WO2010052822A1 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
WO2010052822A1
WO2010052822A1 PCT/JP2009/004915 JP2009004915W WO2010052822A1 WO 2010052822 A1 WO2010052822 A1 WO 2010052822A1 JP 2009004915 W JP2009004915 W JP 2009004915W WO 2010052822 A1 WO2010052822 A1 WO 2010052822A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
fuel cell
converter
inverter
output
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/004915
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
真鍋晃太
Original Assignee
トヨタ自動車株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by トヨタ自動車株式会社 filed Critical トヨタ自動車株式会社
Priority to DE112009002696.6T priority Critical patent/DE112009002696B4/de
Priority to CN2009801443004A priority patent/CN102204001B/zh
Priority to US13/122,452 priority patent/US8815460B2/en
Publication of WO2010052822A1 publication Critical patent/WO2010052822A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/04888—Voltage of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a hybrid fuel cell system including a fuel cell and a battery as power sources.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a hybrid fuel cell system (hereinafter referred to as an FCHV system) mounted on an automobile.
  • FCHV system 100 a fuel cell 110 and a battery 120 are connected in parallel to a load 130, and an inverter 140 that converts DC power supplied from the fuel cell 110 or the battery 120 into AC power is connected to the load 130.
  • FC converter DC / DC converter
  • FC converter DC / DC converter
  • a DC / DC converter (hereinafter referred to as a battery converter) 150 that controls the input voltage Vin of the inverter 140 is provided between them.
  • the controller 160 calculates the required power of the load 130 based on a detection signal (for example, a detection signal indicating the accelerator opening degree) supplied from the sensor group 170 such as an accelerator sensor, and based on the calculated required power.
  • a detection signal for example, a detection signal indicating the accelerator opening degree
  • the sensor group 170 such as an accelerator sensor
  • the controller 160 determines the input voltage (hereinafter referred to as target input voltage) Vtin of the inverter 140 to be targeted and the output terminal of the fuel cell 110 to be targeted.
  • a voltage (hereinafter, target output terminal voltage) Vtfc is determined.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the input voltage Vin of the inverter 140 and the output terminal voltage Vfc of the fuel cell 110 when the required power of the load 130 varies.
  • the change in the input voltage Vin of the inverter 130 is indicated by a solid line
  • the change in the output terminal voltage Vfc of the fuel cell 110 is indicated by a dotted line.
  • the target input voltage Vtin of the inverter 140 is shifted to the high voltage side by the battery converter 150 (see arrow ⁇ in FIG. 8).
  • the target output terminal voltage Vtfc of the fuel cell 110 is shifted to the low voltage side by the FC converter 150 (see arrow ⁇ in FIG. 8).
  • the input voltage Vin of the inverter 130 is sharply boosted by the battery converter 150 toward the set high-voltage side target input voltage Vtin (see ⁇ in FIG. 8), and the output terminal of the fuel cell 110
  • the voltage Vfc is stepped down steeply toward the set target output terminal voltage (see ⁇ in FIG. 8) by the FC converter 155.
  • the input voltage Vin of the inverter 140 and the fuel cell 110 The steep fluctuation of the output terminal voltage Vfc requires the FC converter 150 to operate beyond the control limit (operation in the controllable response frequency range), and there is a concern that the control may fail. It was.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of performing
  • a fuel cell system includes a fuel cell and a power storage device connected in parallel to a load, an inverter connected to the load, and between the fuel cell and the inverter.
  • a first voltage conversion device that controls a terminal voltage of the fuel cell
  • a second voltage conversion device that is provided between the power storage device and the inverter, and controls an input voltage of the inverter
  • a control means for controlling the operation of each of the voltage converters.
  • the control means is configured such that the input voltage of the inverter
  • the first voltage conversion device is set so that the terminal voltage of the fuel cell becomes the output required voltage corresponding to the output power. And controlling the operation.
  • the output terminal voltage of the fuel cell is set to the first voltage. (Refer to ⁇ in FIG. 8).
  • the first voltage converter is not required to operate beyond the control limit (operation in the controllable response frequency range), and the conventional problem that the control is broken is caused. Therefore, stable converter control can be realized.
  • the control means when the rate of change of the output power required for the fuel cell exceeds a set threshold value, the control means allows the input voltage of the inverter to reach the set required voltage.
  • the aspect of controlling the operation of the first voltage converter after controlling the operation of the second voltage converter until the terminal voltage of the fuel cell becomes the required output voltage corresponding to the output power preferable.
  • the control means when the sum of the rate of change of the voltage on the output side and the input side of the first voltage converter exceeds a set threshold value, the control means is configured to input the inverter. After controlling the operation of the second voltage conversion device until the voltage reaches the set required voltage, the first voltage conversion device so that the terminal voltage of the fuel cell becomes the output required voltage corresponding to the output power. It is also preferable to control the operation.
  • the fuel cell system according to the present invention is provided between a fuel cell and a power storage device connected in parallel to a load, an inverter connected to the load, the fuel cell and the inverter, A first voltage converter that controls a terminal voltage of the fuel cell; a second voltage converter that is provided between the power storage device and the inverter and controls an input voltage of the inverter; and each of the voltage converters.
  • a control means for controlling the operation of the fuel cell wherein when the output power of the fuel cell is to be reduced, the control means outputs the terminal voltage of the fuel cell in accordance with the output power.
  • the operation of the second voltage converter is controlled so that the input voltage of the inverter becomes the set required voltage.
  • the control means sets the terminal voltage of the fuel cell to the output power. It is preferable that the operation of the second voltage conversion device is controlled so that the input voltage of the inverter becomes the setting required voltage after the operation of the first voltage conversion device is controlled to the output request voltage according to the response.
  • the control means After controlling the operation of the first voltage converter to the output required voltage corresponding to the output power, the operation of the second voltage converter is performed so that the input voltage of the inverter becomes the set required voltage.
  • the aspect to control is also preferable.
  • stable converter control can be realized even when steep fluctuations are required for the input voltage of the inverter and the output terminal voltage of the fuel cell.
  • FIG. 1 shows a configuration of an FCHV system mounted on a vehicle according to the present embodiment.
  • a fuel cell vehicle FCHV
  • FCHV fuel cell vehicle
  • the present invention can also be applied to an electric vehicle.
  • the present invention can be applied not only to vehicles but also to various moving bodies (for example, ships, airplanes, robots, etc.), stationary power sources, and portable fuel cell systems.
  • moving bodies for example, ships, airplanes, robots, etc.
  • stationary power sources for example, portable fuel cell systems.
  • FIG. 1 is an overall system diagram of an FCHV system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the FCHV system 100 according to the present embodiment is particularly characterized in that a DC / DC converter (hereinafter referred to as a battery converter) 180 is provided between the battery 120 and the inverter 140.
  • a DC / DC converter hereinafter referred to as a battery converter
  • the fuel cell 110 is a solid polymer electrolyte cell stack in which a plurality of unit cells are stacked in series.
  • the fuel cell 110 is provided with a voltage sensor for detecting the output terminal voltage Vfc of the fuel cell stack 110 and a current sensor (both not shown) for detecting the output current (FC current).
  • Vfc output terminal voltage
  • FC current output current
  • the oxidation reaction of the formula (1) occurs in the anode electrode
  • the reduction reaction of the formula (2) occurs in the cathode electrode
  • the electromotive reaction of the formula (3) occurs in the fuel cell 110 as a whole.
  • the unit cell has a structure in which a MEA in which a polymer electrolyte membrane or the like is narrowed by two electrodes, a fuel electrode and an air electrode, is sandwiched between separators for supplying fuel gas and oxidizing gas.
  • the anode electrode is provided with an anode electrode catalyst layer on the porous support layer
  • the cathode electrode is provided with a cathode electrode catalyst layer on the porous support layer.
  • the fuel cell 110 is provided with a system for supplying fuel gas to the anode electrode, a system for supplying oxidizing gas to the cathode electrode, and a system for supplying coolant (all not shown). By controlling the supply amount of the fuel gas and the supply amount of the oxidizing gas according to the signal, it is possible to generate desired power.
  • the FC converter (first voltage converter) 150 plays a role of controlling the output terminal voltage Vfc of the fuel cell 110, and the FC output terminal voltage Vfc input to the primary side (input side: fuel cell 110 side). Is converted to a voltage value different from the primary side (step-up or step-down) and output to the secondary side (output side: inverter 140 side), and conversely, the voltage input to the secondary side is converted to the secondary side. It is a bidirectional voltage converter that converts to a different voltage and outputs it to the primary side.
  • the FC converter 150 controls the output terminal voltage Vfc of the fuel cell 110 to be a voltage corresponding to the target output (that is, the target output terminal voltage vfc).
  • the FC converter 150 is a boost converter, for example, and has a three-phase operation method.
  • a circuit configuration as a three-phase bridge type converter composed of a U phase 151, a V phase 152, and a W phase 153 is provided.
  • the circuit configuration of the three-phase bridge type converter combines an inverter-like circuit portion that once converts an input DC voltage into AC and a portion that rectifies the AC again and converts it to a different DC voltage.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a load driving circuit in which a circuit for one phase of the FC converter 150 is extracted.
  • a voltage before boosting input to the FC converter 150 is referred to as an input voltage Vin
  • a voltage after boosting output from the FC converter 150 is referred to as an output voltage Vout.
  • the FC converter 150 (for one phase) includes a reactor L1, a rectifying diode D1, and a switching element SW1 including an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or the like.
  • Reactor L1 has one end connected to the output end (not shown) of fuel cell 110 and the other end connected to the collector of switching element SW1.
  • the current flowing through the reactor L1 is detected by current sensors I1 to I3 (see FIG. 1) that detect the reactor current of each phase.
  • the switching element SW1 is connected between the power supply line of the inverter 140 and the earth line. Specifically, the collector of the switching element SW1 is connected to the power supply line, and the emitter is connected to the earth line.
  • the switch SW1 is turned on, a current flows from the fuel cell 110 ⁇ the inductor L1 ⁇ the switch SW1, and at this time, the inductor L1 is DC-excited to accumulate magnetic energy.
  • FC converter 150 that is, the output current of fuel cell 110
  • FC converter 150 that is, the output voltage of fuel cell 110
  • FC converter 150 that is, the output voltage of fuel cell 110
  • the battery (power storage device) 120 is connected in parallel to the fuel cell 110 with respect to the load 130, and is a storage source of surplus power, a regenerative energy storage source during regenerative braking, acceleration of the fuel cell vehicle, or Functions as an energy buffer when the load fluctuates due to deceleration.
  • a secondary battery such as a nickel / cadmium storage battery, a nickel / hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery is used.
  • the battery converter (second voltage converter) 180 plays a role of controlling the input voltage Vin of the inverter 140, and has a circuit configuration similar to that of the FC converter 150, for example.
  • the required power of the load 130 changes abruptly (hereinafter assumed to increase)
  • the input voltage Vin of the inverter 130 is set to the set target input voltage Vtin (see ⁇ in FIG. 8). )
  • the FC converter 140 is controlled until the output terminal voltage Vfc of the fuel cell 110 reaches the set target output terminal voltage Vtfc.
  • the output voltage Vfc of the fuel cell 110 is controlled by the FC converter 140 after the input voltage Vin of the inverter 130 is controlled by the battery converter 180.
  • stable converter control can be realized (detailed operation will be described later).
  • the circuit configuration of the battery converter 180 is not limited to the above, and any configuration capable of controlling the input voltage Vin of the inverter 140 can be employed.
  • the inverter 140 is, for example, a PWM inverter driven by a pulse width modulation method, and converts DC power output from the fuel cell 110 or the battery 120 into three-phase AC power in accordance with a control command from the controller 160, thereby obtaining a traction motor.
  • the rotational torque of 131 is controlled.
  • the traction motor 131 is the main power of the vehicle, and generates regenerative power when decelerating.
  • the differential 132 is a reduction device that reduces the high-speed rotation of the traction motor 131 to a predetermined number of rotations and rotates the shaft on which the tire 133 is provided.
  • the shaft is provided with a wheel speed sensor (not shown) and the like, thereby detecting the vehicle speed of the vehicle.
  • all devices including the traction motor 131 and the differential 132) that can operate by receiving power supplied from the fuel cell 110 are collectively referred to as a load 130.
  • the controller 160 is a computer system for controlling the FCHV system 100 and includes, for example, a CPU, a RAM, a ROM, and the like.
  • the controller 160 inputs various signals (for example, a signal representing the accelerator opening, a signal representing the vehicle speed, a signal representing the output current and output terminal voltage of the fuel cell 110) supplied from the sensor group 170, and the load.
  • the required power of 130 (that is, the required power of the entire system) is obtained.
  • the required power of the load 130 is, for example, the total value of the vehicle travel power and the auxiliary power.
  • Auxiliary power is the power consumed by in-vehicle accessories (humidifiers, air compressors, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.), and equipment required for vehicle travel (transmissions, wheel control devices, steering devices, and suspensions) Power consumed by devices, etc., and power consumed by devices (air conditioners, lighting fixtures, audio, etc.) disposed in the passenger space.
  • the controller (control device) 160 determines the distribution of output power between the fuel cell 110 and the battery 120, and calculates a power generation command value.
  • the controller 160 controls the operation of the FC converter 150 and the battery converter 180 so that the required power is obtained.
  • the controller 160 outputs, for example, the U-phase, V-phase, and W-phase AC voltage command values as switching commands to the inverter 140 so that the target torque according to the accelerator opening is obtained, and the traction motor The output torque of 131 and the rotation speed are controlled.
  • the controller 160 first inputs the input voltage of the inverter 130 in order to realize stable converter control.
  • the battery converter 180 is controlled until Vin reaches the set target input voltage (setting required voltage) Vtin (see ⁇ in FIG. 8).
  • the FC converter 140 is controlled until the output terminal voltage Vfc of the fuel cell 110 reaches the set target output terminal voltage (summer in output request) Vtfc. (Hereinafter referred to as converter stabilization processing).
  • the predetermined condition described above can be arbitrarily set and changed.
  • first condition when the rate of change of the required power for the fuel cell 110 exceeds a set threshold (first condition), the input side of the FC converter 150, The converter stabilization process may be executed when the sum of the voltage change rates on the output side exceeds a set threshold (second condition).
  • first condition when the rate of change of the required power for the fuel cell 110 exceeds a set threshold (first condition), the input side of the FC converter 150, The converter stabilization process may be executed when the sum of the voltage change rates on the output side exceeds a set threshold (second condition).
  • Each threshold value to be set may be obtained in advance by an experiment or the like and stored in a memory (not shown) or the like. Further, the threshold value may be a fixed value, but may be set / changed as appropriate according to operating conditions, user operations, and the like.
  • first condition when the rate of change of the required power for the fuel cell 110 exceeds a set threshold (first condition)
  • second condition When the rate of change of the
  • FIG. 3 is a flowchart showing processing operations in the FCHV system 100.
  • the controller 160 inputs various signals supplied from the sensor group 170 (for example, a signal representing the accelerator opening, a signal representing the vehicle speed, a signal representing the output current and output terminal voltage of the fuel cell 110, etc.)
  • the required power of 130 is calculated (step S1).
  • the controller 160 determines the distribution of output power between the fuel cell 110 and the battery 120, calculates the power generation command value, and obtains the required power for the fuel cell 110 (step S2).
  • the controller 160 determines whether or not the required power for the fuel cell 110 satisfies a predetermined condition (step S3).
  • the first condition (that is, whether or not the rate of change of the required power for the fuel cell 110 has exceeded the set threshold) is set as the predetermined condition. It is determined whether or not the rate of change of required power for the fuel cell 110 exceeds a set threshold value.
  • step S103 determines that the change rate of the required power for the fuel cell 110 does not exceed the set threshold value (step S103; NO).
  • step S104 executes normal operation processing.
  • step S103 determines that the rate of change of the required power for the fuel cell 110 exceeds a set threshold (step S103). YES), converter stabilization processing is executed (step S105).
  • step S104 the controller 160 controls the supply of the oxidizing gas and the fuel gas so that the power generation amount of the fuel cell 110 matches the target power (that is, the power generation command value of the fuel cell 110). Further, the controller 160 controls the operation point (output current, output voltage) of the fuel cell 110 by controlling the FC converter 150 and adjusting the output terminal voltage Vfc of the fuel cell 110. Note that the output voltage of the fuel cell 110 during the normal operation process exhibits a behavior in the range of 1.0 V / cell to 0.6 V / cell, for example. For example, the controller 160 outputs the U-phase, V-phase, and W-phase AC voltage command values to the inverter 140 as switching commands so that the target torque corresponding to the accelerator opening is obtained. Controls output torque and rotation speed.
  • step S105 the controller 160 executes the converter stabilization process flow shown in FIG. More specifically, the controller 160 first controls the battery converter 180 until the input voltage Vin of the inverter 130 reaches the set target input voltage Vtin (see ⁇ in FIG. 8) (step S201). Then, after the input voltage Vin of the inverter 130 reaches the target input voltage Vtin, the controller 160 controls the FC converter 140 until the output terminal voltage Vfc of the fuel cell 110 reaches the set target output terminal voltage Vtfc ( Step S202) and the process is terminated.
  • the required power for the fuel cell 110 satisfies a predetermined condition (for example, whether or not the rate of change of the required power of the fuel cell 110 exceeds a set threshold). If it is determined that it is satisfied, the input voltage Vin of the inverter 130 is controlled by the battery converter 180 and then the output terminal voltage Vfc of the fuel cell 110 is controlled by the FC converter 140.
  • a predetermined condition for example, whether or not the rate of change of the required power of the fuel cell 110 exceeds a set threshold.
  • FIG. 5 is a flowchart showing converter stabilization processing according to a modification.
  • the controller 160 executes the converter stabilization process shown in FIG. More specifically, the controller 160 first controls the FC converter 140 until the output terminal voltage Vfc of the fuel cell 110 reaches the set target output terminal voltage (output required voltage) Vtfc (step S301). Then, after the output terminal voltage Vfc of the fuel cell 110 reaches the target input voltage Vtin, the controller 160 changes the battery converter 180 until the input voltage Vin of the inverter 130 reaches the set target input voltage (setting required voltage) Vtin. Is controlled (step S302), and the process is terminated.
  • Such control prevents the conventional problem of causing control failure without requiring the FC converter 140 to operate beyond the control limit (operation in the controllable response frequency range). And stable converter control can be realized.
  • the converter stabilization process may be executed.
  • Each threshold value to be set may be obtained in advance by an experiment or the like and stored in a memory (not shown) or the like. Further, the threshold value may be a fixed value, but may be set / changed as appropriate according to operating conditions, user operations, and the like.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the supply amount (gas flow rate) of the oxidizing gas and the fuel gas and the IV characteristic of the fuel cell 110.
  • the IV characteristic F1 is shown in order from the smallest gas flow rate. , F2, F3, and F4.
  • the controller 160 stores a characteristic map as shown in FIG. 6 in a memory (not shown), and when executing the converter stabilization process, first, the gas flow rate at the time point is determined using a flow meter or the like. To grasp. Then, the controller 160 reads out an IV characteristic (for example, the IV characteristic F2) corresponding to the grasped gas flow rate from the memory, and uses the read IV characteristic to set a target operating operation point ( Output current, output voltage). Since subsequent operations can be described in the same manner as in the present embodiment, description thereof is omitted. As described above, a plurality of types of IV characteristics of the fuel cell 110 may be prepared, and the driving operation point may be determined using the IV characteristics according to the driving situation.
  • an IV characteristic for example, the IV characteristic F2

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

【課題】コンバータの入力電圧及び燃料電池の出力端子電圧について急峻な変動が要求される場合であっても、安定なコンバータ制御を実現する。 【解決手段】コントローラ１６０は、燃料電池１１０に対する要求電力の変化率が設定された閾値を超えたと判断すると、コンバータ安定化処理を実行する。コントローラ１６０は、まず、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎが、設定された目標入力電圧Ｖｔｉｎとなるまでバッテリコンバータ１８０を制御する。そして、コントローラ１６０は、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎが目標入力電圧Ｖｔｉｎに到達した後に、燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃが、設定された目標出力端子電圧ＶｔｆｃとなるまでＦＣコンバータ１４０を制御する。

Description

燃料電池システム
　本発明は燃料電池システムに関し、特に、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システムに関する。
　自動車等に搭載される燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電能力を超える急な負荷の変化等に対応するため、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システムが種々提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
　図７は、自動車に搭載されたハイブリッド型の燃料電池システム（以下、ＦＣＨＶシステム）を例示した図である。ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とバッテリ１２０が負荷１３０に対して並列に接続されるとともに、負荷１３０には燃料電池１１０またはバッテリ１２０から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ１４０が接続されている。また、燃料電池１１０とインバータ１４０との間には、燃料電池１１０の端子電圧（出力電圧）Ｖｆｃを制御するＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＦＣコンバータ）１５５が設けられ、バッテリ１２０とインバータ１４０との間には、インバータ１４０の入力電圧Ｖｉｎを制御するＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、バッテリコンバータ）１５０が設けられている。
　コントローラ１６０は、アクセルセンサなどのセンサ群１７０から供給される検出信号（例えばアクセル開度を示す検出信号など）をもとに、負荷１３０の要求電力を算出するとともに、算出した要求電力に基づいてインバータ１４０を制御することにより、要求電力に相当する電力がインバータ１４０を介して負荷１３０に供給される。
特開２０００－１２０５９号公報
　上記ＦＣＨＶシステム１００において、コントローラ１６０は負荷１３０の要求電力を算出すると、目標とすべきインバータ１４０の入力電圧（以下、目標入力電圧）Ｖｔｉｎを決定するとともに、目標とすべき燃料電池１１０の出力端子電圧（以下、目標出力端子電圧）Ｖｔｆｃを決定する。
　ここで、図８は、負荷１３０の要求電力に変動があった場合のインバータ１４０の入力電圧Ｖｉｎと燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃの関係を例示した図である。なお、図８では、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎの変化を実線で示し、燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃの変化を点線で示す。
　例えば、運転手がアクセルペダルを踏み込むなどして負荷１３０の要求電力が急激に増加すると、バッテリコンバータ１５０によってインバータ１４０の目標入力電圧Ｖｔｉｎは高電圧側に移行する一方（図８の矢印α参照）、ＦＣコンバータ１５０によって燃料電池１１０の目標出力端子電圧Ｖｔｆｃは低電圧側に移行する（図８の矢印β参照）。
　この結果、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎは、バッテリコンバータ１５０により、設定された高電圧側の目標入力電圧Ｖｔｉｎ（図８の△参照）に向けて急峻に昇圧されるとともに、燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃは、ＦＣコンバータ１５５により、設定された目標出力端子電圧（図８の▲参照）に向けて急峻に降圧されることとなるが、このようなインバータ１４０の入力電圧Ｖｉｎと燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃの急峻な変動は、ＦＣコンバータ１５０に対して制御限界（制御可能な応答周波数範囲での動作）を越える動作が要求されることとなり、制御破綻をきたしてしまうという問題が懸念されていた。
　本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、インバータの入力電圧及び燃料電池の出力端子電圧について急峻な変動が要求される場合であっても、安定なコンバータ制御を実現することが可能な燃料電池システム等を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、負荷に対して並列に接続された燃料電池及び蓄電装置と、前記負荷に接続されたインバータと、前記燃料電池と前記インバータとの間に設けられ、前記燃料電池の端子電圧を制御する第１の電圧変換装置と、前記蓄電装置と前記インバータとの間に設けられ、前記インバータの入力電圧を制御する第２の電圧変換装置と、前記各電圧変換装置の動作を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電力を増大させる場合には、前記制御手段は、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧に到達するまで前記第２の電圧変換装置の動作を制御した後、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧となるように前記第１の電圧変換装置の動作を制御することを特徴とする。
　かかる構成によれば、燃料電池の出力電力を増大させる場合には、インバータの入力電圧を第２の電圧変換装置で制御した後に（図８のα参照）、燃料電池の出力端子電圧を第１の電圧変換装置で制御する（図８のβ参照）。かかる制御により、第１の電圧変換装置に対して制御限界（制御可能な応答周波数範囲での動作）を越えるような動作は要求されることなく、制御破綻をきたしてしまうという従来の問題を未然に防止することができ、安定なコンバータ制御を実現することが可能となる。
　ここで、上記構成にあっては、前記燃料電池に要求される出力電力の変化率が、設定された閾値を超えた場合に、前記制御手段は、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧に到達するまで前記第２の電圧変換装置の動作を制御した後、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧となるように前記第１の電圧変換装置の動作を制御する態様が好ましい。
　また、上記構成にあっては、前記第１の電圧変換装置の出力側、入力側の電圧の変化率の和が、設定された閾値を超えた場合に、前記制御手段は、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧に到達するまで前記第２の電圧変換装置の動作を制御した後、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧となるように前記第１の電圧変換装置の動作を制御する態様も好ましい。
　また、本発明に係る燃料電池システムは、負荷に対して並列に接続された燃料電池及び蓄電装置と、前記負荷に接続されたインバータと、前記燃料電池と前記インバータとの間に設けられ、前記燃料電池の端子電圧を制御する第１の電圧変換装置と、前記蓄電装置と前記インバータとの間に設けられ、前記インバータの入力電圧を制御する第２の電圧変換装置と、前記各電圧変換装置の動作を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電力を減少させる場合には、前記制御手段は、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧まで前記第１の電圧変換装置の動作を制御した後、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧となるように前記第２の電圧変換装置の動作を制御することを特徴とする。
　ここで、上記構成にあっては、前記燃料電池に要求される出力電力の変化率が、設定された閾値を超えた場合に、前記制御手段は、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧まで前記第１の電圧変換装置の動作を制御した後、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧となるように前記第２の電圧変換装置の動作を制御する態様が好ましい。
　また、上記構成にあっては、前記第１の電圧変換装置の出力側、入力側の電圧の変化率の和が、設定された閾値を超えた場合に、前記制御手段は、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧まで前記第１の電圧変換装置の動作を制御した後、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧となるように前記第２の電圧変換装置の動作を制御する態様も好ましい。
　本発明によれば、インバータの入力電圧及び燃料電池の出力端子電圧について急峻な変動が要求される場合であっても、安定なコンバータ制御を実現することが可能となる。
本実施形態に係るＦＣＨＶシステムのシステム構成図である。 本実施形態に係るＦＣコンバータの１相分の単相回路の構成を例示した図である。 本実施形態に係るＦＣＨＶシステムの動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係るコンバータ安定化処理を示すフローチャートである。 変形例に係るコンバータ安定化処理を示すフローチャートである。 変形例に係るガス流量と燃料電池のＩ－Ｖ特性の関係を例示した図である。 従来のＦＣＨＶシステムのシステム構成図である。 負荷の要求電力に変動があった場合のインバータの入力電圧と燃料電池の出力端子電圧の関係を例示した図である。
Ａ．本実施形態
　以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。　図１は本実施形態に係る車両に搭載されたＦＣＨＶシステムの構成を示す。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車などにも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、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。また、説明の理解を容易にするために、図７に対応する部分については同一符号を付している。
　（システム構成）
　図１は、本発明の実施形態に係るＦＣＨＶシステム１００のシステム全体図である。
　本実施形態に係るＦＣＨＶシステム１００は、特に、バッテリ１２０とインバータ１４０の間にＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、バッテリコンバータ）１８０が設けられている点に特徴がある。
　燃料電池１１０は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池１１０には、燃料電池スタック１１０の出力端子電圧Ｖｆｃを検出するための電圧センサ、及び出力電流（ＦＣ電流）を検出するための電流センサ（いずれも図示略）が取り付けられている。燃料電池１１０においては、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じ、燃料電池１１０全体としては（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）
　単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の二つの電極で狭み込んだＭＥＡを燃料ガスと酸化ガスと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。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。
　燃料電池１１０には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び冷却液を提供する系統（いずれも図示略）が設けられており、コントローラ１６０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を制御することにより、所望の電力を発電することが可能となっている。
　ＦＣコンバータ（第１の電圧変換装置）１５０は、燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃを制御する役割を担っており、一次側（入力側：燃料電池１１０側）に入力されたＦＣ出力端子電圧Ｖｆｃを、一次側と異なる電圧値に変換（昇圧または降圧）して二次側（出力側：インバータ１４０側）に出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側に出力する双方向の電圧変換装置である。このＦＣコンバータ１５０により、燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃが目標出力に応じた電圧（すなわち、目標出力端子電圧ｖｆｃ）となるように制御する。
　このＦＣコンバータ１５０は、例えば昇圧コンバータであり、三相運転方式を取っている。具体的な回路方式としてはＵ相１５１、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３によって構成された三相ブリッジ形コンバータとしての回路構成を備えている。三相ブリッジ形コンバータの回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分とその交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされている。
　図２は、ＦＣコンバータ１５０の１相分の回路を抜き出した負荷駆動回路の構成図である。なお、以下の説明では、ＦＣコンバータ１５０に入力される昇圧前の電圧を入力電圧Ｖｉｎと呼び、ＦＣコンバータ１５０から出力される昇圧後の電圧を出力電圧Ｖｏｕｔと呼ぶ。
　図２に示すように、ＦＣコンバータ１５０（１相分）は、リアクトルＬ１と、整流用のダイオードＤ１と、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などからなるスイッチング素子ＳＷ１とを備えている。リアクトルＬ１は、その一端が燃料電池１１０の出力端（図示略）に接続され、他端がスイッチング素子ＳＷ１のコレクタに接続されている。ここで、リアクトルＬ１に流れる電流は、各相のリアクトル電流を検知する電流センサＩ１～Ｉ３（図１参照）によって検知される。スイッチング素子ＳＷ１は、インバータ１４０の電源ラインとアースラインの間に接続されている。具体的には、スイッチング素子ＳＷ１のコレクタが電源ラインに接続され、エミッタがアースラインに接続されている。かかる構成において、まず、スイッチＳＷ１をＯＮにすると、燃料電池１１０→インダクタＬ１→スイッチＳＷ１へと電流が流れ、このときインダクタＬ１が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
　続いてスイッチＳＷ１をＯＦＦにすると、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧が燃料電池１１０のＦＣ電圧（入力電圧Ｖｉｎ）に重畳され、入力電圧Ｖｉｎよりも高い作動電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）がインダクタＬ１から出力されるとともに、ダイオードＤ１を介して出力電流が出力される。コントローラ１６０は、このスイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦのデューティー比（後述）を適宜変更することで、所望の出力電圧Ｖｏｕｔを得る。なお、当該ＦＣコンバータ１５０の入力電流（すなわち、燃料電池１１０の出力電流）は、電流センサ（図示略）により検知され、ＦＣコンバータ１５０の入力電圧（すなわち、燃料電池１１０の出力電圧）は、電圧センサ（図示略）により検知される。
　図１に戻り、バッテリ（蓄電装置）１２０は、負荷１３０に対して燃料電池１１０と並列に接続されており、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。バッテリ１３０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が利用される。
　バッテリコンバータ（第２の電圧変換装置）１８０は、インバータ１４０の入力電圧Ｖｉｎを制御する役割を担っており、例えばＦＣコンバータ１５０と同様の回路構成を有している。本実施形態では、負荷１３０の要求電力が急激に変化した場合（以下では、増加した場合を想定）、まず、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎが、設定された目標入力電圧Ｖｔｉｎ（図８の△参照）となるまでバッテリコンバータ１８０を制御する。そして、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎが目標入力電圧Ｖｔｉｎに到達した後に、燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃが、設定された目標出力端子電圧ＶｔｆｃとなるまでＦＣコンバータ１４０を制御する。このように、燃料電池１１０に対する要求電力が急激に増加した場合には、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎをバッテリコンバータ１８０で制御した後に、燃料電池１１０の出力端子電圧ＶｆｃをＦＣコンバータ１４０で制御することで、安定なコンバータ制御を実現することが可能となる（詳細な動作は後述）。なお、バッテリコンバータ１８０の回路構成は、上記に限る趣旨ではなく、インバータ１４０の入力電圧Ｖｉｎ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１４０は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ１６０からの制御指令に従って、燃料電池１１０またはバッテリ１２０から出力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１３１の回転トルクを制御する。
　トラクションモータ１３１は、本車両の主動力となるものであり、減速時には回生電力を発生するようにもなっている。ディファレンシャル１３２は減速装置であり、トラクションモータ１３１の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ１３３が設けられたシャフトを回転させる。シャフトには図示せぬ車輪速センサ等が設けられ、これにより当該車両の車速等が検知される。なお、本実施形態では、燃料電池１１０から供給される電力を受けて動作可能な全ての機器（トラクションモータ１３１、ディファレンシャル１３２を含む）を負荷１３０と総称する。
　コントローラ１６０は、ＦＣＨＶシステム１００の制御用のコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。コントローラ１６０は、センサ群１７０から供給される各種の信号（例えば、アクセル開度をあらわす信号や車速をあらわす信号、燃料電池１１０の出力電流や出力端子電圧をあらわす信号など）を入力して、負荷１３０の要求電力（すなわち、システム全体の要求電力）を求める。
　負荷１３０の要求電力は、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（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。
　そして、コントローラ（制御装置）１６０は、燃料電池１１０とバッテリ１２０とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算する。コントローラ１６０は、燃料電池１１０及びバッテリ１２０に対する要求電力を求めると、これらの要求電力が得られるようにＦＣコンバータ１５０及びバッテリコンバータ１８０の動作を制御する。そして、コントローラ１６０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、インバータ１４０に対し、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出力し、トラクションモータ１３１の出力トルク、及び回転数を制御する。
　さらに、コントローラ１６０は、燃料電池１１０に対する要求電力が所定条件を満たす場合（ここでは、要求電力が急激に増加した場合）には、安定なコンバータ制御を実現するべく、まず、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎが、設定された目標入力電圧（設定要求電圧）Ｖｔｉｎ（図８の△参照）となるまでバッテリコンバータ１８０を制御する。そして、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎが目標入力電圧Ｖｔｉｎに到達した後に、燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃが、設定された目標出力端子電圧（出力要求で夏）ＶｔｆｃとなるまでＦＣコンバータ１４０を制御する処理（以下、コンバータ安定化処理）を実施する。
　ここで、上述した所定条件は任意に設定・変更可能であり、例えば燃料電池１１０に対する要求電力の変化率が設定された閾値を超えた場合（第1条件）や、ＦＣコンバータ１５０の入力側、出力側の電圧の変化率の和が、設定された閾値を超えた場合（第2条件）に、コンバータ安定化処理を実行するようにしても良い。なお、設定される各閾値は、予め実験などによって求め、メモリ（図示略）などに格納しておけば良い。また、閾値については、固定値としても良いが運転条件やユーザの操作などに応じて適宜設定・変更可能としても良い。以下、所定条件として第1条件を採用した場合を例に説明する。
　（動作）
　図３は、ＦＣＨＶシステム１００における処理動作を示すフローチャートである。
　コントローラ１６０は、センサ群１７０から供給される各種の信号（例えば、アクセル開度をあらわす信号や車速をあらわす信号、燃料電池１１０の出力電流や出力端子電圧をあらわす信号など）を入力して、負荷１３０の要求電力を算出する（ステップＳ１）。コントローラ１６０は、燃料電池１１０とバッテリ１２０とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算し、燃料電池１１０に対する要求電力を求める（ステップＳ２）。そして、コントローラ１６０は、燃料電池１１０に対する要求電力が所定条件を満たすか否かを判断する（ステップＳ３）。上述したように、本実施形態では、所定条件として第１条件（すなわち、燃料電池１１０に対する要求電力の変化率が設定された閾値を超えたか否か）が設定されているため、コントローラ１６０は、燃料電池１１０に対する要求電力の変化率が設定された閾値を超えたか否かを判断する。
　コントローラ１６０は、燃料電池１１０に対する要求電力の変化率が設定された閾値を超えていないと判断した場合には（ステップＳ１０３；ＮＯ）、ステップＳ１０４に進み、通常運転処理を実行する。一方、運転手がアクセルペダルを踏み込むなどして燃料電池１１０に対する要求電力が急激に増加すると、コントローラ１６０は、燃料電池１１０に対する要求電力の変化率が設定された閾値を超えたと判断し（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、コンバータ安定化処理を実行する（ステップＳ１０５）。
　＜通常運転処理＞
　ステップＳ１０４に移行すると、コントローラ１６０は、燃料電池１１０の発電量が目標電力（すなわち、燃料電池１１０の発電指令値）に一致するように、酸化ガス及び燃料ガスの供給を制御する。
　更に、コントローラ１６０は、ＦＣコンバータ１５０を制御して、燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃを調整することにより、燃料電池１１０の運転ポイント（出力電流、出力電圧）を制御する。なお、通常運転処理時の燃料電池１１０の出力電圧は、例えば１．０Ｖ/セル～０．６Ｖ/セルの範囲の挙動を示す。コントローラ１６０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インバータ１４０に出力し、トラクションモータ１３１の出力トルク、及び回転数を制御する。
　＜コンバータ安定化処理＞
　ステップＳ１０５に移行すると、コントローラ１６０は、図４に示すコンバータ安定化処理フローを実行する。詳述すると、コントローラ１６０は、まず、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎが、設定された目標入力電圧Ｖｔｉｎ（図８の△参照）となるまでバッテリコンバータ１８０を制御する（ステップＳ２０１）。そして、コントローラ１６０は、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎが目標入力電圧Ｖｔｉｎに到達した後に、燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃが、設定された目標出力端子電圧ＶｔｆｃとなるまでＦＣコンバータ１４０を制御し（ステップＳ２０２）、処理を終了する。
　以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池１１０に対する要求電力が所定条件を満たすか否か（例えば燃料電池１１０の要求電力の変化率が設定された閾値を超えたか否か）を判断し、満たしていると判断した場合にはインバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎをバッテリコンバータ１８０で制御した後に、燃料電池１１０の出力端子電圧ＶｆｃをＦＣコンバータ１４０で制御する。かかる制御により、ＦＣコンバータ１４０に対して制御限界（制御可能な応答周波数範囲での動作）を越えるような動作は要求されることなく、制御破綻をきたしてしまうという従来の問題を未然に防止することができ、安定なコンバータ制御を実現することが可能となる。
Ｂ．変形例
（１）上述した本実施形態では、燃料電池１１０の要求電力の変化率が設定された閾値を超える例として、燃料電池１１０に対する要求電力が急激に増大する場合（すなわち、要求電力変化率が正の場合）を例に説明したが、燃料電池１１０に対する要求電力が急激に減少する場合（すなわち、要求電力変化率が負の場合）にも同様に適用可能である。
　図５は、変形例に係るコンバータ安定化処理を示すフローチャートである。
　運転手がブレーキペダルを踏み込むなどして燃料電池１１０に対する要求電力が急激に減少すると、コントローラ１６０は、図５に示すコンバータ安定化処理を実行する。詳述すると、コントローラ１６０は、まず、燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃを、設定された目標出力端子電圧（出力要求電圧）ＶｔｆｃとなるまでＦＣコンバータ１４０を制御する（ステップＳ３０１）。そして、コントローラ１６０は、燃料電池１１０の出力端子電圧Ｖｆｃが目標入力電圧Ｖｔｉｎに到達した後に、インバータ１３０の入力電圧Ｖｉｎが、設定された目標入力電圧（設定要求電圧）Ｖｔｉｎとなるまでバッテリコンバータ１８０を制御し（ステップＳ３０２）、処理を終了する。
　かかる制御により、ＦＣコンバータ１４０に対して制御限界（制御可能な応答周波数範囲での動作）を越えるような動作は要求されることなく、制御破綻をきたしてしまうという従来の問題を未然に防止することができ、安定なコンバータ制御を実現することが可能となる。
　ここで、変形例における所定条件として、例えば燃料電池１１０に対する要求電力の変化率が設定された閾値を超えた場合（第３条件）や、ＦＣコンバータ１５０の入力側、出力側の電圧の変化率が設定された閾値を超えた場合（第４条件）に、コンバータ安定化処理を実行するようにしても良い。なお、設定される各閾値は、予め実験などによって求め、メモリ（図示略）などに格納しておけば良い。また、閾値については、固定値としても良いが運転条件やユーザの操作などに応じて適宜設定・変更可能としても良い。
　また、上述した本実施形態では、燃料電池１１０の出力電流－出力電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）について、特に言及しなかったが、燃料電池１１０のＩ－Ｖ特性は運転状況などに応じて異なる。
　図６は、酸化ガス及び燃料ガスの供給量（ガス流量）と燃料電池１１０のＩ－Ｖ特性の関係を例示した図であり、図６ではガス流量が小さい方から順に、Ｉ－Ｖ特性Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４を示している。
　コントローラ１６０は、図６に示すような特性マップをメモリ（図示略）に格納しており、コンバータ安定化処理を実行する場合には、まず、流量計など利用して当該時点でのガス流量を把握する。そして、コントローラ１６０は、把握したガス流量に対応するＩ－Ｖ特性（例えば、Ｉ－Ｖ特性Ｆ２など）をメモリから読み出し、読み出したＩ－Ｖ特性を利用して目標とすべき運転動作点（出力電流，出力電圧）を求める。この後の動作については本実施形態と同様に説明することができるため、説明を割愛する。このように、燃料電池１１０のＩ－Ｖ特性を複数種類用意し、運転状況に応じたＩ－Ｖ特性を利用して運転動作点を決定するようにしても良い。
１００・・・ＦＣＨＶシステム、１１０・・・燃料電池、１２０・・・バッテリ、１３０・・・負荷、１４０・・・インバータ、１５０・・・ＦＣコンバータ、１６０・・・コントローラ、１７０・・・センサ群、１８０・・・バッテリコンバータ。

Claims (6)

  1. 　負荷に対して並列に接続された燃料電池及び蓄電装置と、
    　前記負荷に接続されたインバータと、
    　前記燃料電池と前記インバータとの間に設けられ、前記燃料電池の端子電圧を制御する第１の電圧変換装置と、
    　前記蓄電装置と前記インバータとの間に設けられ、前記インバータの入力電圧を制御する第２の電圧変換装置と、
    　前記各電圧変換装置の動作を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池の出力電力を増大させる場合には、
    　前記制御手段は、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧に到達するまで前記第２の電圧変換装置の動作を制御した後、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧となるように前記第１の電圧変換装置の動作を制御することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　前記燃料電池に要求される出力電力の変化率が、設定された閾値を超えた場合に、
    　前記制御手段は、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧に到達するまで前記第２の電圧変換装置の動作を制御した後、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧となるように前記第１の電圧変換装置の動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記第１の電圧変換装置の出力側、入力側の電圧の変化率の和が、設定された閾値を超えた場合に、
    前記制御手段は、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧に到達するまで前記第２の電圧変換装置の動作を制御した後、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧となるように前記第１の電圧変換装置の動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 　負荷に対して並列に接続された燃料電池及び蓄電装置と、
    　前記負荷に接続されたインバータと、
    　前記燃料電池と前記インバータとの間に設けられ、前記燃料電池の端子電圧を制御する第１の電圧変換装置と、
    　前記蓄電装置と前記インバータとの間に設けられ、前記インバータの入力電圧を制御する第２の電圧変換装置と、
    　前記各電圧変換装置の動作を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池の出力電力を減少させる場合には、
    　前記制御手段は、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧まで前記第１の電圧変換装置の動作を制御した後、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧となるように前記第２の電圧変換装置の動作を制御することを特徴とする燃料電池システム。
  5. 　前記燃料電池に要求される出力電力の変化率が、設定された閾値を超えた場合に、
    　前記制御手段は、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧まで前記第１の電圧変換装置の動作を制御した後、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧となるように前記第２の電圧変換装置の動作を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記第１の電圧変換装置の出力側、入力側の電圧の変化率の和が、設定された閾値を超えた場合に、
    　前記制御手段は、前記燃料電池の端子電圧が前記出力電力に応じた出力要求電圧まで前記第１の電圧変換装置の動作を制御した後、前記インバータの入力電圧が設定要求電圧となるように前記第２の電圧変換装置の動作を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
PCT/JP2009/004915 2008-11-05 2009-09-28 燃料電池システム WO2010052822A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112009002696.6T DE112009002696B4 (de) 2008-11-05 2009-09-28 Brennstoffzellensystem
CN2009801443004A CN102204001B (zh) 2008-11-05 2009-09-28 燃料电池系统
US13/122,452 US8815460B2 (en) 2008-11-05 2009-09-28 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008-284350 2008-11-05
JP2008284350A JP4505767B2 (ja) 2008-11-05 2008-11-05 燃料電池システム

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010052822A1 true WO2010052822A1 (ja) 2010-05-14

Family

ID=42152636

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2009/004915 WO2010052822A1 (ja) 2008-11-05 2009-09-28 燃料電池システム

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8815460B2 (ja)
JP (1) JP4505767B2 (ja)
CN (1) CN102204001B (ja)
DE (1) DE112009002696B4 (ja)
WO (1) WO2010052822A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103518281A (zh) * 2011-08-10 2014-01-15 丰田自动车株式会社 燃料电池系统

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013035147A1 (ja) * 2011-09-05 2013-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN103828110B (zh) * 2011-09-29 2016-10-12 Toto株式会社 固体电解质型燃料电池
US10661665B2 (en) * 2013-11-08 2020-05-26 Honda Motor Co., Ltd. Two-power-supply load driving fuel cell system
KR101593760B1 (ko) * 2013-12-20 2016-02-18 현대오트론 주식회사 연료전지 스택용 주입 전류 생성 방법 및 이를 실행하는 장치
JP6528846B2 (ja) * 2015-08-11 2019-06-12 日産自動車株式会社 電力調整システム及びその制御方法
DE102017222019A1 (de) 2017-12-06 2019-06-06 Robert Bosch Gmbh Elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine
CN112583251B (zh) * 2019-09-30 2023-08-08 比亚迪股份有限公司 列车、双向dc-dc变换器及其控制方法、装置和系统
JP7139391B2 (ja) * 2020-07-27 2022-09-20 本田技研工業株式会社 給電制御システムおよび給電制御方法
KR20220059784A (ko) * 2020-11-03 2022-05-10 현대자동차주식회사 연료전지의 전력 발전 제어 시스템 및 방법
CN115991123B (zh) * 2023-03-22 2023-07-18 长安新能源南京研究院有限公司 一种功率负荷状态识别方法、系统、设备和介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006073503A (ja) * 2004-08-06 2006-03-16 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池システム
JP2006310246A (ja) * 2004-08-06 2006-11-09 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池システム
JP2008091319A (ja) * 2006-09-04 2008-04-17 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2008166076A (ja) * 2006-12-27 2008-07-17 Toshiba Corp 電子機器システム、および電源制御方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4372235B2 (ja) * 1996-08-29 2009-11-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび電気自動車
JP4464474B2 (ja) 1998-06-25 2010-05-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、燃料電池車両及び燃料電池制御方法
JP4001004B2 (ja) * 2002-12-10 2007-10-31 日立アプライアンス株式会社 燃料電池システムの運転制御装置
JP4624272B2 (ja) 2006-02-03 2011-02-02 本田技研工業株式会社 燃料電池車両の制御方法および燃料電池車両

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006073503A (ja) * 2004-08-06 2006-03-16 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池システム
JP2006310246A (ja) * 2004-08-06 2006-11-09 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池システム
JP2008091319A (ja) * 2006-09-04 2008-04-17 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2008166076A (ja) * 2006-12-27 2008-07-17 Toshiba Corp 電子機器システム、および電源制御方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103518281A (zh) * 2011-08-10 2014-01-15 丰田自动车株式会社 燃料电池系统

Also Published As

Publication number Publication date
DE112009002696T8 (de) 2013-08-01
DE112009002696T5 (de) 2013-04-25
CN102204001B (zh) 2013-12-04
US8815460B2 (en) 2014-08-26
US20110190959A1 (en) 2011-08-04
JP2010113896A (ja) 2010-05-20
JP4505767B2 (ja) 2010-07-21
CN102204001A (zh) 2011-09-28
DE112009002696B4 (de) 2015-03-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4505767B2 (ja) 燃料電池システム
JP5143665B2 (ja) 電力システム及び燃料電池車両
CN101904036B (zh) 燃料电池系统
US8765312B2 (en) Converter controlling apparatus
US9203314B2 (en) Converter controlling apparatus and multiphase converter
JP5146599B2 (ja) 燃料電池システムおよびその電力制御方法
JP4444343B2 (ja) 燃料電池車両
JP4513130B2 (ja) 燃料電池システム及び移動体
US20120098507A1 (en) Converter control device
JPWO2013098999A1 (ja) 燃料電池システム
US8853989B2 (en) Fuel cell system and motor driving method
JP5464323B2 (ja) コンバータ制御装置
JP2018133147A (ja) 燃料電池システム
JP2011019338A (ja) コンバータ制御装置
JP4712895B2 (ja) 燃料電池車両
WO2010140255A1 (ja) コンバータ制御装置
JP2009054316A (ja) 燃料電池システム
JP5780126B2 (ja) 燃料電池システム
JP5428526B2 (ja) 燃料電池システム
JP5673354B2 (ja) 燃料電池システム
JP5737543B2 (ja) 燃料電池システム
WO2010140227A1 (ja) コンバータ制御装置
JP2009176665A (ja) 燃料電池システム
JP2010288365A (ja) コンバータ制御装置
JP5083275B2 (ja) 燃料電池システム及び移動体

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200980144300.4

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09824523

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13122452

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120090026966

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09824523

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1