤あるいは還元剤の供給手段であり、前記燃料電池に接続されている負荷が増加するに従って酸化剤及び還元剤の供給量を増やすように制御され、
前記積分停止信号生成手段は、前記負荷の減少により前記操作量中間値が前記下限値を下回る場合に前記積分演算停止信号を生成し、前記負荷の増加により前記操作量中間値が前記上限値を上回る場合に前記積分演算停止信号を生成しないことを特徴とする請求項１記載の流体制御システム。
前記目標値生成手段は、前記操作量中間値が前記上限値を上回る時間が所定時間以内となるように前記目標値を生成する請求項４に記載の流体制御システム。
前記目標値生成手段は、予め定めた数値範囲内において前記目標値を生成することを特徴とする請求項１記載の流体制御システム。
前記操作量中間値が前記上限値よりも大きい場合に、前記上限値以下の第１所定値を前記操作量とし、前記操作量中間値が前記下限値よりも小さい場合に、前記下限値以上の第２所定値を前記操作量とすることを特徴とする請求項１記載の流体制御システム。