JP5454987B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池の出力を昇圧するコンバータを備えた燃料電池システムに関する。
例えば燃料電池車両に搭載される燃料電池システムとして、駆動モータ等の負荷と、負荷に電力を供給する燃料電池と、燃料電池と負荷との間に配置されて燃料電池の出力を昇圧するコンバータと、を備え、コンバータの入力側及び出力側にそれぞれ設けられた２つの電圧センサによって測定したコンバータの入力電圧値と出力電圧値とに基づいて、コンバータに対してフィードバック制御を行なうものが知られている。
また、そのような燃料電池システムにおいては、個々の電圧センサが持っているセンサ誤差によって、コンバータの適正な動作に影響を与える場合があることから、例えば特許文献１に開示されているように、コンバータの入口側電位と出口側電位との間の電位差に基づいてコンバータの入力電圧と出力電圧を制御する技術も開発されている。
特開２０１１−０８７４３９号
ところで、コンバータを備えた燃料電池システムにおいては、コンバータ内のスイッチング素子の周期的なオン／オフに伴い、例えば図３及び図４に示すように、コンバータ内のリアクトルを流れる電流（以下、リアクトル電流）が上下動を繰り返すことが知られている。そして、上下動するリアクトル電流の中点の値がリアクトル電流の平均値に一致することに着目し、この中点の値のみをサンプリングしてそれをコンバータの制御に用いることで、応答性の向上を図ることが可能である。
しかしながら、低負荷運転時（例えば、燃料電池システムが燃料電池車両に搭載された場合においては、アイドリング時や渋滞走行時が該当する）においては、コンバータのリアクトルに電力が溜まらず、例えば図３に示すように、リアクトルに電流が流れない状態が断続的に発生する、いわゆる不連続モードと呼ばれる挙動を示す場合がある。
かかる不連続モードでは、リアクトル電流の中点の値と実際の平均電流値との間に乖離が生じる。そのような乖離は、図４に示すような連続モードと呼ばれる挙動を示している場合には生じないので何の問題もないが、燃料電池の出力状態を何ら考慮せずに常にリアクトル電流の中点の値をそのままコンバータの制御に用いることについては、まだ改善の余地がある。
その対策として、燃料電池の出力状態に応じてリアクトル電流をサンプリングするタイミングを変える処理を行なうことも考えられるが、制御が冗長あるいは複雑になる等の課題は残る。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、コンバータ制御の応答性及び精度の向上を図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。
上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料電池と負荷との間に設けられて前記燃料電池の出力を昇圧するコンバータと、前記コンバータを所定のデューティ比で制御するコントロールユニットとを備え、前記コントロールユニットが、前記コンバータ内のリアクトルを流れるリアクトル電流の指令値又は／及び前記リアクトル電流の測定値を用いて算出したフィードフォワード・デューティ及びフィードバック・デューティから前記コンバータに対するデューティ指令値を決定する燃料電池システムであって、前記コントロールユニットは、前記燃料電池に対する要求出力が所定値以下である低負荷運転時においては、前記コンバータ内のスイッチング素子を所定のデューティ比でスイッチング制御することに伴い上下動する前記リアクトル電流の測定値として、オン・デューティである期間の中間のタイミングで測定した中点測定値に所定の係数を乗じたものを設定するものである。
このような構成においては、リアクトル電流の測定値を中点測定値としたまま、その中点測定値に所定の係数を乗じたものをリアクトル電流の測定値として使用することにより、フィードバック制御に使用するリアクトル電流の測定値と実電流の平均値との乖離を抑制することができる。
上記の構成において、前記所定の係数は、前記コンバータの入力電圧及び出力電圧をそれぞれＶＬ及びＶＨ、前記フィードフォワード・デューティをＤＦＦとしたときに、
ＤＦＦ・ＶＨ／（ＶＨ−ＶＬ）
としてもよい。
このような構成においては、低負荷運転時に限定されることなく、それ以外の運転時においても、フィードバック制御に使用するリアクトル電流の測定値として、共通の式から求められる測定値を使用することが可能になり、制御ロジックの共通化を図ることができる。
つまり、前記コントロールユニットは、前記低負荷運転時以外の運転時においても、前記リアクトル電流の測定値として、前記中点測定値に前記ＤＦＦ・ＶＨ／（ＶＨ−ＶＬ）を乗じたものを使用することができる。
また、上記ＤＦＦの代わりに、当該ＤＦＦにフィードバックを反映させた最終指令値（すなわち、フィードフォワード・デューティとフィードバック・デューティとの加算値である前記デューティ指令値）を用いても良い。
つまり、前記所定の係数は、前記コンバータの入力電圧及び出力電圧をそれぞれＶＬ及びＶＨ、前記デューティ指令値をＤとしたときに、
Ｄ・ＶＨ／（ＶＨ−ＶＬ）
としてもよい。
そして、かかる場合において、前記コントロールユニットは、前記低負荷運転時以外の運転時においても、前記リアクトル電流の測定値として、前記中点測定値に前記Ｄ・ＶＨ／（ＶＨ−ＶＬ）を乗じたものを使用することができる。
本発明によれば、コンバータ制御の応答性と精度の向上を図ることができる。
本実施形態に係わる燃料電池車両の電力系の機能ブロック図である。 図１に示す燃料電池用の昇圧コンバータの回路図である。 図２に示すリアクトルを流れる電流の一挙動（不連続モード）を示す図である。 図２に示すリアクトルを流れる電流の他の挙動（連続モード）を示す図である。 図３の要部を拡大等した説明図である。
以下、各図を参照しながら本発明に係わる一実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の電力系の機能ブロックを示す。燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車両は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池２０を主電源とし、充放電可能なバッテリ７０を補助電源として、トラクションインバータ５０に電力を供給し、トラクションモータ（負荷）８０を駆動する。
燃料電池２０は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層してなるスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に形成された空気極と、電解質膜の他方の面に形成された燃料極と、空気極及び燃料極を両側から挟み込む一対のセパレータとを有する。
バッテリ７０は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、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蓄電装置であり、例えば、二次電池（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）が好適である。
燃料電池２０の出力電圧は、燃料電池用の直流電圧変換器であるＤＣ／ＤＣコンバータ３０（以下、第１のコンバータ３０と称する）によって所定の直流電圧に昇圧され、トラクションインバータ５０に供給される。一方、バッテリ７０の出力電圧は、バッテリ用の直流電圧変換器であるＤＣ／ＤＣコンバータ４０（以下、第２のコンバータ４０と称する）によって所定の直流電圧に昇圧され、トラクションインバータ５０に供給される。
トラクションインバータ５０は、燃料電池２０とバッテリ７０との両方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力（例えば、三相交流）に変換し、トラクションモータ８０の回転トルクを制御する。トラクションモータ８０は、例えば、三相交流モータであり、車両走行時には走行推進力を生成する一方、車両制動時には、モータジェネレータとして機能し、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回生電力を回収する。
第２のコンバータ４０は、燃料電池２０の余剰電力又はトラクションモータ８０が回収した回生電力を降圧してバッテリ７０に充電する。
コントロールユニット６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェースを備える制御装置であり、燃料電池２０の運転制御及び車載電力変換器（第１のコンバータ３０、第２のコンバータ４０、及びトラクションインバータ５０）のスイッチング制御等を行う。
例えば、コントロールユニット６０は、イグニッションスイッチからの起動信号を受信すると、燃料電池車両の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号や、その他のセンサから出力される信号などを基に燃料電池システム１０の要求電力を求める。なお、図１では、これらのセンサ類を便宜的に一纏めにして符号９０で示している。燃料電池システム１０の要求電力は、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（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び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、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
コントロールユニット６０は、燃料電池２０とバッテリ７０とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池２０の発電電力が目標電力に一致するように燃料電池２０への燃料ガス及び酸化ガスの供給量を制御するとともに、第１のコンバータ３０を制御して、燃料電池２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。
更に、コントロールユニット６０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５０に出力し、トラクションモータ８０の出力トルク及び回転数を制御する。
図２は第１のコンバータ３０の回路構成を示す。ここでは、第１のコンバータ３０の一例として、公知の直流チョッパを示す。第１のコンバータ３０は、キャリア周波数に応じて周期的にオン／オフを繰り返すスイッチング素子としてのトランジスタＴｒと、リアクトルＬと、平滑用コンデンサＣと、整流素子としてのダイオードＤとを備える。
トランジスタＴｒがオンになると、燃料電池２０から供給されるエネルギーがリアクトルＬに蓄積され、その蓄積されたエネルギーは、トランジスタＴｒがオフになると、ダイオードＤを介して平滑用コンデンサＣに転送される。この過程が繰り返されることで、平滑用コンデンサＣに蓄積されるエネルギーが増大し、入力電圧ＶLに比較して出力電圧ＶHを高めることができる。
ここで、入力電圧ＶLは、燃料電池２０の出力電圧に相当し、出力電圧ＶHは、トラクションインバータ５０に供給される。このような直流チョッパでは、トランジスタＴｒのスイッチング動作の１周期内に占めるオン期間とオフ期間との比率（デューティ比）に応じて昇圧の程度が定まる。
図３及び図４は、トランジスタＴｒのスイッチング動作に伴いリアクトルＬに流れるリアクトル電流の挙動を示す図である。特に、図３は、低負荷運転時（例えば、アイドリング中や渋滞走行中が該当する）、言い換えれば、燃料電池２０に対する出力要求が所定の閾値以下である場合におけるリアクトル電流の挙動を示したものであり、以下、このような挙動を示す状態を不連続モードという場合がある。
また、図４は、通常運転時を含む上記低負荷運転時以外の場合におけるリアクトル電流の挙動を示したものであり、以下、このような挙動を示す状態を連続モードという場合がある。
本実施形態において、コントロールユニット６０から第１のコンバータ３０に指令されるデューティＤref（デューティ指令値）は、リアクトルＬを流れるリアクトル電流をフィードフォワード制御するためのフィードフォワード・デューティ（以下、ＤFF）と、リアクトル電流をフィードバック制御するためのフィードバック・デューティ項（以下、デューティＤFB）との加算値である。
デューティＤFFは、コントロールユニット６０にて演算またはコントロールユニット６０よりも上位のコントロールユニットを備えている場合における当該上位のコントロールユニットから供給されるリアクトル電流の指令値Ｉrefを用いて算出されるものである。また、デューティＤFBは、前記リアクトル電流の指令値Ｉrefと、電流センサによって計測されたリアクトル電流の実測値との偏差を用いて算出されるものである。
図３において、Ｉmesは、リアクトル電流を計測する電流センサのセンサ値（より具体的には、センサ出力をＡ／Ｄ変換した値）のうち、オン・デューティである期間の中間のタイミング（以下、中点と称する。）で取得したセンサ値であり、以下、リアクトル電流の中点測定値と称する場合がある。
Ｉaveは、デューティのオン・オフに伴い上下動するリアクトル電流の平均値である。
そして、本実施形態においては、従来は燃料電池２０の出力状態にかかわらず、言い換えれば、リアクトル電流が図３の不連続モードにあるか、図４の連続モードにあるかにかかわらず、リアクトル電流の中点測定値であり、かつ、電流フィードバック制御のデューティＤFBの演算に用いていたＩmesの代わりに、式１に示すＩmes’を用いることに特徴がある。
Figure 0005454987
この式１からも理解できるように、Ｉmesの代わりにＩmes’を用いることと、Ｉmesに所定の変換係数である
ＶH／（ＶH−ＶL）・ＤFF
を乗じてＩmes’に変換（補正）することとは、等価である。
このＩmes’は、後述するとおり、リアクトル電流が不連続モードであっても連続モードであっても、式３に示すＩaveと同じ値になる。つまり、本実施形態によれば、リアクトル電流のモードが何であるかに関係なく、共通の制御ロジックを用いてリアクトル電流の中点計測値を実電流の平均値に変換することができるので、実電流値を正確に捉えた高精度かつ応答性の高いコンバータ制御が可能となる。
以下、Ｉmes’＝Ｉaveとなる理由について、図２及び図３を参照しながら説明する。
まず、図２の回路構成において、リアクトル電流の時間微分をｄI／ｄｔとしたときには、電磁気学的に、
ＶL＝L・（ｄI／ｄｔ）
の式が成立するから、
ｄI／ｄｔ＝ＶL／L
となる。
一方、図３のリアクトル電流挙動において、オン・デューティの時間をＴonとしたときには、幾何学的に、
Ｉmes＝（ｄＩ／ｄｔ）・（Ｔon／２）、
の式が成立する。
ここで、トランジスタＴｒのスイッチング周期をＴ、スイッチング周波数をｆとしたときには、
Ｔon ＝ＤFF・Ｔ
＝ＤFF・（１／ｆ）
となるから、Ｉmesは、式２に示すとおりとなる。
Figure 0005454987
 そして、このＩmesがコントロールユニット６０によって認識されるリアクトル電流の中点測定値となる。
また、Ｉaveの説明用に、図３の要部を拡大して一部にハッチング等を施した図５において、オフ・デューティである時間のうちリアクトル電流がゼロ以上である時間をＴｘ、Ｔonである間のリアクトル電流の時間積分値をＳ１、Ｔｘである間のリアクトル電流の時間積分値をＳ２、リアクトル電流のピーク値をＩｐとしたときには、幾何学的に、
Ｉave＝（Ｓ１＋Ｓ２）／Ｔ
の式が成立する。
更に、
Ｔonである間については、
Ｓ１＝（１／２）・Ｉｐ・Ｔon、
Ｉｐ＝（ｄＩ／ｄｔ）・Ｔon、及び
ＶＬ＝Ｌ・（ｄＩ／ｄｔ）、
Ｔxである間については、
Ｓ２＝（１／２）・Ｉｐ・Ｔｘ、
Ｉｐ＝（ｄＩ／ｄｔ）・Ｔｘ、及び
ＶＨ−ＶＬ＝Ｌ・（ｄＩ／ｄｔ）
の式が幾何学的又は電磁気学的に成立することも勘案すると、
Ｉaveは、式３に示すとおりとなる。なお、Ｔonである間のｄＩ／ｄｔと、Ｔｘである間のｄＩ／ｄｔとは異なるものである。
Figure 0005454987
そして、式３に示すＩaveの式は、式２のＩmesの式を用いることによって、式４に示すとおりにも表すことができる。
Figure 0005454987
 式１の右辺と式４の右辺は共通しているため、図３に示す不連続モードにおいては、Ｉmes’＝Ｉaveが成立することが理解できる。
ところで、図４に示す連続モードにおいては、
ＤFF＝１−（ＶL／ＶH）
の式が成立するので、この式の右辺を式４のＤFFに代入すると、
Ｉave＝Ｉmesとなる。
つまり、図４に示すような連続モードにおいてもＩmesの代わりに式１に示すＩmes’を用いることができること、言い換えれば、共通の制御ロジックを使用可能であることが理解できる。
以上説明したように、本実施形態においては、不連続モードでリアクトル電流の中点測定値を使用しても、その中点測定値を平均電流値に変換することができるので、中点測定値と平均電流値との乖離の発生が抑制されることになる。したがって、コンバータ制御の応答性向上と高精度化の両立を図ることができる。
さらに、リアクトル電流のモードにかかわらず、共通の制御ロジックを使用することができることができるので、連続モードと不連続モードとの間で制御ロジックを切り替える必要がない。よって、コンバータ制御の冗長化や複雑化も抑制される。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態のＤＦＦの代わりに、当該ＤＦＦにフィードバックを反映させた最終指令値（すなわち、フィードフォワード・デューティとフィードバック・デューティとの加算値であるデューティ指令値）を用いても良い。
つまり、コンバータの入力電圧及び出力電圧をそれぞれＶＬ及びＶＨ、デューティ指令値をＤとしたときに、所定の係数を、
Ｄ・ＶＨ／（ＶＨ−ＶＬ）
とすることができる。
そして、かかる場合において、前記コントロールユニットは、低負荷運転時以外の運転時においても、リアクトル電流の測定値として、中点測定値にＤ・ＶＨ／（ＶＨ−ＶＬ）を乗じたものを使用することができる。
１０…燃料電池システム、２０…燃料電池、３０…第１のコンバータ（コンバータ）、６０…コントロールユニット、８０…トラクションモータ（負荷）、Ｌ…リアクトル、Ｔｒ…トランジスタ（スイッチング素子）

Claims (4)

  1. 燃料電池と負荷との間に設けられて前記燃料電池の出力を昇圧するコンバータと、前記コンバータを所定のデューティ比で制御するコントロールユニットとを備え、
    前記コントロールユニットが、前記コンバータ内のリアクトルを流れるリアクトル電流の指令値又は／及び前記リアクトル電流の測定値を用いて算出したフィードフォワード・デューティ及びフィードバック・デューティから前記コンバータに対するデューティ指令値を決定する燃料電池システムであって、
    前記コントロールユニットは、前記燃料電池に対する要求出力が所定値以下である低負荷運転時においては、前記コンバータ内のスイッチング素子を所定のデューティ比でスイッチング制御することに伴い上下動する前記リアクトル電流の測定値として、オン・デューティである期間の中間のタイミングで測定した中点測定値に所定の係数を乗じたものを設定するものであり、
    前記所定の係数は、前記コンバータの入力電圧及び出力電圧をそれぞれＶＬ及びＶＨ、前記フィードフォワード・デューティをＤＦＦとしたときに、
    ＤＦＦ・ＶＨ／（ＶＨ−ＶＬ）
    である、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記コントロールユニットは、前記低負荷運転時以外の運転時においても、前記リアクトル電流の測定値として、前記中点測定値に前記ＤＦＦ・ＶＨ／（ＶＨ−ＶＬ）を乗じたものを使用する、燃料電池システム。
  3. 燃料電池と負荷との間に設けられて前記燃料電池の出力を昇圧するコンバータと、前記コンバータを所定のデューティ比で制御するコントロールユニットとを備え、
    前記コントロールユニットが、前記コンバータ内のリアクトルを流れるリアクトル電流の指令値又は／及び前記リアクトル電流の測定値を用いて算出したフィードフォワード・デューティ及びフィードバック・デューティから前記コンバータに対するデューティ指令値を決定する燃料電池システムであって、
    前記コントロールユニットは、前記燃料電池に対する要求出力が所定値以下である低負荷運転時においては、前記コンバータ内のスイッチング素子を所定のデューティ比でスイッチング制御することに伴い上下動する前記リアクトル電流の測定値として、オン・デューティである期間の中間のタイミングで測定した中点測定値に所定の係数を乗じたものを設定するものであり、
    前記所定の係数は、前記コンバータの入力電圧及び出力電圧をそれぞれＶＬ及びＶＨ、前記デューティ指令値をＤとしたときに、
    Ｄ・ＶＨ／（ＶＨ−ＶＬ）
    である、燃料電池システム。
  4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    前記コントロールユニットは、前記低負荷運転時以外の運転時においても、前記リアクトル電流の測定値として、前記中点測定値に前記Ｄ・ＶＨ／（ＶＨ−ＶＬ）を乗じたものを使用する、燃料電池システム。
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