JPWO2013021476A1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】フィードフォワード項を含むデューティ指令値に基づいてコンバータの動作を制御する燃料電池システムにおいて、負荷急増(急減)時におけるコンバータの応答性の低下を抑制する。
【解決手段】燃料電池2と負荷装置5との間に設けられたコンバータ10と、フィードフォワード項を含むデューティ指令値に基づいてコンバータ10の動作を制御する制御手段7と、を備える燃料電池システム1であって、制御手段7は、負荷装置5からの要求電力が所定の閾値を超える運転領域において、コンバータ10に関する物理量の指令値を用いてフィードフォワード項を算出する。
【解決手段】燃料電池2と負荷装置5との間に設けられたコンバータ10と、フィードフォワード項を含むデューティ指令値に基づいてコンバータ10の動作を制御する制御手段7と、を備える燃料電池システム1であって、制御手段7は、負荷装置5からの要求電力が所定の閾値を超える運転領域において、コンバータ10に関する物理量の指令値を用いてフィードフォワード項を算出する。
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
従来より、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の供給を受けて発電を行う燃料電池を蓄電池等の二次電池とともに搭載して構成したハイブリッド電力供給装置が提案されている。例えば、近年においては、主電源部(燃料電池)と、補助電源部(バッテリ)と、主電源部の出力電圧を所定の直流電圧に調整して出力する電圧調整部(DC−DCコンバータ等)と、を備えるハイブリッド電力供給装置が提案されている(特許文献1参照)。このような装置の電圧調整部は、主電源部の動作パラメータに応じて、フィードフォワード駆動モード及びフィードバック駆動モードの何れか一方で動作するように構成されている。
ところで、特許文献1に記載されたような従来のハイブリッド電力供給装置においては、燃料電池の出力電流や出力電圧等を測定し、これら実測値を用いてフィードフォワード駆動モード信号を生成している。このように実測値を用いてコンバータ制御用のフィードフォワード信号を生成すると、負荷(要求電力)が急増又は急減した場合にコンバータの応答性が低下し、この結果、要求電力に対する燃料電池の出力電力の応答性が急激に低下するという問題が発生し得る。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、フィードフォワード項を含むデューティ指令値に基づいてコンバータの動作を制御する燃料電池システムにおいて、負荷急増(急減)時におけるコンバータの応答性の低下を抑制することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と負荷装置との間に設けられたコンバータと、フィードフォワード項を含むデューティ指令値に基づいてコンバータの動作を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、負荷装置からの要求電力が所定の閾値を超える運転領域において、コンバータに関する物理量の指令値を用いてフィードフォワード項を算出するものである。
かかる構成を採用すると、高負荷領域(負荷装置からの要求電力が所定の閾値を超える運転領域)において、コンバータに関する物理量の指令値(例えば入力電圧指令値や電流指令値)を用いてコンバータのデューティ指令値に含まれるフィードフォワード項を算出することができる。従って、実測値に基づいてフィードフォワード項を算出する場合と比較すると、高負荷領域におけるコンバータの応答性を高めることができる。この結果、デューティ指令値に含まれるフィードバック項の負荷を低減させることができるので、高負荷領域におけるコンバータ制御の安定性を確保することができる。また、燃料電池の出力電力を要求電力に対して逸早く応答させることができるので、バッテリの過放電の可能性を低下させることができる。
本発明に係る燃料電池システムにおいて、コンバータの入口電圧指令値及びコンバータの出口電圧指令値に基づいてフィードフォワード項を算出する制御手段を採用することができる。
例えば、コンバータの入口電圧指令値をVREF_Lとし、コンバータの出口電圧指令値をVREF_Hとした場合に、「DFF=1−VREF_L/VREF_H」なる式に基づいてフィードフォワード項DFFを算出する制御手段を採用することができる。また、コンバータの出口電圧実測値をVMES_Hとした場合に、「DFF=1−VREF_L/VMES_H」なる式に基づいてフィードフォワード項DFFを算出する制御手段を採用してもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池の電流電圧特性と、コンバータの入口電流指令値と、に基づいてコンバータの入口電圧指令値を算出する制御手段を採用することもできる。また、燃料電池の電流電圧特性と、燃料電池の電流電力特性と、燃料電池の電力指令値と、に基づいてコンバータの入口電圧指令値を算出する制御手段を採用することもできる。さらに、燃料電池の電流電圧特性と、コンバータの損失特性と、コンバータの出口電流指令値と、に基づいてコンバータの入口電圧指令値を算出する制御手段を採用してもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、フィードフォワード項の算出に用いられる指令値の位相特性を補正する制御手段を採用してもよい。また、算出したフィードフォワード項の位相特性を補正する制御手段を採用することもできる。
かかる構成を採用すると、フィードフォワード項の算出に用いられる指令値の位相特性や、算出したフィードフォワード項の位相特性を補正することができるので、応答性をより一層高めることができる。
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、負荷装置からの要求電力が所定の閾値以下となる運転領域において、以下の式
コンバータの応答性は、高負荷領域(負荷装置からの要求電力が所定の閾値を超える運転領域)と低負荷領域(負荷装置からの要求電力が所定の閾値以下となる運転領域)で大きく異なることが知られているが、かかる構成を採用すると、低負荷領域におけるコンバータの応答性を考慮してフィードフォワード項を正確に算出することができる。
本発明によれば、フィードフォワード項を含むデューティ指令値に基づいてコンバータの動作を制御する燃料電池システムにおいて、負荷急増(急減)時におけるコンバータの応答性の低下を抑制することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池車両に搭載された発電システムである。
燃料電池システム1は、図1に示すように、燃料電池2やバッテリ3で発生させた電力を、インバータ4を介してトラクションモータ5に供給することにより、トラクションモータ5を回転駆動するものである。燃料電池システム1は、燃料電池2とインバータ4との間に設けられたFCコンバータ10、バッテリ3とインバータ4との間に設けられたバッテリコンバータ6、システム全体を統合制御するコントローラ7等を備えている。
燃料電池2は、複数の単電池を直列に積層して構成した固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池2においては、アノード電極において以下の(1)式の酸化反応が生じ、カソード電極において以下の(2)式の還元反応が生じ、燃料電池2全体としては以下の(3)式の起電反応が生じる。
H2→2H++2e− ・・・(1)
(1/2)O2+2H++2e−→H2O ・・・(2)
H2+(1/2)O2→H2O ・・・(3)
(1/2)O2+2H++2e−→H2O ・・・(2)
H2+(1/2)O2→H2O ・・・(3)
燃料電池2を構成する単電池は、高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の二つの電極で挟み込んで構成した膜・電極接合体(MEA)を、燃料ガス及び酸化ガスを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有している。燃料電池2には、燃料ガスをアノード電極に供給する系統、酸化ガスをカソード電極に供給する系統、冷却液をセパレータ内に供給する系統が設けられており、コントローラ7からの制御信号に応じて燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御されることにより、所望の電力を発生させることができるようになっている。
FCコンバータ10は、燃料電池2の出力電圧を制御する機能を果たす。本実施形態におけるFCコンバータ10は、図1に示すように、U相コンバータ11、V相コンバータ12、W相コンバータ13、X相コンバータ14の4相を並列に接続した多相コンバータである。FCコンバータ10は、トラクションモータ5等の負荷装置の負荷(要求電力)に応じて、1相(例えばU相)のみを使用する1相駆動、2相(例えばU相とV相)を使用する2相駆動、3相(例えばU相とV相とW相)を使用する3相駆動、全ての駆動相を使用する4相駆動、といった駆動相の切替を行うことができるようになっている。
FCコンバータ10は、燃料電池2の出力電圧を目標出力に応じた電圧となるように制御する。なお、FCコンバータ10の入力電圧及び入力電流(燃料電池2の出力電圧及び出力電流)と、FCコンバータ10の出力電圧及び出力電流と、については、図示していない電圧センサ及び電流センサにより検出することができるようになっている。
FCコンバータ10の各駆動相(U相、V相、W相、X相)に用いられるスイッチング素子の種類としては、例えば、接合ショットキーダイオード、p−i−n/ショットキー複合ダイオード、MOS障壁ショットキーダイオード等のダイオード類、バイポーラ接合型トランジスタ(BJT)やダーリントンといった電流制御型トランジスタ、通常サイリスタやGTO(Gate Turn Off)サイリスタ等のサイリスタ類、MOS電界効果(FET)トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ(IGBT)、注入促進型絶縁ゲートトランジスタ(IEGT)等の電圧制御型トランジスタ、等を挙げることができる。これらの中では、サイリスタ類及び電圧制御型トランジスタが好ましい。
バッテリ3は、トラクションモータ5に対して燃料電池2と並列に接続されており、余剰電力や回生制動時の回生エネルギを蓄える機能を有するとともに、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ものである。バッテリ3としては、例えば、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の二次電池を採用することができる。
バッテリコンバータ6は、インバータ4の入力電圧を制御する機能を果たすものであり、例えばFCコンバータ10と同様の回路構成を有するものを採用することができる。バッテリコンバータ6としては、昇圧型のコンバータを採用してもよいが、これに代えて昇圧動作及び降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用してもよく、インバータ4の入力電圧の制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
インバータ4は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータを採用することができ、コントローラ7からの制御指令に従って、燃料電池2やバッテリ3から供給される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ5の回転トルクを制御する。
トラクションモータ5は、燃料電池車両の動力となる回転トルクを発生させるものであり、減速時には回生電力を発生させるようにも構成されている。トラクションモータ5の回転トルクは、減速装置8によって所定の回転数に減速させられた上で、シャフト8aを介してタイヤ9に伝達される。なお、本実施形態においては、燃料電池2から供給される電力を受けて作動する全ての機器(トラクションモータ5及び減速装置8を含む)を負荷装置と総称することとする。
コントローラ7は、燃料電池システム1を統合制御するためのコンピュータシステムであり、例えばCPU、RAM、ROM等を有している。コントローラ7は、各種センサから供給される信号(例えば、アクセル開度を表す信号、車速を表す信号、燃料電池2の出力電流や出力電圧を表す信号等)の入力を受けて、負荷装置の負荷(要求電力)を算出する。
負荷装置の負荷は、例えば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(エアコンプレッサ、水素ポンプ、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、懸架装置等)で消費される電力、乗員空間内に配置される装置(空調装置、照明器具、オーディオ等)で消費される電力、等が含まれる。
そして、コントローラ7は、燃料電池2とバッテリ3との各々の出力電力の配分を決定し、発電指令値を算出する。コントローラ7は、燃料電池2及びバッテリ3に対する要求電力を算出すると、これらの要求電力が得られるようにFCコンバータ10及びバッテリコンバータ6の動作を制御する。すなわち、コントローラ7は、本発明における制御手段として機能するものである。
ここで、図2等を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム1のコントローラ7の機能についてさらに詳細に説明する。
従来のFCコンバータ制御用のコントローラは、図3に示すように、FCコンバータに関する物理量の指令値(電圧指令値VREFや電流指令値IREF)に対する実測値(電圧実測値VMESや電流実測値IMES)の偏差に基づいて、デューティ指令値に含まれるフィードバック項DFBを算出するとともに、FCコンバータに関する物理量の実測値(電圧実測値VMESや電流実測値IMES)を用いてフィードフォワード項を算出する。そして、算出したフィードバック項DFB及びフィードフォワード項DFFを加算してデューティ指令値Dを算出し、このデューティ指令値Dに基づいてFCコンバータ10の動作を制御していた。
これに対し、本実施形態におけるコントローラ7は、図2に示すように、FCコンバータ10に関する物理量の指令値(電圧指令値VREFや電流指令値IREF)を用いて、デューティ指令値に含まれるフィードフォワード項DFFを算出することとしている。コントローラ7は、このフィードフォワード項DFFを、別途算出したフィードバック項DFBに加算することにより、デューティ指令値Dを算出し、このデューティ指令値Dに基づいてFDコンバータ10の動作を制御するものである。
本実施形態におけるコントローラ7は、負荷装置の負荷(要求電力)に応じてフィードフォワード項DFFの算出方法を切り替えている。以下、高負荷領域と低負荷領域の各々におけるフィードフォワード項DFFの算出方法について説明する。
<高負荷領域>
最初に、高負荷領域(要求電力が所定の閾値を超える運転領域)におけるフィードフォワード項DFFの算出方法について説明する。
最初に、高負荷領域(要求電力が所定の閾値を超える運転領域)におけるフィードフォワード項DFFの算出方法について説明する。
コントローラ7は、負荷装置の負荷(要求電力)を監視し、負荷が所定の閾値を超えるものと判断した場合に、高負荷領域用のフィードフォワード項DFFを算出するための切替信号SSを送出する。そして、コントローラ7は、FCコンバータ10の入口電圧指令値をVREF_Lとし、FCコンバータ10の出口電圧指令値をVREF_Hとした場合に、「DFF=1−VREF_L/VREF_H」なる式に基づいてフィードフォワード項DFFを算出する。なお、図2においては、FCコンバータ10の入口電圧指令値VREF_Lや出口電圧指令値VREF_Hを入力とし、フィードフォワード項DFFを出力とするファンクションブロックを「GFF_H」で表している。
この際、本実施形態におけるコントローラ7は、燃料電池2の電流電圧特性(IV特性)と、FCコンバータ10の入口電流指令値IREFと、に基づいてFCコンバータ10の入口電圧指令値VREF_Lを算出している。なお、燃料電池2の電流電圧特性と、燃料電池2の電流電力特性と、燃料電池2の電力指令値PREFと、に基づいてFCコンバータ10の入口電圧指令値VREF_Lを算出することもできる。また、燃料電池2の電流電圧特性と、FCコンバータ10の損失特性と、FCコンバータ10の出口電流指令値と、に基づいてFCコンバータ10の入口電圧指令値VREF_Lを算出してもよい。
また、本実施形態におけるコントローラ7は、高負荷領域におけるフィードフォワード項DFFの算出に用いられる指令値(入口電流指令値IREF、入口電圧指令値VREF_L、出口電圧指令値VREF_H)の位相特性を、図2に実線で示した伝達関数GCRを用いて補正している。なお、各種指令値の位相特性を補正することに代えて、算出したフィードフォワード項DFFの位相特性を、図2に破線で示した伝達関数GCRを用いて補正することもできる。指令値やフィードフォワード項の位相特性を補正するための伝達関数GCRとしては、二次系の伝達関数を採用することができる。
<低負荷領域>
次に、低負荷領域(要求電力が所定の閾値以下となる運転領域)におけるフィードフォワード項DFFの算出方法について説明する。
次に、低負荷領域(要求電力が所定の閾値以下となる運転領域)におけるフィードフォワード項DFFの算出方法について説明する。
コントローラ7は、負荷装置の負荷(要求電力)を監視し、負荷が所定の閾値以下であると判断した場合に、低負荷領域用のフィードフォワード項DFFを算出するための切替信号SSを送出する。そして、コントローラ7は、以下の式
この式において、LはFCコンバータ10内のリアクトルのインダクタンスであり、fはFCコンバータ10の動作周波数であり、VMES_HはFCコンバータ10の出口電圧実測値であり、VMES_LはFCコンバータ10の入口電圧実測値であり、IREFはFCコンバータ10の入口電流指令値である。なお、図2においては、FCコンバータ10の入口電流指令値IREF_L等を入力とし、フィードフォワード項DFFを出力とするファンクションブロックを「GFF_L」で表している。
また、コントローラ7は、低負荷領域におけるフィードフォワード項DFFの算出に用いられる電流指令値IREFの位相特性を、図2に実線で示した伝達関数GCRを用いて補正している。なお、電流指令値IREFの位相特性を補正することに代えて、算出したフィードフォワード項DFFの位相特性を、図2に破線で示した伝達関数GCRを用いて補正することもできる。指令値やフィードフォワード項の位相特性を補正するための伝達関数GCRとしては、二次系の伝達関数を採用することができる。
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、高負荷領域において、FCコンバータ10に関する物理量の指令値(電圧指令値VREFや電流指令値IREF)を用いて、コンバータ制御用のデューティ指令値Dに含まれるフィードフォワード項DFFを算出することができる。従って、実測値に基づいてフィードフォワード項を算出する場合と比較すると、高負荷領域におけるFCコンバータ10の応答性を高めることができる。この結果、デューティ指令値Dに含まれるフィードバック項DFBの負荷を低減させることができるので、高負荷領域におけるコンバータ制御の安定性を確保することができる。また、燃料電池2の出力電力を要求電力に対して逸早く応答させることができるので、バッテリ3の過放電の可能性を低下させることができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、低負荷領域において、高負荷領域と異なる算出方法でフィードフォワード項DFFを算出している。このため、高負荷領域と異なる低負荷領域のFCコンバータ10の応答性を考慮して、フィードフォワード項DFFを正確に算出することができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、フィードフォワード項DFFの算出に用いられる指令値(電流指令値IREFや電圧指令値VREF)の位相特性を補正しているので、応答性をより一層高めることができる。
なお、本実施形態においては、高負荷領域で「DFF=1−VREF_L/VREF_H」なる式に基づいてフィードフォワード項DFFを算出した例について説明したが、フィードフォワード項DFFの算出方法はこれに限られるものではない。例えば、FCコンバータ10の出口電圧実測値をVMES_Hとした場合に、「DFF=1−VREF_L/VMES_H」に基づいてフィードフォワード項DFFを算出することもできる。
上記式を採用した場合においても、燃料電池2の電流電圧特性(IV特性)と、FCコンバータ10の入口電流指令値IREFと、に基づいてFCコンバータ10の入口電圧指令値VREF_Lを算出することができる。また、燃料電池2の電流電圧特性と、燃料電池2の電流電力特性と、燃料電池2の電力指令値PREFと、に基づいてFCコンバータ10の入口電圧指令値VREF_Lを算出したり、燃料電池2の電流電圧特性と、FCコンバータ10の損失特性と、FCコンバータ10の出口電流指令値と、に基づいてFCコンバータ10の入口電圧指令値VREF_Lを算出したりすることもできる。
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。さらには、携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
1…燃料電池システム、2…燃料電池、5…トラクションモータ(負荷装置)、7…コントローラ(制御手段)、10…FCコンバータ。
Claims (10)
- 燃料電池と負荷装置との間に設けられたコンバータと、フィードフォワード項を含むデューティ指令値に基づいて前記コンバータの動作を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記負荷装置からの要求電力が所定の閾値を超える運転領域において、前記コンバータに関する物理量の指令値を用いて前記フィードフォワード項を算出するものである、
燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記コンバータの入口電圧指令値及び前記コンバータの出口電圧指令値に基づいて前記フィードフォワード項を算出するものである、
請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記コンバータの入口電圧指令値をVREF_Lとし、前記コンバータの出口電圧指令値をVREF_Hとした場合に、以下の式
DFF=1−VREF_L/VREF_H
に基づいて前記フィードフォワード項DFFを算出するものである、
請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記コンバータの入口電圧指令値をVREF_Lとし、前記コンバータの出口電圧実測値をVMES_Hとした場合に、以下の式
DFF=1−VREF_L/VMES_H
に基づいて前記フィードフォワード項DFFを算出するものである、
請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記燃料電池の電流電圧特性と、前記コンバータの入口電流指令値と、に基づいて前記コンバータの入口電圧指令値を算出するものである、
請求項2から4の何れか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記燃料電池の電流電圧特性と、前記燃料電池の電流電力特性と、前記燃料電池の電力指令値と、に基づいて前記コンバータの入口電圧指令値を算出するものである、
請求項2から4の何れか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記燃料電池の電流電圧特性と、前記コンバータの損失特性と、前記コンバータの出口電流指令値と、に基づいて前記コンバータの入口電圧指令値を算出するものである、
請求項2から4の何れか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記フィードフォワード項の算出に用いられる前記指令値の位相特性を補正するものである、
請求項1から7の何れか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、算出した前記フィードフォワード項の位相特性を補正するものである、
請求項1から7の何れか一項に記載の燃料電池システム。
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