WO2011004493A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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道雄 吉田
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell and a load connected thereto.
  • the output voltage of the fuel cell is boosted by the first DC / DC converter and output to the load, and only the output of the fuel cell is required for the load. Then, when shortage occurs, the shortage is output from the power storage device to the load via the second DC / DC converter, and when the output power of the fuel cell exceeds the load power, the first DC / DC converter and A system is known in which power is supplied from a fuel cell to a power storage device via a second DC / DC converter to charge the power storage device (see, for example, Patent Document 1).
  • the control device in the fuel cell system described in Patent Document 1 below calculates a target power of a motor as a load, calculates a target voltage of the motor according to the target power, calculates a target output current of the fuel cell, The target output current is feedback-controlled as the target current of the first DC / DC converter, and the target voltage of the motor is feedback-controlled as the target voltage of the second DC / DC converter.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of suppressing a difference between required power (command power) and actual supply power (actual power). There is to do.
  • a fuel cell system is a fuel cell system including a fuel cell and a load connected to the fuel cell, and is connected between the fuel cell and the load.
  • a converter that adjusts the output of the fuel cell and outputs it to the load; and a control unit that controls the fuel cell and the converter, wherein the control unit supplies the converter with required power or the fuel.
  • Output required voltage based on the operating state of the battery, and the converter performs output feedback control for adjusting supply power output to the load so as to satisfy the output required power, and the output required voltage And voltage feedback control for adjusting the output voltage output to the load so as to satisfy the condition.
  • the control unit that controls the fuel cell and the converter outputs the required power or the required voltage based on the operating state of the fuel cell to the converter.
  • the required power or the required voltage can be instructed and output to the converter.
  • the converter performs output feedback control that adjusts the supply power output to the load so as to satisfy the required power. Therefore, the target voltage is set via the IV estimation. Without calculating, it is possible to perform high-speed and high-precision supply power control by adjusting the voltage so as to directly match the required power and the supplied power. Further, in the present invention, the voltage feedback control is executed selectively with the output feedback control.
  • the voltage feedback control adjusts the output voltage output to the load so as to satisfy the required voltage
  • voltage adjustment according to the operating state of the fuel cell can be performed. For example, during intermittent operation, power is not intentionally taken out from the fuel cell, so there is a risk that control may diverge in output feedback control, but voltage feedback control is selectively performed as in the present invention. By executing, it is possible to cope with such an operation state.
  • FIG. 3 is a flowchart for output control of the fuel cell system shown in FIG. 1. It is a block diagram for demonstrating electric power feedback control. It is a block diagram for demonstrating voltage feedback control. It is a block diagram for demonstrating the conventional feedback control.
  • FIG. 1 is a diagram showing a system configuration of a fuel cell system FCS that functions as an in-vehicle power supply system for a fuel cell vehicle.
  • the fuel cell system FCS can be mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle (FCHV), an electric vehicle, or a hybrid vehicle.
  • FCHV fuel cell vehicle
  • FCHV fuel cell vehicle
  • the fuel cell system FCS includes a fuel cell FC, an oxidizing gas supply system ASS, a fuel gas supply system FSS, a power system ES, a cooling system CS, and a controller EC.
  • the fuel cell FC is configured to generate electric power upon receiving a supply of reaction gas (fuel gas, oxidizing gas).
  • the oxidizing gas supply system ASS is a system for supplying air as an oxidizing gas to the fuel cell FC.
  • the fuel gas supply system FSS is a system for supplying hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell FC.
  • the power system ES is a system for controlling charge / discharge of power.
  • the cooling system CS is a system for cooling the fuel cell FC.
  • the controller EC is a controller that performs overall control of the entire fuel cell system FCS.
  • the fuel cell FC is configured as a solid polymer electrolyte type cell stack in which a large number of cells (a single battery (a power generator) including an anode, a cathode, and an electrolyte) are stacked in series.
  • a large number of cells a single battery (a power generator) including an anode, a cathode, and an electrolyte
  • the fuel cell FC undergoes an oxidation reaction of formula (1) at the anode and a reduction reaction of formula (2) at the cathode.
  • the fuel cell FC as a whole undergoes an electromotive reaction of the formula (3).
  • the oxidizing gas supply system ASS has an oxidizing gas passage AS3 and an oxidizing off gas passage AS4.
  • the oxidizing gas flow path AS3 is a flow path through which oxidizing gas supplied to the cathode of the fuel cell FC flows.
  • the oxidation off gas flow path AS4 is a flow path through which the oxidation off gas discharged from the fuel cell FC flows.
  • an air compressor AS2 and a humidifier AS5 are provided in the oxidizing gas flow path AS3.
  • the air compressor AS2 is a compressor for taking in the oxidizing gas from the atmosphere via the filter AS1.
  • the humidifier AS5 is a humidifier for humidifying the oxidizing gas pressurized by the air compressor AS2.
  • a pressure sensor S6 In the oxidation off gas flow path AS4, a pressure sensor S6, a back pressure adjustment valve A3, and a humidifier AS5 are provided.
  • the back pressure adjustment valve A3 is a valve for adjusting the oxidizing gas supply pressure.
  • the humidifier AS5 is provided for exchanging moisture between the oxidizing gas (dry gas) and the oxidizing off gas (wet gas).
  • the fuel gas supply system FSS has a fuel gas supply source FS1, a fuel gas flow path FS3, a circulation flow path FS4, a circulation pump FS5, and an exhaust drainage flow path FS6.
  • the fuel gas channel FS3 is a channel through which the fuel gas supplied from the fuel gas supply source FS1 to the anode of the fuel cell FC flows.
  • the circulation flow path FS4 is a flow path for returning the fuel off-gas discharged from the fuel cell FC to the fuel gas flow path FS3.
  • the circulation pump FS5 is a pump that pressure-feeds the fuel off-gas in the circulation flow path FS4 to the fuel gas flow path FS3.
  • the exhaust drainage channel FS6 is a channel that is branched and connected to the circulation channel FS4.
  • the fuel gas supply source FS1 is composed of, for example, a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage alloy, and stores high-pressure (for example, 35 MPa to 70 MPa) hydrogen gas.
  • high-pressure hydrogen gas for example, 35 MPa to 70 MPa
  • the shutoff valve H1 When the shutoff valve H1 is opened, the fuel gas flows out from the fuel gas supply source FS1 to the fuel gas flow path FS3.
  • the fuel gas is decompressed to, for example, about 200 kPa by the regulator H2 and the injector FS2, and supplied to the fuel cell FC.
  • the fuel gas flow path FS3 is provided with a shutoff valve H1, a regulator H2, an injector FS2, a shutoff valve H3, and a pressure sensor S4.
  • the shutoff valve H1 is a valve for shutting off or allowing the supply of the fuel gas from the fuel gas supply source FS1.
  • the regulator H2 adjusts the pressure of the fuel gas.
  • the injector FS2 controls the amount of fuel gas supplied to the fuel cell FC.
  • the shutoff valve H3 is a valve for shutting off the fuel gas supply to the fuel cell FC.
  • the regulator H2 is a device that regulates the upstream side pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure, and includes, for example, a mechanical pressure reducing valve that reduces the primary pressure.
  • the mechanical pressure reducing valve has a housing in which a back pressure chamber and a pressure adjusting chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is reduced to a predetermined pressure in the pressure adjusting chamber by the back pressure in the back pressure chamber. It has a configuration for the next pressure.
  • the injector FS2 is an electromagnetically driven on-off valve capable of adjusting a gas flow rate and a gas pressure by driving a valve body directly with a predetermined driving cycle with an electromagnetic driving force and separating it from a valve seat.
  • the injector FS2 moves in an axial direction (gas flow direction) with respect to a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as fuel gas, a nozzle body for supplying and guiding the gaseous fuel to the injection hole, and the nozzle body. And a valve body that is stored and held so as to open and close the injection hole.
  • the valve body of the injector FS2 is driven by a solenoid that is an electromagnetic drive device, and is configured such that the gas injection time and gas injection timing of the injector FS2 can be controlled by a control signal output from the controller EC.
  • Injector FS2 changes downstream by changing at least one of the opening area (opening) and the opening time of the valve provided in the gas flow path of injector FS2 in order to supply the required gas flow rate downstream.
  • the gas flow rate (or hydrogen molar concentration) supplied to the side is adjusted.
  • a shutoff valve H4 is provided, and an exhaust / drain channel FS6 is connected.
  • An exhaust / drain valve H5 is provided in the exhaust / drain flow path FS6.
  • the exhaust / drain valve H5 is a valve for discharging the fuel off-gas containing impurities in the circulation flow path FS4 and moisture to the outside by operating according to a command from the controller EC.
  • the fuel off-gas discharged through the exhaust / drain valve H5 is mixed with the oxidizing off-gas flowing through the oxidizing off-gas passage AS4 and diluted by a diluter (not shown).
  • the circulation pump FS5 circulates and supplies the fuel off gas in the circulation system to the fuel cell FC by driving the motor.
  • the power system ES includes a DC / DC converter ES1, a battery ES2, a traction inverter ES3, a traction motor ES4, and auxiliary machinery ES5.
  • the fuel cell system FCS is configured as a parallel hybrid system in which a DC / DC converter ES1 and a traction inverter ES3 are connected to the fuel cell FC in parallel.
  • the DC / DC converter ES1 boosts the DC voltage supplied from the battery ES2 and outputs it to the traction inverter ES3, and the DC power generated by the fuel cell FC or the regenerative power recovered by the traction motor ES4 by regenerative braking. It has a function of stepping down and charging the battery ES2.
  • the charging / discharging of the battery ES2 is controlled by these functions of the DC / DC converter ES1.
  • the operating point (output terminal voltage, output current) of the fuel cell FC is controlled by voltage conversion control by the DC / DC converter ES1.
  • a voltage sensor S1 and a current sensor S2 are attached to the fuel cell FC.
  • the voltage sensor S1 is a sensor for detecting the output terminal voltage of the fuel cell FC.
  • the current sensor S2 is a sensor for detecting the output current of the fuel cell FC.
  • the battery ES2 functions as a surplus power storage source, a regenerative energy storage source during regenerative braking, and an energy buffer during load fluctuations associated with acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle.
  • a secondary battery such as a nickel / cadmium storage battery, a nickel / hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery is preferable.
  • An SOC sensor S3 for detecting SOC (State of charge) is attached to the battery ES2.
  • the traction inverter ES3 is, for example, a PWM inverter driven by a pulse width modulation method.
  • the traction inverter ES3 converts the DC voltage output from the fuel cell FC or the battery ES2 into a three-phase AC voltage according to a control command from the controller EC, and controls the rotational torque of the traction motor ES4.
  • the traction motor ES4 is a three-phase AC motor, for example, and constitutes a power source of the fuel cell vehicle.
  • Auxiliary machinery ES5 includes motors (for example, power sources such as pumps) arranged in each part in the fuel cell system FCS, inverters for driving these motors, and various in-vehicle auxiliary machinery (for example, an air compressor, an injector, a cooling water circulation pump, a radiator, etc.) are collectively referred to.
  • motors for example, power sources such as pumps
  • inverters for driving these motors
  • various in-vehicle auxiliary machinery For example, an air compressor, an injector, a cooling water circulation pump, a radiator, etc.
  • the cooling system CS includes a radiator CS1, a coolant pump CS2, a coolant forward path CS3, and a coolant return path CS4.
  • the radiator CS1 radiates and cools the coolant for cooling the fuel cell FC.
  • the coolant pump CS2 is a pump for circulating the coolant between the fuel cell FC and the radiator CS1.
  • the coolant forward path CS3 is a channel connecting the radiator CS1 and the fuel cell FC, and is provided with a coolant pump CS2. When the coolant pump CS2 is driven, the coolant flows from the radiator CS1 to the fuel cell FC through the coolant forward path CS3.
  • the coolant return path CS4 is a flow path connecting the fuel cell FC and the radiator CS1, and is provided with a water temperature sensor S5.
  • the coolant pump CS2 When the coolant pump CS2 is driven, the coolant that has cooled the fuel cell FC returns to the radiator CS1.
  • the controller EC (control unit) is a computer system including a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface, and controls each unit of the fuel cell system FCS. For example, the controller EC starts the operation of the fuel cell system FCS when receiving the start signal IG output from the ignition switch. Thereafter, the controller EC obtains the required power of the entire fuel cell system FCS based on the accelerator opening signal ACC output from the accelerator sensor, the vehicle speed signal VC output from the vehicle speed sensor, and the like. The required power of the entire fuel cell system FCS is the total value of the vehicle travel power and the auxiliary power.
  • auxiliary electric power includes electric power consumed by in-vehicle auxiliary equipment (humidifier, air compressor, hydrogen pump, cooling water circulation pump, etc.), and equipment required for vehicle travel (transmission, wheel control device, steering) Power consumed by devices, suspension devices, etc.), power consumed by devices (air conditioners, lighting equipment, audio, etc.) disposed in the passenger space, and the like.
  • in-vehicle auxiliary equipment humidity, air compressor, hydrogen pump, cooling water circulation pump, etc.
  • equipment required for vehicle travel transmission, wheel control device, steering
  • devices air conditioners, lighting equipment, audio, etc.
  • the controller EC determines the distribution of the respective output powers of the fuel cell FC and the battery ES2.
  • the controller EC controls the oxidizing gas supply system ASS and the fuel gas supply system FSS so that the power generation amount of the fuel cell FC matches the target power.
  • the controller EC outputs an instruction signal to the DC / DC converter ES1, causes the DC / DC converter ES1 to execute converter control, and controls the operating point (output terminal voltage, output current) of the fuel cell FC.
  • controller EC outputs, for example, each U-phase, V-phase, and W-phase AC voltage command value to the traction inverter ES3 as a switching command so as to obtain a target torque corresponding to the accelerator opening, Controls the output torque and rotation speed of the motor ES4. Further, the controller EC controls the cooling system CS so that the fuel cell FC has an appropriate temperature.
  • FIG. 2 is a flowchart showing operation point control of the fuel cell FC by the controller EC and the DC / DC converter ES1.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining the power feedback control.
  • FIG. 4 is a block diagram for explaining voltage feedback control.
  • FIG. 5 is a block diagram for explaining conventional feedback control.
  • step S01 the controller EC determines whether or not the current operation mode is an operation mode intended to extract power from the fuel cell FC.
  • the operation mode intended to extract power from the fuel cell FC is a normal operation mode.
  • the operation mode that does not intend to extract power from the fuel cell FC is an operation mode such as an intermittent operation mode, a start / stop mode, or a below-freezing start mode. If the current operation mode is an operation mode intended to extract electric power from the fuel cell FC, the process proceeds to step S02. If the current operation mode is an operation mode not intended to extract electric power from the fuel cell FC, step is performed. The process proceeds to S03.
  • step S02 the FC command power as the required power is output from the controller EC to the DC / DC converter ES1, and the DC / DC converter ES1 executes power feedback control.
  • the FC generated power 22 is calculated.
  • the FC power deviation 23 is subjected to PID correction 24 (proportional correction (P correction), integral correction (I correction), differential correction (D correction)), and a converter command voltage is output as a controlled variable.
  • PID correction 24 proportional correction (P correction), integral correction (I correction), differential correction (D correction)
  • the FC command power 21 as the required power is output in this way, and the power feedback control is performed based on the deviation between the FC command power 21 and the FC generated power 22, so that the IV estimation is performed.
  • High-speed and high-precision power control can be realized without performing this.
  • conventional feedback control will be described with reference to FIG.
  • the DC / DC converter performs conversion from power to voltage based on the IV estimation based on the FC command power 41 output from the controller, and calculates the FC command voltage 42. .
  • a PID correction 45 is applied to the FC voltage deviation 44, and a converter command voltage is output as a control amount. Therefore, if the accuracy of IV estimation is low, the FC command voltage 42 appropriately corresponding to the FC command power 41 cannot be calculated, and as a result, the FC command power 41 and the FC actual power are deviated. . Even if the FC voltage deviation 44 is calculated on the basis of the input so deviated and the PID correction 45 is applied to output the converter command voltage, accurate control cannot be performed. If the accuracy of IV estimation is low, the result will be the same even if the calculation speed is increased, and the power error cannot be eliminated. On the other hand, in the present embodiment, as described above, since IV estimation is not required in the first place, highly accurate power control can be realized.
  • step S03 the FC command voltage as a required voltage based on the operating state of the fuel cell FC is output from the controller EC to the DC / DC converter ES1, and the DC / DC converter ES1 performs voltage feedback control.
  • the process of step S03 is performed in an operation mode (intermittent operation mode, start / stop mode, sub-freezing start mode, etc.) that does not intend to extract power from the fuel cell FC. If power feedback control is performed in this case, for example, in the intermittent operation mode, even if the operating point voltage is changed by the DC / DC converter ES1, the fuel cell FC is not supplied with fuel gas, so the amount of power generation increases.
  • the integral term (I correction term) during PID control may diverge. Therefore, in the present embodiment, when the power is not intended to be taken out from the fuel cell FC, attention is paid to the fact that there is no need to finely control the power, and the voltage feedback control is executed.
  • the FC voltage deviation 33 is subjected to PID correction 34 (proportional correction (P correction), integral correction (I correction), differential correction (D correction)), and a converter command voltage is output as a control amount.
  • FCS Fuel cell system FC: Fuel cell ASS: Oxidizing gas supply system AS1: Filter AS2: Air compressor AS3: Oxidizing gas channel AS4: Oxidizing off gas channel AS5: Humidifier A3: Back pressure regulating valve CS: Cooling system CS1: Radiator CS2: Coolant pump CS3: Coolant forward path CS4: Coolant return path FSS: Fuel gas supply system FS1: Fuel gas supply source FS2: Injector FS3: Fuel gas channel FS4: Circulation channel FS5: Circulation pump FS6: Exhaust drainage Flow path H1: Shut-off valve H2: Regulator H3: Shut-off valve H4: Shut-off valve H5: Exhaust drain valve ES: Power system ES1: DC / DC converter ES2: Battery ES3: Traction inverter ES4: Traction motor ES5: Auxiliary equipment EC: Controller S1: Voltage sensor S2: Current sensor S3: S

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Abstract

　燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池ＦＣと、燃料電池ＦＣに接続されたモータＥＳ４とを備えると共に、燃料電池ＦＣとモータＥＳ４との間に接続され、燃料電池ＦＣの出力を調整してモータＥＳ４に出力するコンバータＥＳ１と、燃料電池ＦＣ及びコンバータＥＳ１を制御するコントローラＥＣと、を備え、コントローラＥＣは、コンバータＥＳ１に対して、要求電力又は燃料電池ＦＣの運転状態に基づく要求電圧を出力し、コンバータＥＳ１は、当該出力された要求電力を満たすようにモータＥＳ４に出力される供給電力の調整を実行する出力フィードバック制御と、当該出力された要求電圧を満たすようにモータＥＳ４に出力される出力電圧の調整を実行する電圧フィードバック制御とを選択的に実行する。

Description

燃料電池システム
　本発明は、燃料電池とそれに接続された負荷とを備える燃料電池システムに関する。
　燃料電池とそれに接続された負荷とを備える燃料電池システムとして、燃料電池の出力電圧を第１のＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧して負荷に出力するとともに、負荷に必要な電力が燃料電池の出力だけでは不足するときにその不足分を蓄電装置から第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記負荷に出力し、燃料電池の出力電力が負荷の電力を超過するときには前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して燃料電池から蓄電装置に電力を供給して蓄電装置を充電するシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
　下記特許文献１に記載の燃料電池システムにおける制御装置は、負荷としてのモータの目標電力を算出し、その目標電力に応じてモータの目標電圧を算出し、燃料電池の目標出力電流を算出し、その目標出力電流を第１のＤＣ／ＤＣコンバータの目標電流としてフィードバック制御し、モータの目標電圧を第２のＤＣ／ＤＣコンバータの目標電圧としてフィードバック制御するものである。
特開２００７－３１８９３８号公報
　上記特許文献１に記載の技術は、目標電力に応じて目標電圧及び目標電流を算出してフィードバック制御を行うものであるから、燃料電池における電圧と電流との関係を推定するいわゆるＩ－Ｖ推定が必要になる。このＩ－Ｖ推定に基づいて、目標電圧や目標電流を算出することになるため、例えば、Ｉ－Ｖ推定の精度が低い場合には要求電力（指令パワー）と実際の供給出力（実パワー）との間に乖離が生じる恐れがある。具体的には、指令パワーに応じた目標電圧を目標電流をＩ－Ｖ推定に基づいて決定し、ＤＣ／ＤＣコンバータに対してその目標電圧を出力するように指示した場合、その目標電圧を出力することはできても、Ｉ－Ｖ推定の精度が低ければ対応する目標電流とは異なる電流が出力されることになり、結果として実パワーが指令パワーとは異なるものとなってしまう。そのため、Ｉ－Ｖ推定の精度を向上することが極めて重要なことになる。
　Ｉ－Ｖ推定の精度を向上させるためには、Ｉ－Ｖ推定の学習サイクルを高めるため、高速演算を繰り返し実行することが考えられる。しかしながら、そのような高速演算を実行しても、ノイズや燃料電池のコンデンサ成分を拾ってしまい、燃料電池の実際のＩ－Ｖ特性を正確に演算することが困難であることを本発明者らは見出したものである。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、要求電力（指令パワー）と実際の供給電力（実パワー）との乖離を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
　上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に接続された負荷とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池と前記負荷との間に接続され、前記燃料電池の出力を調整して前記負荷に出力するコンバータと、前記燃料電池及び前記コンバータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記コンバータに対して、要求電力又は前記燃料電池の運転状態に基づく要求電圧を出力し、前記コンバータは、当該出力された要求電力を満たすように前記負荷に出力される供給電力の調整を実行する出力フィードバック制御と、当該出力された要求電圧を満たすように前記負荷に出力される出力電圧の調整を実行する電圧フィードバック制御とを選択的に実行することを特徴とする。
　本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池及びコンバータを制御する制御部は、コンバータに対して要求電力又は燃料電池の運転状態に基づく要求電圧を出力するので、燃料電池の運転状態に合わせて要求電力又は要求電圧をコンバータに指示出力することができる。コンバータは、要求電力が出力された場合には、その要求電力を満たすように負荷に出力される供給電力の調整を実行する出力フィードバック制御を実行するので、Ｉ－Ｖ推定を介して目標電圧を算出することなく、直接的に要求電力と供給電力とを合わせこむように電圧を調整することで高速で精度の高い供給電力制御を行うことができる。また、本発明ではこの出力フィードバック制御と選択的に電圧フィードバック制御を実行するものとしている。電圧フィードバック制御は、要求電圧を満たすように負荷に出力される出力電圧の調整を実行するので、燃料電池の運転状態に応じた電圧調整を行うことができる。例えば、間欠運転中においては、燃料電池から意図的に電力を取り出さないものであるため、出力フィードバック制御では制御が発散してしまう恐れがあるけれども、本発明のように選択的に電圧フィードバック制御を実行することで、そのような運転状態にも対応することができる。
　本発明によれば、要求電力（指令パワー）と実際の供給電力（実パワー）との乖離を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を示す図である。 図１に示す燃料電池システムの出力制御についてのフローチャートである。 電力フィードバック制御を説明するためのブロック図である。 電圧フィードバック制御を説明するためのブロック図である。 従来のフィードバック制御を説明するためのブロック図である。
　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
　最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムＦＣＳについて図１を参照しながら説明する。図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システムＦＣＳのシステム構成を示す図である。燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができる。
　燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池ＦＣと、酸化ガス供給系ＡＳＳと、燃料ガス供給系ＦＳＳと、電力系ＥＳと、冷却系ＣＳと、コントローラＥＣとを備えている。燃料電池ＦＣは、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電するものである。酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。電力系ＥＳは、電力の充放電を制御するための系である。冷却系ＣＳは、燃料電池ＦＣを冷却するための系である。コントローラＥＣは、燃料電池システムＦＣＳ全体を統括制御するコントローラである。
　燃料電池ＦＣは、多数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。燃料電池ＦＣでは、通常の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池ＦＣ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）
　酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガス流路ＡＳ３と酸化オフガス流路ＡＳ４とを有している。酸化ガス流路ＡＳ３は、燃料電池ＦＣのカソードに供給される酸化ガスが流れる流路である。酸化オフガス流路ＡＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される酸化オフガスが流れる流路である。
　酸化ガス流路ＡＳ３には、エアコンプレッサＡＳ２と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。エアコンプレッサＡＳ２は、フィルタＡＳ１を介して大気中から酸化ガスを取り込むためのコンプレッサである。加湿器ＡＳ５は、エアコンプレッサＡＳ２により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器である。
　酸化オフガス流路ＡＳ４には、圧力センサＳ６と、背圧調整弁Ａ３と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。背圧調整弁Ａ３は、酸化ガス供給圧を調整するための弁である。加湿器ＡＳ５は、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するためのものとして設けられている。
　燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガス供給源ＦＳ１と、燃料ガス流路ＦＳ３と、循環流路ＦＳ４と、循環ポンプＦＳ５と、排気排水流路ＦＳ６とを有している。燃料ガス流路ＦＳ３は、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料電池ＦＣのアノードに供給される燃料ガスが流れる流路である。循環流路ＦＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に帰還させるための流路である。循環ポンプＦＳ５は、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に圧送するポンプである。排気排水流路ＦＳ６は、循環流路ＦＳ４に分岐接続される流路である。
　燃料ガス供給源ＦＳ１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ～７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵するものである。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料ガス流路ＦＳ３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタＦＳ２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池ＦＣに供給される。
　燃料ガス流路ＦＳ３には、遮断弁Ｈ１と、レギュレータＨ２と、インジェクタＦＳ２と、遮断弁Ｈ３と、圧力センサＳ４とが設けられている。遮断弁Ｈ１は、燃料ガス供給源ＦＳ１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための弁である。レギュレータＨ２は、燃料ガスの圧力を調整するものである。インジェクタＦＳ２は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給量を制御するものである。遮断弁Ｈ３は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給を遮断するための弁である。
　レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタＦＳ２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタＦＳ２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。
　インジェクタＦＳ２は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタＦＳ２は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座と、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に格納保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
　インジェクタＦＳ２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、コントローラＥＣから出力される制御信号によってインジェクタＦＳ２のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御することが可能なように構成されている。インジェクタＦＳ２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタＦＳ２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。
　循環流路ＦＳ４には、遮断弁Ｈ４が設けられ、排気排水流路ＦＳ６が接続されている。排気排水流路ＦＳ６には、排気排水弁Ｈ５が設けられている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラＥＣからの指令によって作動することにより、循環流路ＦＳ４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するための弁である。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
　排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス流路ＡＳ４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプＦＳ５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池ＦＣに循環供給する。
　電力系ＥＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１と、バッテリＥＳ２と、トラクションインバータＥＳ３と、トラクションモータＥＳ４と、補機類ＥＳ５とを備えている。燃料電池システムＦＣＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１とトラクションインバータＥＳ３とが並列に燃料電池ＦＣに接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。
　ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１は、バッテリＥＳ２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータＥＳ３に出力する機能と、燃料電池ＦＣが発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータＥＳ４が回収した回生電力を降圧してバッテリＥＳ２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１のこれらの機能により、バッテリＥＳ２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１による電圧変換制御により、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）が制御される。燃料電池ＦＣには、電圧センサＳ１と電流センサＳ２とが取り付けられている。電圧センサＳ１は、燃料電池ＦＣの出力端子電圧を検出するためのセンサである。電流センサＳ２は、燃料電池ＦＣの出力電流を検出するためのセンサである。
　バッテリＥＳ２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリＥＳ２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好適である。バッテリＥＳ２には、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ）を検出するためのＳＯＣセンサＳ３が取り付けられている。
　トラクションインバータＥＳ３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータである。トラクションインバータＥＳ３は、コントローラＥＣからの制御指令に従って、燃料電池ＦＣ又はバッテリＥＳ２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータＥＳ４の回転トルクを制御する。トラクションモータＥＳ４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
　補機類ＥＳ５は、燃料電池システムＦＣＳ内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）、これらのモータを駆動するためのインバータ類、及び各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。
　冷却系ＣＳは、ラジエータＣＳ１と、冷却液ポンプＣＳ２と、冷却液往路ＣＳ３と、冷却液復路ＣＳ４とを有している。ラジエータＣＳ１は、燃料電池ＦＣを冷却するための冷却液を放熱して冷却するものである。冷却液ポンプＣＳ２は、冷却液を燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１との間で循環させるためのポンプである。冷却液往路ＣＳ３は、ラジエータＣＳ１と燃料電池ＦＣとを繋ぐ流路であって、冷却液ポンプＣＳ２が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、冷却液はラジエータＣＳ１から燃料電池ＦＣへと冷却液往路ＣＳ３を通って流れる。冷却液復路ＣＳ４は、燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１とを繋ぐ流路であって、水温センサＳ５が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、燃料電池ＦＣを冷却した冷却液はラジエータＣＳ１へと還流する。
　コントローラＥＣ（制御部）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムＦＣＳの各部を制御するものである。例えば、コントローラＥＣは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システムＦＣＳの運転を開始する。その後、コントローラＥＣは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力を求める。燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。
　ここで、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ＥＣは、燃料電池ＦＣとバッテリＥＳ２とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣの発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系ＡＳＳ及び燃料ガス供給系ＦＳＳを制御する。また、コントローラＥＣは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１に指示信号を出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１によるコンバータ制御を実行させ、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラＥＣは、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータＥＳ３に出力し、トラクションモータＥＳ４の出力トルク、及び回転数を制御する。更に、コントローラＥＣは、冷却系ＣＳを制御して燃料電池ＦＣが適切な温度になるように制御する。
　続いて、コントローラＥＣとＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１による燃料電池ＦＣの運転ポイント制御について図２，図３，図４，図５を参照しながら説明する。図２は、コントローラＥＣとＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１による燃料電池ＦＣの運転ポイント制御を示すフローチャートである。図３は、電力フィードバック制御を説明するためのブロック図である。図４は、電圧フィードバック制御を説明するためのブロック図である。図５は、従来のフィードバック制御を説明するためのブロック図である。
　ステップＳ０１では、コントローラＥＣが、現在の運転モードが燃料電池ＦＣから電力の取り出しを意図した運転モードか否かを判断する。燃料電池ＦＣから電力の取り出しを意図した運転モードとは、通常の運転モードである。一方、燃料電池ＦＣから電力の取り出しを意図しない運転モードとは、間欠運転モード、始動・停止モード、氷点下始動モードといった運転モードの場合である。現在の運転モードが燃料電池ＦＣから電力の取り出しを意図した運転モードの場合にはステップＳ０２の処理に進み、現在の運転モードが燃料電池ＦＣから電力の取り出しを意図しない運転モードの場合にはステップＳ０３の処理に進む。
　ステップＳ０２では、コントローラＥＣからＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１に対して、要求電力としてのＦＣ指令パワーが出力され、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１は電力フィードバック制御を実行する。図３に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１は、コントローラＥＣから出力されるＦＣ指令パワー２１と、燃料電池ＦＣのＦＣ発電電力２２との偏差によって、ＦＣ電力偏差２３（＝ＦＣ指令パワー２１－ＦＣ発電電力２２）を算出する。このＦＣ電力偏差２３にＰＩＤ補正２４（比例補正（Ｐ補正）、積分補正（Ｉ補正）、微分補正（Ｄ補正））を施し、制御量としてコンバータ指令電圧を出力する。
　本実施形態では、このように要求電力としてのＦＣ指令パワー２１が出力され、そのＦＣ指令パワー２１とＦＣ発電電力２２との偏差に基づいて電力フィードバック制御を行っているので、Ｉ－Ｖ推定を行わずに高速で精度の高い電力コントロールを実現することができる。比較のため、従来のフィードバック制御について図５を参照しながら説明する。図５に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータは、コントローラから出力されるＦＣ指令パワー４１に基づいて、電力から電圧への変換をＩ－Ｖ推定に基づいて実行し、ＦＣ指令電圧４２を算出する。このＦＣ指令電圧４２とＦＣ実電圧４３との偏差によって、ＦＣ電圧偏差４４（＝ＦＣ指令電圧－ＦＣ実電圧）を算出する。このＦＣ電圧偏差４４にＰＩＤ補正４５を施し、制御量としてコンバータ指令電圧を出力する。従って、Ｉ－Ｖ推定の精度が低いと、ＦＣ指令パワー４１に適切に対応したＦＣ指令電圧４２を算出することができず、結果としてＦＣ指令パワー４１とＦＣ実発電パワーとが乖離してしまう。そのように乖離した入力に基づいてＦＣ電圧偏差４４を算出し、ＰＩＤ補正４５を施してコンバータ指令電圧を出力しても正確な制御を行うことはできない。また、Ｉ－Ｖ推定の精度が低ければ、演算速度を速めても結果は同じことになってしまい、パワー誤差を解消することはできないものである。これに対して本実施形態では、上述したようにそもそもＩ－Ｖ推定を必要としないので、精度の高い電力コントロールを実現することができる。
　図２に戻り、ステップＳ０３では、コントローラＥＣからＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１に対して、燃料電池ＦＣの運転状態に基づく要求電圧としてのＦＣ指令電圧が出力され、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１は電圧フィードバック制御を実行する。上述したように、ステップＳ０３の処理は、燃料電池ＦＣから電力の取り出しを意図しない運転モード（間欠運転モード、始動・停止モード、氷点下始動モード等）の場合に行われるものである。この場合に電力フィードバック制御を行ってしまうと、例えば間欠運転モードの場合にはＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１で動作点電圧を変化させても、燃料電池ＦＣには燃料ガスが供給されないため発電量は増えず、ＰＩＤ制御中の積分項（Ｉ補正項）が発散してしまう恐れがある。そこで、本実施形態では、燃料電池ＦＣから電力の取り出しを意図していない場合には、そもそも電力をきめ細かくコントロール必要が無いことに着目し、電圧フィードバック制御を実行することとしている。
　より具体的には、図４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１は、コントローラＥＣから出力されるＦＣ指令電圧３１と、燃料電池ＦＣのＦＣ実電圧３２との偏差によって、ＦＣ電圧偏差３３（＝ＦＣ指令電圧３１－ＦＣ実電圧３２）を算出する。このＦＣ電圧偏差３３にＰＩＤ補正３４（比例補正（Ｐ補正）、積分補正（Ｉ補正）、微分補正（Ｄ補正））を施し、制御量としてコンバータ指令電圧を出力する。
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＣ：燃料電池
ＡＳＳ：酸化ガス供給系
ＡＳ１：フィルタ
ＡＳ２：エアコンプレッサ
ＡＳ３：酸化ガス流路
ＡＳ４：酸化オフガス流路
ＡＳ５：加湿器
Ａ３：背圧調整弁
ＣＳ：冷却系
ＣＳ１：ラジエータ
ＣＳ２：冷却液ポンプ
ＣＳ３：冷却液往路
ＣＳ４：冷却液復路
ＦＳＳ：燃料ガス供給系
ＦＳ１：燃料ガス供給源
ＦＳ２：インジェクタ
ＦＳ３：燃料ガス流路
ＦＳ４：循環流路
ＦＳ５：循環ポンプ
ＦＳ６：排気排水流路
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３：遮断弁
Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＥＳ：電力系
ＥＳ１：ＤＣ／ＤＣコンバータ
ＥＳ２：バッテリ
ＥＳ３：トラクションインバータ
ＥＳ４：トラクションモータ
ＥＳ５：補機類
ＥＣ：コントローラ
Ｓ１：電圧センサ
Ｓ２：電流センサ
Ｓ３：ＳＯＣセンサ
Ｓ４，Ｓ６：圧力センサ
Ｓ５：水温センサ
ＡＣＣ：アクセル開度信号
ＩＧ：起動信号
ＶＣ：車速信号
 

Claims (1)

  1. 　燃料電池と、前記燃料電池に接続された負荷とを備える燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池と前記負荷との間に接続され、前記燃料電池の出力を調整して前記負荷に出力するコンバータと、
    　前記燃料電池及び前記コンバータを制御する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、前記コンバータに対して、要求電力又は前記燃料電池の運転状態に基づく要求電圧を出力し、
    　前記コンバータは、当該出力された要求電力を満たすように前記負荷に出力される供給電力の調整を実行する出力フィードバック制御と、当該出力された要求電圧を満たすように前記負荷に出力される出力電圧の調整を実行する電圧フィードバック制御とを選択的に実行することを特徴とする燃料電池システム。
     
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