JP6753289B2 - Fuel cell system - Google Patents
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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.
燃料電池システムは、燃料電池を発電させて、モータなどの外部負荷や、システム内部の補機類などからの要求に応じた目標電力を出力する。燃料電池システムには、燃料電池の出力電力を外部負荷や、補機類に対して安定的に出力するために、コンバータを用いて燃料電池の出力電圧を昇圧する制御システムが組み込まれている。コンバータは、例えば、インダクタンス素子であるリアクトルと、リアクトルに対する電流(以下、「リアクトル電流」と呼ぶ)の流れを制御するスイッチング素子と、で構成される。かかる昇圧制御は、リアクトル電流の平均値に基づいて、スイッチング素子のオン時間とオフ時間との割合を示すデューティ比をフィードバック制御することにより行う。一般的に、リアクトル電流は、スイッチング素子の周期的なオン/オフに伴って上昇と下降とを繰り返す。特許文献1には、スイッチング素子のオン時間におけるリアクトル電流の中点の値に所定の係数を乗じて得られる値をリアクトル電流の平均値として算出する技術が開示されている。 The fuel cell system generates electricity from the fuel cell and outputs the target electric power in response to an external load such as a motor or an auxiliary machine inside the system. The fuel cell system incorporates a control system that boosts the output voltage of the fuel cell using a converter in order to stably output the output power of the fuel cell to an external load and accessories. The converter is composed of, for example, a reactor which is an inductance element and a switching element which controls the flow of a current (hereinafter, referred to as “reactor current”) with respect to the reactor. Such boost control is performed by feedback controlling the duty ratio indicating the ratio between the on-time and the off-time of the switching element based on the average value of the reactor current. In general, the reactor current repeats rising and falling as the switching element is periodically turned on and off. Patent Document 1 discloses a technique of calculating a value obtained by multiplying the value of the midpoint of the reactor current at the on-time of the switching element by a predetermined coefficient as the average value of the reactor current.
しかしながら、特許文献1に記載の技術は、スイッチング素子のオン時間におけるリアクトル電流値の上昇量と、スイッチング素子のオフ時間におけるリアクトル電流値の下降量とが等しいことを前提としている。例えば、目標電力が短時間で著しく変化した場合に、リアクトル電流値の上昇量と下降量とが異なる場合がある。この場合、特許文献1に記載のリアクトル電流の平均値算出方法を用いると、算出されたリアクトル電流の平均値の誤差が大きくなってしまうおそれがある。そこで、リアクトル電流値の上昇量と下降量とが異なっている場合であっても、リアクトル電流の平均値を精度よく算出する技術が求められている。 However, the technique described in Patent Document 1 is based on the premise that the amount of increase in the reactor current value during the on-time of the switching element is equal to the amount of decrease in the reactor current value during the off-time of the switching element. For example, when the target power changes significantly in a short time, the amount of increase and decrease of the reactor current value may differ. In this case, if the method for calculating the average value of the reactor current described in Patent Document 1 is used, the error of the calculated average value of the reactor current may become large. Therefore, there is a demand for a technique for accurately calculating the average value of the reactor current even when the amount of increase and decrease of the reactor current value are different.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.
(1)本発明の一実施形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、リアクトルを有し、前記リアクトルに流れる電流値に基づいて燃料電池の出力電圧を制御するコンバータを備える燃料電池システムであって、前記リアクトルの電流平均値ILavgを算出する平均値算出部と;前記リアクトルに接続され、前記リアクトルからの電流出力のオンオフを切り替えるスイッチング素子と;前記電流平均値に基づいて前記スイッチング素子のオンオフを制御することにより、前記電流値が上昇した後連続して下降するように前記出力電圧を制御する出力電圧制御部と;を備え;前記平均値算出部は、前記電流値が上昇する上昇期間中の任意の時間t1における電流値IL1および該時間t1よりも後の時間t2における電流値IL2と、前記電流値が下降する下降期間中の任意の時間であって前記電流値がゼロでない時間t3における電流値IL3と、をそれぞれ取得する電流値取得部と;前記時間t1と、前記時間t2と、前記電流値IL1と、前記電流値IL2と、を基に、線形補間法を用いて、前記上昇期間の開始時間である時間t4および該時間t4における電流値IL4と、前記上昇期間の終了時間且つ前記下降期間の開始時間である時間t5および該時間t5における電流値IL5と、を算出すると共に、前記時間t3と、前記時間t5と、前記電流値IL3と、前記電流値IL5と、を基に、線形補間法を用いて、前記下降期間の終了時間である時間t6および該時間t6における電流値IL6と、を算出する算出部と;を有し、式(1)を用いて前記電流平均値ILavgを算出する。
この形態の燃料電池システムによれば、上昇期間の開始時刻である時間t4および該時間t4における電流値IL4と、上昇期間の終了時間且つ下降期間の開始時間である時間t5および該時間t5における電流値IL5と、下降期間の終了時間である時間t6および該時間t6における電流値IL6と、を算出し、これらの情報を利用して電流平均値ILavgを算出するので、リアクトル電流値ILの上昇量と下降量とが異なっている場合であっても、電流平均値ILavgを精度よく算出できる。 The fuel cell system of this embodiment, a current value IL 4 in the time which is the start time of the rising period t 4 and said time t 4, the start time of the end time and the falling period of the rising period time t 5 and the calculating a current value IL 5 at time t 5, the current value IL 6 at the end time for a period of time t 6 and said time t 6 of the falling period, is calculated, and using this information the current average value IL avg Therefore, even when the amount of increase and decrease of the reactor current value IL are different, the current average value IL avg can be calculated accurately.
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、コンバータを備える車両や、コンバータシステムにおける電力制御方法、スイッチング素子のオンオフ制御方法等の形態においても実現できる。 The present invention can also be realized in various forms. For example, it can be realized in a vehicle equipped with a converter, a power control method in a converter system, an on / off control method of a switching element, and the like.
A.実施形態:
A1.燃料電池システムの全体構成:
図1は、本発明の実施形態における燃料電池システム100の電気的構成を示す説明図である。この燃料電池システム100は、燃料電池車両に搭載され、運転者の要求に応じて燃料電池車両の駆動力を発生させる。燃料電池システム100は、燃料電池10と、燃料電池コンバータ11と、二次電池15と、二次電池コンバータ16と、駆動モータ20と、DC/ACインバータ21と、第1電圧検出部31と、第2電圧検出部32と、制御部50と、を備える。
A. Embodiment:
A1. Overall configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an electrical configuration of the
燃料電池10は、燃料電池システム100の電力源であり、反応ガスとして水素ガスと空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池10として、固体高分子型燃料電池に限定されることなく、種々のタイプの燃料電池を採用することが可能である。例えば、燃料電池10としては、固体高分子型燃料電池に代えて、固体酸化物型燃料電池が採用されてもよい。燃料電池10は、第1直流導線1を介して、燃料電池コンバータ11の入力端子に接続されている。
The
燃料電池コンバータ11は、制御部50からの指示に応じて、燃料電池10から入力された電圧を目標電圧まで昇圧して出力する昇圧型コンバータである。具体的には、燃料電池コンバータ11は、リアクトル(後述のリアクトル61)に流れる電流値(以下、「リアクトル電流値IL」と呼ぶ)に基づいて燃料電池10の出力電圧を制御する。燃料電池コンバータ11の出力端子は、第2直流導線2を介してDC/ACインバータ21の直流端子に接続されている。燃料電池コンバータ11は、リアクトル電流値ILを制御部50に送信する。燃料電池コンバータ11の詳細構成については、後述する。
The
二次電池15は、例えば、リチウムイオン電池によって構成され、燃料電池10とともに燃料電池システム100の電力源として機能する。二次電池15は、第3直流導線3を介して二次電池コンバータ16の入力端子に接続されている。
The
二次電池コンバータ16は、制御部50からの指示に応じて、燃料電池コンバータ11と協働してDC/ACインバータ21の入力電圧(第2直流導線2における電圧)を調整する。また、二次電池コンバータ16は、二次電池15の充電および放電を制御する。二次電池コンバータ16は、燃料電池コンバータ11と同様な構成を有する昇圧型コンバータである。二次電池コンバータ16の出力端子は、第4直流導線4を介して、第2直流導線2に接続されている。
The
駆動モータ20は、燃料電池車両の車輪を駆動する動力源であり、例えば、三相交流モータによって構成される。駆動モータ20は、交流導線を介してDC/ACインバータ21の交流端子に接続されている。
The
DC/ACインバータ21は、制御部50からの指示に応じて、燃料電池10および二次電池15から第2直流導線2を介して供給される直流電力を三相交流の電力に変換して駆動モータ20に供給する。また、DC/ACインバータ21は、駆動モータ20において発生する回生電力を直流電力に変換して第2直流導線2に出力する。
The DC /
第1電圧検出部31は、第1直流導線1に接続されており、燃料電池コンバータ11の入力電圧を計測する。第2電圧検出部32は、第2直流導線2に接続されており、燃料電池コンバータ11の出力電圧を計測する。第1電圧検出部31および第2電圧検出部32は、それぞれ、入力電圧の計測値VLおよび出力電圧の計測値VHを制御部50に出力する。燃料電池コンバータ11の入力電圧および出力電圧は、燃料電池コンバータ11におけるリアクトル(後述のリアクトル61)の入力電圧および出力電圧に相当する。
The first
制御部50は、燃料電池コンバータ11と、二次電池コンバータ16と、DC/ACインバータ21とを制御することによって、燃料電池10および二次電池15の出力を制御して、外部からの出力要求に応じた駆動力を駆動モータ20に発生させる。制御部50は、燃料電池コンバータ11と、二次電池コンバータ16と、DC/ACインバータ21と、に電気的に接続されている。制御部50は、燃料電池コンバータ11から受信したリアクトル電流値ILを燃料電池コンバータ11の制御に用いる。本実施形態では、制御部50は、コンピュータにより構成されている。制御部50のCPUは、制御部50内のメモリに予め格納されている制御プログラムを実行することにより、出力電圧制御部51と、平均値算出部52として機能する。平均値算出部52は、電流値取得部53と、算出部54と、を有する。
The
出力電圧制御部51は、リアクトル電流値ILの平均値に基づいて燃料電池10の出力電圧の制御を行う。具体的には、スイッチング素子63のターンオン時間とターンオフ時間との割合を示すデューティ比を制御することにより行う。かかるデューティ比は、リアクトル電流値ILの平均値に基づいてフィードバック制御される。
The output
平均値算出部52は、電流値取得部53により取得されたリアクトル電流値IL(実測値)と、算出部54により算出されたリアクトル電流値IL(算出値)とに基づいて、リアクトル電流値ILの平均値(以下、「電流平均値ILavg」と呼ぶ)を算出する。なお、電流平均値ILavgの算出方法の詳細については、後述する。
The average
電流値取得部53は、燃料電池コンバータ11のリアクトル(後述のリアクトル61)に流れるリアクトル電流値IL(実測値)を取得する。
The current
算出部54は、電流値取得部53により取得されたリアクトル電流値IL(実測値)を基に、リアクトル電流値ILが上昇する上昇期間(以下、単に「上昇期間」と呼ぶ)の開始時間および終了時間におけるリアクトル電流値ILと、リアクトル電流値ILが下降する下降期間(以下、単に「下降期間」と呼ぶ)の終了時間におけるリアクトル電流値ILを算出する。
Based on the reactor current value IL (actual measurement value) acquired by the current
A2.燃料電池コンバータの詳細構成:
図2は、燃料電池コンバータ11の詳細構成を示すブロック図である。図2では、第3直流導線3および第4直流導線4の図示を省略している。燃料電池コンバータ11は、互いに並列に接続された4つの電圧変換回路(第1電圧変換回路11U、第2電圧変換回路11V、第3電圧変換回路11Wおよび第4電圧変換回路11X)と、4つの電流センサ(第1電流センサ67U、第2電流センサ67V、第3電流センサ67Wおよび第4電流センサ67X)と、平滑コンデンサ66と、を備える。
A2. Detailed configuration of fuel cell converter:
FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of the
各電圧変換回路11U〜11Xは、電源ライン5と、接地ライン6とに接続されている。電源ライン5は、燃料電池10とDC/ACインバータ21とで共通の電源ラインである。接地ライン6は、燃料電池10とDC/ACインバータ21とで共通の接地ラインである。各電圧変換回路11U〜11Xの後段には、平滑コンデンサ66が電源ライン5と接地ライン6との間に介挿されている。平滑コンデンサ66は、電源ライン5と接地ライン6との間の電圧変動を低減する。
The voltage conversion circuits 11U to 11X are connected to the power supply line 5 and the ground line 6. The power supply line 5 is a common power supply line for the
各電圧変換回路11U〜11Xは、リアクトル61と、出力用ダイオード62と、スイッチング素子63と、を備える。各電圧変換回路11U〜11Xのリアクトル61は、電源ライン5に電流センサ67U〜67Xを介して接続されている。各電流センサ67U〜67Xは、各電圧変換回路11U〜11Xのリアクトル61に流れる電流の電流値を計測し、その測定値ILU、ILv、ILWおよびILxを制御部50に送信する。なお、本明細書では、便宜上、各電圧変換回路11U〜11Xのリアクトル電流の測定値ILU、ILv、ILWおよびILxを総称して、「リアクトル電流値IL」と呼ぶ。
Each voltage conversion circuit 11U to 11X includes a
各電圧変換回路11U〜11Xの出力用ダイオード62は、リアクトル61の出力側と電源ライン5との間に順方向に介装されている。スイッチング素子63は、リアクトル61の出力側と接地ライン6との間に介装されている。各スイッチング素子63は、トランジスタ64および保護用ダイオード65により構成されている。
The
各電圧変換回路11U〜11Xのトランジスタ64は、npnタイプのトランジスタであり、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)や、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、電力用バイポーラトランジスタなどによって構成される。トランジスタ64は、リアクトル61側をコレクタとし、接地ライン6側をエミッタとして接続されている。保護用ダイオード65は、トランジスタ64のコレクタ−エミッタ間に、コレクタ電流の流れる方向とは逆方向に接続されている。
The
各電圧変換回路11U〜11Xのトランジスタ64のベース端子には、制御部50により設定されたデューティ比に基づいて生成された制御信号SU、SV、SW、SXが制御部50から入力される。なお、本明細書では、便宜上、各電圧変換回路11U〜11Xの制御信号SU、SV、SWおよびSXを区別することなく、総称して「制御信号S」と呼ぶ。各電圧変換回路11U〜11Xのスイッチング素子63は、制御信号Sに応じてターンオンとターンオフとを繰り返す。
Control signals SU, SV, SW, and SX generated based on the duty ratio set by the
スイッチング素子63がターンオンすると、燃料電池10からリアクトル61を介してスイッチング素子63に電流が流れ始め、リアクトル61に直流励磁による磁気エネルギーが蓄積される。スイッチング素子63がターンオフすると、ターンオンしていた期間にリアクトル61に蓄積された磁気エネルギーは、出力用ダイオード62および電源ライン5を介して、DC/ACインバータ21に出力される。
When the switching
リアクトル61には、スイッチング素子63がターンオンしてリアクトル61に電流が流れている間に磁気エネルギーが蓄積され、スイッチング素子63がターンオフしている間に、蓄積された磁気エネルギーが放出される。したがって、スイッチング素子63は、リアクトル61からの電流出力のオンオフを切り替えることによって、リアクトル61に蓄積されるエネルギーを制御することができ、各電圧変換回路11U〜11Xのリアクトル61に平均的に流れる電流(実効電流)を制御することができる。
Magnetic energy is stored in the
各電圧変換回路11U〜11Xには、各電圧変換回路11U〜11Xのスイッチング素子63が順次繰り返しターンオンされるように、制御信号Sが送信される。そのため、各電圧変換回路11U〜11Xの出力電圧が順次、燃料電池10の出力電圧より高くなり、DC/ACインバータ21に入力される電圧は、燃料電池10の出力電圧より高く維持される。このため、上述の出力電圧制御部51は、リアクトル61の電流平均値ILavgに基づいて、スイッチング素子63のターンオン・ターンオフのタイミングを制御して、燃料電池10の出力電圧を制御する。以上の動作によって、燃料電池コンバータ11は、燃料電池10から入力された電圧を目標電圧まで昇圧してDC/ACインバータ21に入力する。
A control signal S is transmitted to the voltage conversion circuits 11U to 11X so that the switching
A3.燃料電池コンバータ11の動作モード:
上述のように、スイッチング素子63がターンオンされるとリアクトル電流値ILが増加し始め、スイッチング素子63がターンオフされるとリアクトル電流値ILは低下し始める。換言すると、リアクトル電流値ILは、スイッチング素子63がターンオンされている期間(以下、「オン期間Ton」と呼ぶ)には上昇し、スイッチング素子63がターンオフされている期間(以下、「オフ期間Toff」と呼ぶ)には下降する。したがって、スイッチング素子63における1周期(以下、「1周期間T」と呼ぶ)内において、リアクトル電流値ILは、上昇の後連続して下降する。
A3. Operation mode of the fuel cell converter 11:
As described above, when the switching
ここで、燃料電池コンバータ11の動作モードとして、スイッチング素子63のオン期間Tonとオフ期間Toffとの比に応じて、リアクトル61に電流が流れ続ける「連続モード」と、リアクトル61に電流が断続的に流れる「不連続モード」とが存在する。以降の説明では、連続モードと不連続モードとのそれぞれにおいて、リアクトル61の電流平均値ILavgの算出方法について説明する。
Here, as the operation mode of the
A4.連続モードにおける電流平均値ILavgの算出方法:
図3は、連続モードにおけるリアクトル電流値ILの時間変化の一例を示す説明図である。図3において、縦軸はリアクトル電流値ILを示し、横軸は時間を示している。図3では、連続モードにおけるおよそ2周期分のリアクトル電流値ILの時間変化を示している。図3では、リアクトル電流値ILの時間変化を示す図の上部に、スイッチング素子63におけるオン期間Tonおよびオフ期間Toffの時間変化も示している。図3に示すように、時間t0において、スイッチング素子63がターンオンされると、応答遅れdの後、時間t4からリアクトル電流値ILの上昇が開始する。そして、スイッチング素子63がターンオフされると、応答遅れdの後、時間t5からリアクトル電流値ILの下降が開始する。図3に示すように、上昇期間の終了時間と、下降期間の開始時間とは、いずれも時間t5で一致している。時間t5においてリアクトル電流値ILの下降が開始し、時間t6において、1周期目のリアクトル電流値ILの下降期間が終了するとともに、2周期目の上昇期間が開始する。
A4. Calculation method of current average value IL avg in continuous mode:
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a time change of the reactor current value IL in the continuous mode. In FIG. 3, the vertical axis represents the reactor current value IL, and the horizontal axis represents time. FIG. 3 shows the time change of the reactor current value IL for about two cycles in the continuous mode. In FIG. 3, the time change of the on period Ton and the off period To off of the switching
本実施形態において、時間t0およびオン期間Tonは、制御部50において管理されている。また、応答遅れdは、フィードバック制御による応答遅れであり、設計計測や実測等により定まる値である。
In the present embodiment, the time t 0 and the on period Ton are managed by the
リアクトル電流値ILの電流平均値ILavgは、下記式(2)で表すことができる。 The current average value IL avg of the reactor current value IL can be expressed by the following equation (2).
式(2)において、S1の面積は、オン期間Tonにおけるリアクトル61に蓄積された電荷の総和を意味する。S2の面積は、オフ期間Toffにおいてリアクトル61に蓄積された電荷の総和を意味する。図3に示すように、S1およびS2は、それぞれ台形形状を有しているので、電流平均値ILavgは、下記式(3)で表すことができる。
In the formula (2), the area of S1 is meant the sum of the charges accumulated in the
したがって、上記式(3)に示す電流平均値ILavgを算出するためには、台形S1における2つの頂点である時間t4および時間t5と、台形S2における1つの頂点である時間t6と、各時間t4、t5およびt6におけるリアクトル電流値IL4、IL5およびIL6と、を算出すればよい。ここで、台形S1における2つの頂点は、換言すると、上昇期間の開始時間t4と、上昇期間の終了時間且つ下降期間の開始時間t5である。また、台形S2における1つの頂点は、換言すると、下降期間の終了時間t6である。上昇期間の開始時間t4および該時間におけるリアクトル電流値IL4、上昇期間の終了時間且つ下降期間の開始時間t5および該時間におけるリアクトル電流値IL5および下降期間の終了時間t6および該時間におけるリアクトル電流値IL6は、それぞれ以下のようにして算出できる。 Therefore, in order to calculate the current average value IL avg shown in the above equation (3), the time t 4 and the time t 5 which are two vertices in the trapezoid S1 and the time t 6 which are one vertices in the trapezoid S2 are used. , The reactor current values IL 4 , IL 5 and IL 6 at each time t 4 , t 5 and t 6 may be calculated. Here, two vertices in trapezoidal S1 is, in other words, the start time t 4 increasing period, a start time t 5 of the end time and the falling period of the rising period. Further, one vertex in the trapezoid S2 is, in other words, the end time t 6 of the descending period. Rise period start time t 4 and reactor current value IL 4 at that time, rise period end time and fall period start time t 5 and reactor current value IL 5 at that time and fall period end time t 6 and time The reactor current value IL 6 in the above can be calculated as follows.
図4は、連続モードにおける電流平均値ILavgの算出方法を説明するための説明図である。図4において、縦軸はリアクトル電流値ILを示し、横軸は時間を示している。図4では、図3に示したリアクトル電流値ILの時間変化と同様のリアクトル電流値ILの時間変化を示している。また、図3と同様に、リアクトル電流値ILの時間変化を示す図の上部に、スイッチング素子63におけるオン期間Tonおよびオフ期間Toffの時間変化を示している。
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a method of calculating the current average value IL avg in the continuous mode. In FIG. 4, the vertical axis represents the reactor current value IL, and the horizontal axis represents time. FIG. 4 shows a time change of the reactor current value IL similar to the time change of the reactor current value IL shown in FIG. Further, as in FIG. 3, the time change of the on period Ton and the off period To off of the switching
上昇期間の開始時間t4は、以下のようにして算出する。図4に示すように、時間t4は、時間t0から応答遅れdだけ遅い時間である。したがって、時間t4は、下記式(4)により算出できる。なお、上述のように、時間t0、オン期間Tonおよび応答遅れdは、それぞれ既知の値である。 Start time t 4 of the rising period is calculated as follows. As shown in FIG. 4, the time t 4 is a time later than the time t 0 by the response delay d. Therefore, the time t 4 can be calculated by the following equation (4). As described above, the time t 0 , the on period Ton, and the response delay d are known values, respectively.
上昇期間の終了時間且つ下降期間の開始時間t5は、以下のようにして算出する。図4に示すように、時間t5は、時間t0から開始したオン期間Tonと応答遅れdを加えた値である。したがって、時間t5は、下記式(5)により算出できる。 Start time t 5 of the end time and the falling period of the rising period is calculated as follows. As shown in FIG. 4, the time t 5, a value obtained by adding the response delay d and the on-period T on which starting from time t 0. Therefore, the time t 5 can be calculated by the following equation (5).
上昇期間の開始時間t4におけるリアクトル電流値IL4および上昇期間の終了時間且つ下降期間の開始時間t5におけるリアクトル電流値IL5は、以下のようにして算出する。まず、電流値取得部53は、上昇期間中の任意の時間t1におけるリアクトル電流値IL1(実測値)と、上昇期間中の時間t1よりも後の時間t2におけるリアクトル電流値IL2(実測値)と、をそれぞれ取得する。具体的には、電流値取得部53は、各電流センサ67U〜67Xから取得したリアクトル電流値ILをAD変換することにより取得する。図4では、リアクトル電流値IL1(実測値)およびリアクトル電流値IL2(実測値)をそれぞれ黒丸で示している。
The reactor current value IL 4 at the start time t 4 of the ascending period and the reactor current value IL 5 at the end time of the ascending period and the start time t 5 of the descending period are calculated as follows. First, the current
図4に示すように、リアクトル電流値ILの上昇を示す直線は、傾きが一定である。このため、線形補間法を用いると、時間t4におけるリアクトル電流値IL4と時間t1におけるリアクトル電流値IL1との関係と、時間t1におけるリアクトル電流値IL1と時間t2におけるリアクトル電流値IL2との関係とは、下記式(6)の関係が成立する。 As shown in FIG. 4, the straight line showing the increase in the reactor current value IL has a constant slope. Therefore, the use of linear interpolation, the relationship between the reactor current IL 1 in the reactor current value IL 4 and the time t 1 at time t 4, the reactor current in the reactor current value IL 1 and the time t 2 at time t 1 As for the relationship with the value IL 2 , the relationship of the following equation (6) is established.
式(6)を変形すると、時間t4におけるリアクトル電流値IL4は、下記式(7)で表すことができる。 By modifying the equation (6), the reactor current value IL 4 at the time t 4 can be expressed by the following equation (7).
時間t5におけるリアクトル電流値IL5についても同様に、線形補間法を用いると、時間t5におけるリアクトル電流値IL5と時間t1におけるリアクトル電流値IL1との関係と、時間t1におけるリアクトル電流値IL1と時間t2におけるリアクトル電流値IL2との関係とは、下記式(8)の関係が成立する。 Similarly for reactor current IL 5 at time t 5, the use of linear interpolation, the relationship between the reactor current IL 1 in the reactor current value IL 5 and the time t 1 at time t 5, the reactor at time t 1 As for the relationship between the current value IL 1 and the reactor current value IL 2 at time t 2 , the relationship of the following equation (8) is established.
式(8)を変形すると、時間t5におけるリアクトル電流値IL5は、下記式(9)で表すことができる。 By modifying the equation (8), the reactor current value IL 5 at the time t 5 can be expressed by the following equation (9).
図4では、線形補間法により算出したリアクトル電流値IL4およびリアクトル電流値IL5をそれぞれ白丸で示している。 In FIG. 4, the reactor current value IL 4 and the reactor current value IL 5 calculated by the linear interpolation method are indicated by white circles, respectively.
下降期間の終了時間t6は、以下のようにして算出する。まず、図4に示す、時間t7を算出する。図4に示すように、時間t7は、時間t0から応答遅れdが生じた後、1周期間Tが経過した時間である。したがって、時間t7は、下記式(10)により算出できる。 End time t 6 of the falling period is calculated as follows. First, the time t 7 shown in FIG. 4 is calculated. As shown in FIG. 4, the time t 7 is the time during which T has elapsed for one cycle after the response delay d has occurred from the time t 0 . Therefore, the time t 7 can be calculated by the following equation (10).
時間t7におけるリアクトル電流値IL7は、上述のリアクトル電流値IL4およびリアクトル電流値IL5と同様に、線形補間法を用いることにより、算出できる。具体的には、電流値取得部53は、下降期間中の任意の時間t3におけるリアクトル電流値IL3(実測値)を取得する。なお、本実施形態において、時間t3は、リアクトル電流値ILがゼロでない時間を選択する。図4では、リアクトル電流値IL3(実測値)を黒丸で示している。
The reactor current value IL 7 at time t 7 can be calculated by using the linear interpolation method in the same manner as the reactor current value IL 4 and the reactor current value IL 5 described above. Specifically, the current
図4に示すように、リアクトル電流値ILの下降を示す直線は、リアクトル電流値ILの上昇を示す直線と同様に、傾きが一定である。また、上述のように、下降期間の開始時間は、上昇期間の終了時間、すなわち、時間t5と同じである。このため、線形補間法を用いると、時間t7におけるリアクトル電流値IL7と時間t5におけるリアクトル電流値IL5との関係と、時間t3におけるリアクトル電流値IL3と時間t5におけるリアクトル電流値IL5との関係とは、下記式(11)の関係が成立する。 As shown in FIG. 4, the straight line indicating the decrease in the reactor current value IL has a constant slope, similarly to the straight line indicating the increase in the reactor current value IL. Further, as described above, the start time of the falling period, the end time of the rising period, i.e., the same as the time t 5. Therefore, the use of linear interpolation, the relationship between the reactor current value IL 5 in reactor current value IL 7 and time t 5 at time t 7, the reactor current in the reactor current value IL 3 and the time t 5 at time t 3 As for the relationship with the value IL 5 , the relationship of the following equation (11) is established.
式(11)を変形すると、時間t7におけるリアクトル電流値IL7は、下記式(12)で表すことができる。 By modifying the equation (11), the reactor current value IL 7 at the time t 7 can be expressed by the following equation (12).
ここで、連続モードの場合は、リアクトル電流値IL7は、0以上の値をとる。したがって、リアクトル電流値IL7が0以上の値であった場合には、連続モードであるとして、時間t7と時間t6と、リアクトル電流値IL7とリアクトル電流値IL6とは、それぞれ一致することになる。したがって、上記式(12)において、時間t7を時間t6に、リアクトル電流値IL7をリアクトル電流値IL6に、それぞれ置き換えることにより、リアクトル電流値IL6は、下記式(13)で表すことができる。 Here, in the continuous mode, the reactor current value IL 7 takes a value of 0 or more. Therefore, when the reactor current value IL 7 is 0 or more, the time t 7 and the time t 6 and the reactor current value IL 7 and the reactor current value IL 6 are the same as in the continuous mode. Will be done. Therefore, in the above equation (12), the reactor current value IL 6 is expressed by the following equation (13) by replacing the time t 7 with the time t 6 and the reactor current value IL 7 with the reactor current value IL 6. be able to.
上述の手順により算出した、上昇期間の開始時間t4および該時間t4におけるリアクトル電流値IL4と、上昇期間の終了時間且つ下降期間の開始時間t5および該時間t5におけるリアクトル電流値IL5と、下降期間の終了時間t6および該時間t6におけるリアクトル電流値IL6と、を、上記式(3)に代入すれば、電流平均値ILavgを算出できる。 Was calculated by the above procedure, the reactor current IL 4 at the start time of the rising period t 4 and said time t 4, the reactor current IL at the start time of the end time and the falling period of the rising period t 5 and said time t 5 By substituting 5 and the reactor current value IL 6 at the end time t 6 of the descending period and the time t 6 into the above equation (3), the current average value IL avg can be calculated.
A5.不連続モードにおける電流平均値ILavgの算出方法:
図5は、不連続モードにおけるリアクトル電流値ILの時間変化の一例を示す説明図である。図5において、縦軸はリアクトル電流値ILを示し、横軸は時間を示している。図5では、不連続モードにおけるおよそ2周期分のリアクトル電流値ILの時間変化を示している。また、図3と同様に、リアクトル電流値ILの時間変化を示す図の上部に、スイッチング素子63におけるオン期間Tonおよびオフ期間Toffの時間変化も示している。上述のように、不連続モードは、リアクトル61に断続的に電流が流れる状態である。
A5. Calculation method of current average value IL avg in discontinuous mode:
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of a time change of the reactor current value IL in the discontinuous mode. In FIG. 5, the vertical axis represents the reactor current value IL, and the horizontal axis represents time. FIG. 5 shows the time change of the reactor current value IL for about two cycles in the discontinuous mode. Further, similarly to FIG. 3, the time change of the on period Ton and the off period To off of the switching
図5に示すように、スイッチング素子63がターンオンされると、上述の連続モードと同様に、応答遅れdの後、時間t4からリアクトル電流値ILの上昇が開始する。スイッチング素子63がターンオフとされると、応答遅れdの後、時間t5においてリアクトル電流値ILの下降が開始し、時間t6においてリアクトル電流値ILがゼロとなる。その後、上述の連続モードの場合と異なり、リアクトル電流値ILがゼロの状態が所定の時間続いた後、再びスイッチング素子63がターンオンされると、応答遅れdの後、リアクトル電流値ILが再び上昇を開始する。
As shown in FIG. 5, when the switching
不連続モードにおける電流平均値ILavgは、連続モードにおける電流平均値ILavgの算出方法と同様にして算出できる。具体的には、電流平均値ILavgは、上記式(2)で表せる。図5に示すように、S1およびS2は、それぞれ三角形形状を有しているので、電流平均値ILavgは、下記式(14)で表すことができる。 Current average value IL avg in the discontinuous mode can be calculated by the same method of calculating the current average value IL avg in the continuous mode. Specifically, the current average value IL avg can be expressed by the above equation (2). As shown in FIG. 5, since S1 and S2 each have a triangular shape, the current average value IL avg can be expressed by the following equation (14).
不連続モードの場合、図5に示すように、上昇期間の開始時間t4におけるリアクトル電流値IL4と、下降期間の終了時間t6におけるリアクトル電流値IL6とは、それぞれゼロである。したがって、下記式(15)が成立する。 In the discontinuous mode, as shown in FIG. 5, the reactor current value IL 4 at the start time t 4 of the rising period and the reactor current value IL 6 at the end time t 6 of the falling period are zero, respectively. Therefore, the following equation (15) holds.
上記式(14)において、リアクトル電流値IL4およびリアクトル電流値IL6を式(15)で置き換えると、上記式(3)となる。したがって、不連続モードの場合における電流平均値ILavgも、連続モードの場合における電流平均値ILavgと同じ式(3)から算出できる。このため、上述の連続モードの場合における電流平均値ILavgの算出方法と同様に、上昇期間の開始時間t4および該時間t4におけるリアクトル電流値IL4と、上昇期間の終了時間且つ下降期間の開始時間t5および該時間t5におけるリアクトル電流値IL5と、下降期間の終了時間t6および該時間t6におけるリアクトル電流値IL6と、をそれぞれ算出すれば、電流平均値ILavgを算出できることになる。 In the above equation (14), when the reactor current value IL 4 and the reactor current value IL 6 are replaced by the equation (15), the above equation (3) is obtained. Therefore, the current average value IL avg in the discontinuous mode can also be calculated from the same equation (3) as the current average value IL avg in the continuous mode. Therefore, similarly to the method of calculating the current average value IL avg in the case of the above-described continuous mode, the reactor current value IL 4 at the start time of the rising period t 4 and said time t 4, the end time and the falling period of the rising period the reactor current value IL 5 at the start time t 5 and said time t 5, the reactor current value IL 6 at the end time of the falling period t 6 and said time t 6, when the calculated, a current average value IL avg It will be possible to calculate.
図6は、不連続モードにおける電流平均値ILavgの算出方法を説明するための説明図である。図6において、縦軸はリアクトル電流値ILを示し、横軸は時間を示している。図6では、図5に示したリアクトル電流値ILの時間変化と同様のリアクトル電流値ILの時間変化を示している。また、図5と同様に、リアクトル電流値ILの時間変化を示す図の上部に、スイッチング素子63におけるオン期間Tonおよびオフ期間Toffの時間変化も示している。ここで、上昇期間の開始時間t4および該時間t4におけるリアクトル電流値IL4と、上昇期間の終了時間且つ下降期間の開始時間t5および該時間t5におけるリアクトル電流値IL5と、のそれぞれの算出手順は、連続モードの場合の算出手順と同様であるので、その詳細な説明は省略する。以降の説明では、下降期間の終了時間t6および該時間t6におけるリアクトル電流値IL6の算出手順について説明する。
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a method of calculating the current average value IL avg in the discontinuous mode. In FIG. 6, the vertical axis represents the reactor current value IL, and the horizontal axis represents time. FIG. 6 shows a time change of the reactor current value IL similar to the time change of the reactor current value IL shown in FIG. Further, as in FIG. 5, the time change of the on period Ton and the off period To off of the switching
上述の連続モードの場合と同様に、まず、図6に示す、時間t7におけるリアクトル電流値IL7を算出する。リアクトル電流値IL7は、上記式(12)により表される。ここで、不連続モードの場合、下降期間の終了時間t6におけるリアクトル電流値IL6はゼロである。したがって、リアクトル電流値IL7が0より小さい値であった場合には、不連続モードであるとして、リアクトル電流値IL6は、ゼロとする。このため、リアクトル電流値IL6は、下記式(16)で表すことができる。 As in the case of the continuous mode described above, first, the reactor current value IL 7 at the time t 7 shown in FIG. 6 is calculated. The reactor current value IL 7 is represented by the above equation (12). Here, in the discontinuous mode, the reactor current value IL 6 at the end time t 6 of the descending period is zero. Therefore, when the reactor current value IL 7 is smaller than 0, the reactor current value IL 6 is set to zero, assuming that the mode is discontinuous. Therefore, the reactor current value IL 6 can be expressed by the following equation (16).
下降期間の終了時間t6は、以下のようにして算出する。ここで、時間t6は、リアクトル電流値IL6がゼロである時間でなければならない。したがって、この場合、線形補間法を用いると、時間t6におけるリアクトル電流値IL6と時間t5におけるリアクトル電流値IL5との関係と、時間t3におけるリアクトル電流値IL3と時間t5におけるリアクトル電流値IL5との関係とは、下記式(17)の関係が成立する。 End time t 6 of the falling period is calculated as follows. Here, the time t 6 must be the time when the reactor current value IL 6 is zero. Therefore, in this case, the use of linear interpolation, the relationship between the reactor current value IL 5 in reactor current value IL 6 and the time t 5 at time t 6, the reactor current value IL 3 and the time t 5 at time t 3 The relationship of the following equation (17) is established with the relationship with the reactor current value IL 5 .
式(17)を変形すると、時間t6は、下記式(18)で表すことができる。 By transforming the equation (17), the time t 6 can be expressed by the following equation (18).
上述の手順により算出した、上昇期間の開始時間t4および該時間t4におけるリアクトル電流値IL4と、上昇期間の終了時間且つ下降期間の開始時間t5および該時間t5におけるリアクトル電流値IL5と、下降期間の終了時間t6および該時間t6におけるリアクトル電流値IL6と、を、上記式(3)に代入すれば、電流平均値ILavgを算出することができる。 Was calculated by the above procedure, the reactor current IL 4 at the start time of the rising period t 4 and said time t 4, the reactor current IL at the start time of the end time and the falling period of the rising period t 5 and said time t 5 By substituting 5 and the reactor current value IL 6 at the end time t 6 of the descending period and the time t 6 into the above equation (3), the current average value IL avg can be calculated.
以上説明した、本実施形態の燃料電池システムによれば、上昇期間の開始時刻である時間t4および該時間t4における電流値IL4と、上昇期間の終了時間且つ下降期間の開始時間である時間t5および該時間t5における電流値IL5と、下降期間の終了時間である時間t6および該時間t6における電流値IL6と、を算出し、これらの情報を利用して電流平均値ILavgを算出するので、リアクトル電流値ILの上昇量と下降量とが異なっている場合であっても、電流平均値ILavgを精度よく算出できる。 Described above, according to the fuel cell system of this embodiment, a current value IL 4 in the time which is the start time of the rising period t 4 and said time t 4, is the start time of the end time and the falling period of the rising period calculating a current value IL 5 at time t 5 and said time t 5, the current value IL 6 at the end time for a period of time t 6 and said time t 6 of the falling period, the mean current by using the information Since the value IL avg is calculated, the current average value IL avg can be calculated accurately even when the amount of increase and decrease of the reactor current value IL are different.
B.変形例:
B1.変形例1:
上記実施形態において、上昇期間中の任意の時間t1、t2および下降期間中の任意の時間t3は、図4および図6に示した例に限られない。例えば、図4において、下降期間中の任意の時間t3は、下降期間中の応答遅れd内における任意の時間であってもよい。このような構成においても、時間t3は、下降期間中の任意の時間であってリアクトル電流値ILがゼロでない時間であるので、上記実施形態と同様な効果を奏する。すなわち一般には、時間t1、t2およびt3は、それぞれ、上昇期間中の任意の時間t1、該時間t1よりも後の時間t2、下降期間中の任意の時間であってリアクトル電流値ILがゼロでない時間t3であれば、上記実施形態と同様な効果を奏する。
B. Modification:
B1. Modification 1:
In the above embodiment, the arbitrary time t 1 and t 2 during the ascending period and the arbitrary time t 3 during the descending period are not limited to the examples shown in FIGS. 4 and 6. For example, in FIG. 4, any time t 3 during the descent period may be any time within the response delay d during the descent period. Even in such a configuration, since the time t 3 is an arbitrary time during the descending period and the reactor current value IL is not zero, the same effect as that of the above embodiment is obtained. That is, generally, the time t 1, t 2 and t 3, respectively, any time during the rise period t 1, the time t 2 is later than said time t 1, be any time during the falling period the reactor When the current value IL is the time t 3 which is not zero, the same effect as that of the above embodiment is obtained.
本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the embodiments corresponding to the technical features in each of the embodiments described in the column of the outline of the invention, the technical features in the modified examples are used to solve some or all of the above-mentioned problems, or the above-mentioned above. It is possible to replace or combine them as appropriate to achieve some or all of the effects. If the technical features are not described as essential in the present specification, they can be deleted as appropriate.
S、SU、SV、SW、SX…制御信号
Toff…オフ期間
Ton…オン期間
VH…出力電圧値
VL…入力電圧値
1…第1直流導線
2…第2直流導線
3…第3直流導線
4…第4直流導線
5…電源ライン
6…接地ライン
10…燃料電池
11…燃料電池コンバータ
11U…第1電圧変換回路
11V…第2電圧変換回路
11W…第3電圧変換回路
11X…第4電圧変換回路
15…二次電池
16…二次電池コンバータ
20…駆動モータ
21…DC/ACインバータ
31…第1電圧検出部
32…第2電圧検出部
50…制御部
51…出力電圧制御部
52…平均値算出部
53…電流値取得部
54…算出部
61…リアクトル
62…出力用ダイオード
63…スイッチング素子
64…トランジスタ
65…保護用ダイオード
66…平滑コンデンサ
67U…第1電流センサ
67V…第2電流センサ
67W…第3電流センサ
67X…第4電流センサ
100…燃料電池システム
IL、IL1、IL2、IL3、IL4、IL5、IL6、IL7…リアクトル電流値
ILavg…電流平均値
T…1周期間
t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7…時間
S, SU, SV, SW, SX ... Control signal T off ... Off period Ton ... On period VH ... Output voltage value VL ... Input voltage value 1 ... 1st
Claims (1)
前記リアクトルの電流平均値ILavgを算出する平均値算出部と、
前記リアクトルに接続され、前記リアクトルからの電流出力のオンオフを切り替えるスイッチング素子と、
前記電流平均値ILavgに基づいて前記スイッチング素子のオンオフを制御することにより、前記電流値が上昇した後連続して下降するように前記出力電圧を制御する出力電圧制御部と、
を備え、
前記平均値算出部は、
前記電流値が上昇する上昇期間中の任意の時間t1における電流値IL1および該時間t1よりも後の時間t2における電流値IL2と、前記電流値が下降する下降期間中の任意の時間であって前記電流値がゼロでない時間t3における電流値IL3と、をそれぞれ取得する電流値取得部と、
前記時間t1と、前記時間t2と、前記電流値IL1と、前記電流値IL2と、を基に、線形補間法を用いて、前記上昇期間の開始時間である時間t4および該時間t4における電流値IL4と、前記上昇期間の終了時間且つ前記下降期間の開始時間である時間t5および該時間t5における電流値IL5と、を算出すると共に、前記時間t3と、前記時間t5と、前記電流値IL3と、前記電流値IL5と、を基に、線形補間法を用いて、前記下降期間の終了時間である時間t6および該時間t6における電流値IL6と、を算出する算出部と、
を有し、式(1)を用いて前記電流平均値ILavgを算出する、
燃料電池システム。
An average value calculation unit that calculates the current average value IL avg of the reactor, and
A switching element that is connected to the reactor and switches the current output from the reactor on and off.
An output voltage control unit that controls the output voltage so that the current value rises and then continuously falls by controlling the on / off of the switching element based on the current average value IL avg .
With
The average value calculation unit
The current IL 2 at time t 2 is later than the current value IL 1 and said time t 1 at any time t 1 during the rising period of the current value increases, any descending period in which the current value is lowered The current value acquisition unit for acquiring the current value IL 3 at the time t 3 during which the current value is not zero, respectively.
Based on the time t 1 , the time t 2 , the current value IL 1, and the current value IL 2 , using a linear interpolation method, the time t 4 which is the start time of the rising period and the time t 4 and the the current IL 4 at time t 4, the current value IL 5 at the end time and the start time for a period of time of the falling period t 5 and said time t 5 of the rising period, and calculates a said time t 3 , and the time t 5, and the current value IL 3, and the current value IL 5, based on using linear interpolation, the current in the which is the end time of the falling period time t 6 and said time t 6 A calculation unit that calculates the value IL 6 and
To calculate the current average value IL avg using the formula (1).
Fuel cell system.
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