【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車両を走行させるための駆動モータを駆動するに際して、燃料電池スタックに燃料ガスと共に酸化剤ガスを供給するときに、コンプレッサの回転数を制御する燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば車両の駆動力を発生させる電源として、燃料電池スタックを使用した燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムにおける燃料電池スタックは、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応ガスの消費量が多い場合には、大きい電気エネルギーを出力し、反応ガスの消費量が少ない場合には、小さい電気エネルギーを出力する。
【０００３】
このため、燃料電池システムでは、駆動モータや各種補機の負荷の大きさが増して燃料電池スタックの発電要求電流が増大するときは、燃料電池スタックへのガス供給量を増加させて、反応ガスの消費を補っている。すなわち、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックへのガス供給量を、燃料電池スタックへの発電要求電流に基づいてフィードバック制御することがなされている。
【０００４】
このとき、燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス（空気）の供給量を調整するにはコンプレッサの駆動量を制御することが一般的であり、コンプレッサの回転数を大きくするほど酸化剤ガスの供給量を増加させている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平４−５１４６６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の燃料電池システムでは、通常、発電要求電流の変化に対して必要な空気流量の変動（感度）が運転領域によって異なり、空気流量の変動が高い領域では、発電要求電流値の微小な変化に対して必要な空気流量が大きく変化してしまうことがある。すなわち、燃料電池車両のアクセル操作量を略一定に保っていても、コンプレッサの回転数が大きく変動してしまうことがあり、運転者に違和感を与えることがある。
【０００７】
これに対し、コンプレッサ回転数の変動を抑制するために、発電要求電流値にフィルタ処理を行なって、発電要求電流値の微小な変化に対してコンプレッサ回転数を変化させない技術がある。しかし、このような技術では、運転者の要求する操作、例えば、アクセルを踏みこむなどして、発電要求電流値が急峻に大きくなる場合にフィルタ処理を行なうと、燃料電池スタックから取り出すことのできる電流より多い電流を駆動モータなどが取り出そうとしてしまい、燃料電池スタック内の膜が劣化してしまうことがある。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するコンプレッサの回転数の変動を抑制すると共に、駆動モータに確実に必要な電流を供給することができる燃料電池システムの制御装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池スタックを搭載した車両を駆動する駆動モータに駆動トルクを発生させるに際して、先ず、目標駆動トルク演算手段により、例えば運転者の操作によるアクセル開度に応じて駆動モータの目標駆動トルクを演算する。そして、目標駆動トルクを駆動モータに発生させるために、発電要求電流演算手段により、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するコンプレッサの消費電流及び駆動モータの消費電力を演算し、コンプレッサ回転数制御手段によりコンプレッサ回転数を制御する。
【００１０】
このとき、コンプレッサ回転数制御手段では、発電要求電流演算手段にて演算された発電要求電流値が前回処理にて燃料電池スタックに発電要求した電流値よりも小さい場合に、コンプレッサの回転数の変動の許容範囲を規定する変動許容値と発電要求電流演算手段にて演算された発電要求電流値とを加算する演算をし、コンプレッサの回転数を低下させるか維持させるかを制御する。コンプレッサ回転数制御手段では、前回処理にて燃料電池スタックに発電要求した電流値の方が大きい場合にはコンプレッサの回転数を低下させ、前回処理にて燃料電池スタックに発電要求した電流値の方が小さい場合にはコンプレッサの回転数を維持する。
【００１１】
このように、コンプレッサ回転数制御手段では、コンプレッサ回転数を維持する制御をすることで、コンプレッサの回転数変動を抑制する。
【００１２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムの制御装置によれば、コンプレッサ回転数を維持する制御をすることでコンプレッサの回転数変動を抑制するので、コンプレッサの回転数が変動することにより駆動音が車両の乗員まで到達することを抑制することができる。また、この燃料電池システムの制御装置によれば、駆動モータに要求される駆動トルクが小さくなった場合でもコンプレッサの回転数を維持して燃料電池スタックに発電をさせることができ、急に目標駆動トルクが上昇した場合であっても燃料電池スタックから確実に必要な電力を取り出して駆動モータに供給することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００１５】
［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、例えば燃料電池車両に搭載されて、負荷として搭載された駆動モータや燃料電池スタック１を発電させる補機等に電力供給することで、車両走行するための駆動トルクを発生させる。
【００１６】
この燃料電池システムは、当該燃料電池システムの主電源であって、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１を備える。
この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んで空気極と水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層して構成されている。本例の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１に発電反応を発生させるための燃料ガスとして、例えば水素ガスを燃料極に供給すると共に、酸化剤ガスとして例えば酸素を含む空気を酸化剤極に供給する。
【００１７】
水素ガスは、水素貯蔵タンク２に蓄積されて、水素調圧弁３により圧力調整されて燃料電池スタック１に供給される。そして、水素ガスは、燃料電池スタック１の発電反応に使用され、余剰分が燃料電池スタック１から排出される。
【００１８】
排出された水素ガスは、循環流路４を介してエゼクタポンプ５に送られ、水素貯蔵タンク２からの水素ガスと合流されて再度燃料電池スタック１に送られる。
また、燃料電池スタック１から排出された水素ガスは、必要に応じて燃料電池スタック１の水素排出側に設けられたパージ弁６から排出される。
【００１９】
また、空気は、エアコンプレッサ７から圧送されることで、燃料電池スタック１に供給される。このエアコンプレッサ７は、外気を取り込むためのコンプレッサモータを内蔵し、コントローラ８により駆動量が制御される。そして、空気は、水素ガスと共に燃料電池スタック１の発電反応に使用され、余剰分が燃料電池スタック１から排出される。
【００２０】
この燃料電池システムは、上述した各部の動作を制御して燃料電池スタック１の発電反応を制御するコントローラ８を備える。このコントローラ８は、図示しないセンサ群からセンサ信号を読み込むことで、水素ガス流量及び水素ガス圧力、空気流量及び空気圧力を検出する。そして、このコントローラ８では、外部からの燃料電池スタック１の発電要求に応じて、水素調圧弁３の開度を制御して水素ガス流量及び水素ガス圧力を制御し、エアコンプレッサ７の駆動量を制御して空気流量及び空気圧力を制御する。
【００２１】
このコントローラ８は、燃料電池スタック１の発電反応を制御しているときに、燃料電池車両の乗員にエアコンプレッサモータを駆動させることによる聴覚的な不快感を除去するようにエアコンプレッサ７の駆動量を制御するコンプレッサ駆動量制御処理を実行する。
【００２２】
［コンプレッサ駆動量制御処理］
つぎに、上述した燃料電池システムにおいて、燃料電池車両を走行させている最中においてコントローラ８により実行するコンプレッサ駆動量制御処理の処理手順について図２のフローチャートを参照して説明する。コントローラ８では、燃料電池車両が起動しているときにおいて、例えば１０ｍｓｅｃの所定期間毎にステップＳ１以降の処理を繰り返す。
【００２３】
先ず、コントローラ８では、図示しないアクセル開度センサからのセンサ信号を読み込むことで現在のアクセル開度を認識して（ステップＳ１）、認識したアクセル開度から、燃料電池車両に搭載された駆動モータにて目標とする駆動トルク（目標駆動トルク）を算出する（ステップＳ２）。このとき、コントローラ８では、アクセル開度のみならず、車速センサからのセンサ信号を読み込んでアクセル開度及び車速に応じて目標駆動トルクを算出しても良い。
【００２４】
次にコントローラ８では、ステップＳ２にて算出した目標駆動トルクを駆動モータにて発生させるときに、駆動モータが消費する電流（駆動モータ消費電流）を算出し（ステップＳ３）、駆動モータ消費電流を発生させるために必要な電力を燃料電池スタック１にて発生させるための補機の消費電流（補機消費電流）を算出する（ステップＳ４）。ここで、駆動モータ消費電流は、予め用意しておいた目標駆動トルクに対応した推定値を格納したマップデータを参照して算出される。また、補機消費電流は、予め用意しておいた駆動モータ消費電流に対応した推定値を格納したマップデータを参照して算出される。
【００２５】
そして、コントローラ８では、ステップＳ３にて算出した駆動モータ消費電流とステップＳ４にて算出した補機消費電流とを加算して、駆動トルクを達成するために燃料電池スタック１に要求する出力電流値（第１発電要求電流値）を算出する（ステップＳ５）。
【００２６】
次にコントローラ８では、ステップＳ５にて算出した第１発電要求電流値から、エアコンプレッサ７の回転数を制御するための第２発電要求電流値を算出する（ステップＳ６）。なお、この第２発電要求電流値の算出処理の詳細な内容については後述する。
【００２７】
次にコントローラ８では、ステップＳ６にて算出した第２発電要求電流値から、エアコンプレッサ７の回転数を制御するためのコンプレッサ回転数指令値を算出する（ステップＳ７）。このとき、コントローラ８では、第２発電要求電流値に応じたコンプレッサ回転数指令値を求めるためのマップデータを参照して、コンプレッサ回転数指令値を算出する。
【００２８】
そして、コントローラ８では、ステップＳ７にて算出したコンプレッサ回転数指令値にてエアコンプレッサ７を駆動するように制御信号をエアコンプレッサ７に送り、エアコンプレッサ７に内蔵されたコンプレッサモータを駆動することでエアコンプレッサ７から燃料電池スタック１に空気供給をさせる。また、コントローラ８では、燃料電池スタック１に空気供給させると共に、空気圧力と略同圧力にして水素ガスを燃料電池スタック１に供給する調圧指令値を生成し、制御信号を出力することで水素調圧弁３の開度を制御する（ステップＳ８）。
【００２９】
これにより、コントローラ８では、燃料電池スタック１に水素ガス及び空気を供給して、目標駆動トルクを達成するための出力電流を燃料電池スタック１にて発電させて、駆動モータやエアコンプレッサ７等の補機に電流を供給して、駆動モータに駆動トルクを発生させる。
【００３０】
「第２発電要求電流値の算出処理」
つぎに、上述のコンプレッサ駆動量制御処理において、ステップＳ６で第２発電要求電流値を算出するときのコントローラ８での処理について図３のフローチャートを参照して説明する。
【００３１】
先ず、コントローラ８では、ステップＳ５にて算出して図示しないメモリに格納しておいた第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１を読み込み（ステップＳ１１）、更に前回のコンプレッサ駆動量制御処理のステップＳ６にて算出してメモリに格納しておいた第２発電要求電流値の前回値ＴＣＧＥＮ２＿１を読み込む（ステップＳ１２）。
【００３２】
そして、コントローラ８では、読み込んだ第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１と第２発電要求電流値の前回値ＴＣＧＥＮ２＿１との大小比較をして、第２発電要求電流値の前回値ＴＣＧＥＮ２＿１が第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１３）。
【００３３】
第２発電要求電流値の前回値ＴＣＧＥＮ２＿１が第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１よりも小さいと判定した場合には、第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１を第２発電要求電流値の今回値ＴＣＧＥＮ２にして（ステップＳ１４）、ステップＳ７に処理を進める。すなわち、前回処理よりも今回処理にて燃料電池スタック１に要求される出力電流が増加した場合には、エアコンプレッサ７の回転数を増加させるように第２発電要求電流値の今回値ＴＣＧＥＮ２を増加させて、ステップＳ７にてコンプレッサ回転数指令値を増加させる。また、第２発電要求電流値の今回値ＴＣＧＥＮ２を求めた後には、次回処理のために第２発電要求電流値の今回値ＴＣＧＥＮ２を第２発電要求電流値の前回値ＴＣＧＥＮ２＿１としてメモリに記憶させておく。
【００３４】
一方、第２発電要求電流値の前回値ＴＣＧＥＮ２＿１が第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１よりも小さくないと判定した場合には、第２発電要求電流値の前回値ＴＣＧＥＮ２＿１が、エアコンプレッサ７の回転数を変動する許容範囲を規定するオフセット値である発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴと第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１とを加算した値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１５）。
すなわち、コントローラ８では、駆動トルクを達成するために燃料電池スタック１に要求される出力電流が、発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴよりも低下したか否かを判定する。
【００３５】
第２発電要求電流値の前回値ＴＣＧＥＮ２＿１が、第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１に発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを加算した値よりも大きいと判定した場合には、第２発電要求電流値の今回値ＴＣＧＥＮ２を、第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１に発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを加算した値にして、ステップＳ７に処理を進める。すなわち、コントローラ８では、ステップＳ７において、低下した第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１から発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴだけ上昇させた電流分を低下させて、燃料電池スタック１から出力電流を発電させて、エアコンプレッサ７の回転数を低下させるコンプレッサ回転数指令値を算出する。
【００３６】
一方、第２発電要求電流値の前回値ＴＣＧＥＮ２＿１が、第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１にオフセット値である発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを加算した値よりも大きくないと判定した場合には、第２発電要求電流値の今回値ＴＣＧＥＮ２を、第２発電要求電流値の前回値ＴＣＧＥＮ２＿１と同じにして（ステップＳ１７）、ステップＳ７に処理を進める。すなわち、コントローラ８では、今回の燃料電池スタック１に要求される出力電流を変化させずに、エアコンプレッサ７の回転数を変化させずに維持するコンプレッサ回転数指令値を算出する。
【００３７】
このように第２発電要求電流値の今回値ＴＣＧＥＮ２を求めることにより、例えば図４に示すように、エアコンプレッサ７を制御するコンプレッサ回転数指令値（制御値）を変化させる。なお、図４においては、目標駆動トルクを達成するためのエアコンプレッサ７に要求される回転数（要求値）と制御値とを同一の時間軸にて示している。
【００３８】
この図４によれば、第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１が上昇した場合には第２発電要求電流値の今回値ＴＣＧＥＮ２も上昇させることで（ステップＳ１３，１４）、要求値が上昇する場合には制御値も上昇させる。
【００３９】
これに対し、第１発電要求電流値ＴＣＧＥＮ１が低下した場合、低下幅が発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴよりも小さいときには前回の制御値を維持し（ステップＳ１５，１７）、低下幅が発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴよりも大きいときには発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを超えた低下幅だけ制御値を低下させる（ステップＳ１５，１６）。
【００４０】
これにより、燃料電池システムでは、エアコンプレッサ７に要求される回転数を目標駆動トルクに応じて変化させる場合の要求値と比較して、制御値の変化幅を小さくすることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、エアコンプレッサ７の回転数の変動を抑制することができる。
【００４１】
また、上述の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１の要求電流が多い状態からアクセル開度が急速に低下して燃料電池スタック１の要求電流が少なくなった場合には、水素ガス圧力と共に空気圧力を低下させる必要があるが、水素ガス圧力がパージ弁６によるパージ動作をしない限り急速に低下しないことから、水素ガス圧力を下回らないように空気圧力を低下させるように第２発電要求電流値の今回値ＴＣＧＥＮ２を演算する。
【００４２】
このように空気圧力を低下させる場合、図５に示すように、アクセル開度が急激に小さくなった後であって、アイドリング時に燃料電池スタック１の発電準備のための第２発電要求電流値の今回値ＴＣＧＥＮ２としている場合であっても、上述と同様の処理を行うことで、エアコンプレッサ７の回転数変動を抑制する。
【００４３】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、第１発電要求電流値が低下した場合であってもエアコンプレッサ７の回転数を低下させないようなエアコンプレッサ７の不感帯を設けるように第２発電要求電流値を演算するので、第２発電要求電流値の変動が抑えられ、コンプレッサ回転数の変動を抑制することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、エアコンプレッサ７の回転数が変動することによる駆動音が燃料電池車両の乗員まで到達することを抑制すると共に、必要以上にエアコンプレッサ７を駆動することがなく電流の消費を抑えることができる。
【００４４】
また、この燃料電池システムによれば、駆動モータや補機類などが消費する電流より第１発電要求電流を算出して、前回よりも要求電流が大きくなるように第２発電要求電流を決めるので、燃料電池スタック１から実際に必要とされる電流よりも多くの電流を発電させることができ、急激に取り出し電流が急増した場合に対応することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の出力電流を過剰に取り出して、燃料電池スタック１を構成する膜の劣化を抑制することができる。
【００４５】
［他のコンプレッサ回転数制御処理］
つぎに、上述した燃料電池システムにおける他のコンプレッサ回転数制御処理について説明する。なお、上述と同様の部分については同一符号及び同一ステップ番号を付する。
【００４６】
他のコンプレッサ回転数制御処理としては、上述の処理に加えて、発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴの値を、コントローラ８により、第１発電要求電流値又は第２発電要求電流値が小さいほど大きくする。すなわち、第１発電要求電流値又は第２発電要求電流値が小さい場合とは目標駆動トルクが小さいことになり、小さいほど目標駆動トルクから急激に目標駆動トルクが大きくなった場合に必要とされる燃料電池スタック１の出力電流の増加幅が大きくなる。ここで、発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを変動させるタイミングとしては、ステップＳ１３を実行する前に行うことになる。
【００４７】
したがって、コントローラ８では、第１発電要求電流値又は第２発電要求電流値が小さいほど発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを大きくすることで、第２発電要求電流値が低下する場合を少なくしてエアコンプレッサ７の不感帯を大きくして、燃料電池スタック１から取り出し可能な電流を多くしておく。これにより、燃料電池システムでは、燃料電池車両が低速な状態から急加速する場合であっても、駆動モータに大きな電流を供給可能とすることができる。
【００４８】
また、他のコンプレッサ回転数制御処理としては、上述の処理に加えて、エアコンプレッサ７等の補機負荷や駆動モータの消費電力の変動に応じて、発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを変更する。ここで、補機負荷の種類に応じて負荷変動が異なるために消費電流の変動が異なるため、コントローラ８では、補機負荷や駆動モータの運転状態に応じて発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを変動させることで、エアコンプレッサ７の回転数の不感帯の大きさを変動させる。
【００４９】
これにより、燃料電池システムでは、消費電流の変動が少ない場合に発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを大きくすることにより、大きな不感帯を設けて、燃費を悪くすることを防止することができる。
【００５０】
更に他のコンプレッサ回転数制御処理としては、図６に示すように、第２発電要求電流値が小さい領域ではコンプレッサ回転数指令値の変動傾きが大きく、第２発電要求電流値が大きい領域ではコンプレッサ回転数指令値の変動傾きが小さいマップデータを利用してコンプレッサ回転数指令値を求める場合に、第２発電要求電流値が小さい領域になるほど発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを大きくする。すなわち、第２発電要求電流値が小さい領域においては、第２発電要求電流値の変化に対するエアコンプレッサ７の回転数の変動が大きくなり、この場合のエアコンプレッサ７の回転数の変動を抑制する。これにより、エアコンプレッサ７の回転数が変動することによるエアコンプレッサ７の駆動音をより効率的に抑制することができ、エアコンプレッサ７の駆動音に対する乗員の不快感を低減することができる。
【００５１】
更に他のコンプレッサ回転数制御処理としては、車速センサからのセンサ信号を読み込んで現在の車速を認識し、車速に応じて発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを変動させる。すなわち、車速が低いときにはタイヤのロードノイズや、風きり音などが小さいためエアコンプレッサ７の駆動音が目立つために発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを大きくする。これに対し、車速が高いときにはエアコンプレッサ７の駆動音が目立たないので発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを小さくする。これにより、エアコンプレッサ７の駆動音に対する乗員の不快感を低減することができる。
【００５２】
更に他のコンプレッサ回転数制御処理としては、エアコンプレッサ７の回転周波数に応じて、発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを変動させる。すなわち、図７に示すようなフレッチャー＆マンソンの等ラウドネス曲線に示されるように、エアコンプレッサ７の回転周波数が低いほど感度が悪く、エアコンプレッサ７の回転周波数が高いほど感度が良いことを利用する。そして、エアコンプレッサ７の駆動音に対する乗員の感度が高い可聴周波数帯域、すなわち図７においてエアコンプレッサ７の回転周波数が１０００Ｈｚ〜１００００Ｈｚとなる場合に発電電流変動許容値ＯＦＦＳＥＴを大きくすることにより、不感帯を大きくすることで、エアコンプレッサ７の駆動音に対する乗員の不快感を低減することができる。
【００５３】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムによるコンプレッサ回転数制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】第２発電要求電流値の算出処理を示すフローチャートである。
【図４】エアコンプレッサに要求される回転数の要求値に対する制御値について説明するための図である。
【図５】目標駆動トルクが急激に減少した場合のエアコンプレッサの回転数の要求値と制御値との関係を示す図である。
【図６】第２発電要求電流値とコンプレッサ回転数指令値との関係を示す図である。
【図７】エアコンプレッサの回転周波数に対する駆動音の関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 水素貯蔵タンク
３ 水素調圧弁
４ 循環流路
５ エゼクタポンプ
６ パージ弁
７ エアコンプレッサ
８ コントローラ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a fuel cell system that controls the number of revolutions of a compressor when supplying an oxidizing gas together with a fuel gas to a fuel cell stack, for example, when driving a drive motor for running a vehicle.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, for example, a fuel cell system using a fuel cell stack has been known as a power source for generating a driving force of a vehicle. The fuel cell stack in this fuel cell system outputs large electric energy when the consumption of the reaction gas of the fuel gas and the oxidizing gas is large, and outputs small electric energy when the consumption of the reaction gas is small. Output.
[0003]
For this reason, in the fuel cell system, when the load of the drive motor and various accessories increases and the power generation request current of the fuel cell stack increases, the amount of gas supplied to the fuel cell stack is increased to increase the reaction gas. Make up for consumption. That is, in the conventional fuel cell system, the amount of gas supply to the fuel cell stack is feedback-controlled based on the power generation request current to the fuel cell stack.
[0004]
At this time, in order to adjust the supply amount of the oxidizing gas (air) to be supplied to the fuel cell stack, it is general to control the driving amount of the compressor. As the rotational speed of the compressor increases, the supply amount of the oxidizing gas increases. The amount is increasing.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-4-51466 [0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described fuel cell system, the fluctuation (sensitivity) of the air flow required for the change of the required power generation current usually differs depending on the operation region. The air flow required for the change may greatly change. That is, even if the accelerator operation amount of the fuel cell vehicle is kept substantially constant, the rotation speed of the compressor may fluctuate greatly, which may give a driver a sense of incongruity.
[0007]
On the other hand, in order to suppress the fluctuation of the compressor rotation speed, there is a technique that performs a filtering process on the power generation request current value and does not change the compressor rotation speed in response to a minute change in the power generation request current value. However, in such a technique, if the filter processing is performed in a case where the power generation request current value sharply increases by performing an operation requested by the driver, for example, depressing an accelerator, the driver can take out the fuel cell stack. The drive motor or the like tries to extract a current larger than the current, and the membrane in the fuel cell stack may be deteriorated.
[0008]
In view of the above, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and suppresses fluctuations in the number of revolutions of a compressor that supplies an oxidizing gas to a fuel cell stack, and reliably supplies a necessary current to a drive motor. It is intended to provide a control device for a fuel cell system that can perform the control.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, when generating a drive torque in a drive motor that drives a vehicle equipped with a fuel cell stack that is supplied with a fuel gas and an oxidant gas to generate power, first, a target drive torque calculation unit uses, for example, a driver's operation. Then, the target drive torque of the drive motor is calculated according to the accelerator opening. Then, in order to generate the target drive torque in the drive motor, the power generation request current calculation means calculates the current consumption of the compressor supplying the oxidizing gas to the fuel cell stack and the power consumption of the drive motor, and controls the compressor rotation speed control means. Controls the compressor speed.
[0010]
At this time, the compressor rotation speed control means changes the rotation speed of the compressor when the power generation request current value calculated by the power generation request current calculation means is smaller than the current value requested for power generation to the fuel cell stack in the previous processing. Is calculated by adding the fluctuation allowable value defining the permissible range and the power generation request current value calculated by the power generation request current calculation means, and controls whether the rotation speed of the compressor is reduced or maintained. The compressor rotation speed control means reduces the number of rotations of the compressor if the current value requested to be generated by the fuel cell stack in the previous process is larger than the current value requested by the fuel cell stack in the previous process. Is smaller, the rotation speed of the compressor is maintained.
[0011]
As described above, the compressor rotation speed control means controls the compressor rotation speed to suppress fluctuations in the compressor rotation speed.
[0012]
【The invention's effect】
According to the control device for the fuel cell system of the present invention, the control of the compressor rotation speed is controlled to suppress the rotation speed fluctuation of the compressor. Can be suppressed. Further, according to the control device of the fuel cell system, even when the driving torque required for the driving motor is reduced, the fuel cell stack can generate power while maintaining the rotation speed of the compressor. Even when the torque increases, necessary electric power can be reliably taken out of the fuel cell stack and supplied to the drive motor.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
The present invention is applied to, for example, a fuel cell system configured as shown in FIG.
[0015]
[Configuration of fuel cell system]
This fuel cell system is mounted on a fuel cell vehicle, for example, and supplies power to a driving motor mounted as a load, an auxiliary machine for generating power to the fuel cell stack 1, and the like, thereby generating a driving torque for running the vehicle. .
[0016]
This fuel cell system includes a fuel cell stack 1 which is a main power supply of the fuel cell system and generates power by being supplied with a fuel gas and an oxidizing gas.
The fuel cell stack 1 has a structure in which a fuel cell structure having an air electrode and a hydrogen electrode opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween is sandwiched between separators, and a plurality of cell structures are stacked. In the fuel cell system of the present embodiment, for example, hydrogen gas is supplied to the fuel electrode as a fuel gas for causing the fuel cell stack 1 to generate a power generation reaction, and air containing oxygen, for example, as an oxidant gas is supplied to the oxidant electrode. Supply.
[0017]
Hydrogen gas is accumulated in the hydrogen storage tank 2, pressure-adjusted by the hydrogen pressure regulating valve 3, and supplied to the fuel cell stack 1. The hydrogen gas is used for the power generation reaction of the fuel cell stack 1, and the surplus is discharged from the fuel cell stack 1.
[0018]
The discharged hydrogen gas is sent to the ejector pump 5 via the circulation flow path 4, combined with the hydrogen gas from the hydrogen storage tank 2, and sent to the fuel cell stack 1 again.
The hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 1 is discharged from a purge valve 6 provided on the hydrogen discharge side of the fuel cell stack 1 as needed.
[0019]
The air is supplied to the fuel cell stack 1 by being pressure-fed from the air compressor 7. The air compressor 7 has a built-in compressor motor for taking in outside air, and a driving amount is controlled by a controller 8. The air is used for the power generation reaction of the fuel cell stack 1 together with the hydrogen gas, and the surplus is discharged from the fuel cell stack 1.
[0020]
The fuel cell system includes a controller 8 that controls operations of the above-described units to control a power generation reaction of the fuel cell stack 1. The controller 8 detects a hydrogen gas flow rate and a hydrogen gas pressure, an air flow rate and an air pressure by reading a sensor signal from a sensor group (not shown). The controller 8 controls the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 3 to control the hydrogen gas flow rate and the hydrogen gas pressure in response to the power generation request of the fuel cell stack 1 from the outside, and controls the driving amount of the air compressor 7. Control to control air flow and air pressure.
[0021]
The controller 8 controls the amount of drive of the air compressor 7 so as to eliminate the auditory discomfort caused by driving the air compressor motor to the occupant of the fuel cell vehicle when controlling the power generation reaction of the fuel cell stack 1. Is executed.
[0022]
[Compressor drive amount control processing]
Next, a description will be given of a processing procedure of a compressor driving amount control process executed by the controller 8 while the fuel cell vehicle is running in the above-described fuel cell system, with reference to a flowchart of FIG. When the fuel cell vehicle is running, the controller 8 repeats the processing from step S1 onward every predetermined period of, for example, 10 msec.
[0023]
First, the controller 8 recognizes the current accelerator opening by reading a sensor signal from an accelerator opening sensor (not shown) (step S1) and, based on the recognized accelerator opening, determines the driving motor mounted on the fuel cell vehicle. A target drive torque (target drive torque) is calculated (step S2). At this time, the controller 8 may read the sensor signal from the vehicle speed sensor as well as the accelerator opening and calculate the target driving torque according to the accelerator opening and the vehicle speed.
[0024]
Next, the controller 8 calculates the current consumed by the drive motor (drive motor current consumption) when the target drive torque calculated in step S2 is generated by the drive motor (step S3), and calculates the drive motor current consumption. The current consumption of the auxiliary equipment (auxiliary equipment current consumption) for generating the electric power required for generation in the fuel cell stack 1 is calculated (step S4). Here, the drive motor current consumption is calculated with reference to map data storing an estimated value corresponding to a target drive torque prepared in advance. The auxiliary device current consumption is calculated with reference to map data storing an estimated value corresponding to the drive motor current consumption prepared in advance.
[0025]
Then, the controller 8 adds the drive motor consumption current calculated in step S3 and the auxiliary device consumption current calculated in step S4, and outputs an output current value required of the fuel cell stack 1 to achieve the drive torque. (First power generation request current value) is calculated (step S5).
[0026]
Next, the controller 8 calculates a second power generation request current value for controlling the rotation speed of the air compressor 7 from the first power generation request current value calculated in step S5 (step S6). The details of the process of calculating the second power generation request current value will be described later.
[0027]
Next, the controller 8 calculates a compressor rotation speed command value for controlling the rotation speed of the air compressor 7 from the second power generation request current value calculated in step S6 (step S7). At this time, the controller 8 calculates the compressor rotation speed command value with reference to the map data for obtaining the compressor rotation speed command value according to the second power generation request current value.
[0028]
Then, the controller 8 sends a control signal to the air compressor 7 to drive the air compressor 7 with the compressor rotation speed command value calculated in step S7, and drives the compressor motor built in the air compressor 7 by driving the compressor motor. Air is supplied from the air compressor 7 to the fuel cell stack 1. Also, the controller 8 supplies air to the fuel cell stack 1, generates a pressure regulation command value for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack 1 at substantially the same pressure as the air pressure, and outputs a control signal to output hydrogen. The opening of the pressure regulating valve 3 is controlled (step S8).
[0029]
As a result, the controller 8 supplies hydrogen gas and air to the fuel cell stack 1 and causes the fuel cell stack 1 to generate an output current for achieving the target driving torque, thereby causing the driving motor and the air compressor 7 to operate. A current is supplied to the auxiliary machine to generate a drive torque in the drive motor.
[0030]
"Calculation process of second required power generation value"
Next, in the above-described compressor drive amount control processing, the processing by the controller 8 when calculating the second power generation request current value in step S6 will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0031]
First, the controller 8 reads the first power generation request current value TCGEN1 calculated in step S5 and stored in a memory (not shown) (step S11), and further calculates in step S6 of the previous compressor drive amount control process. Then, the previous value TCGEN2_1 of the second power generation request current value stored in the memory is read (step S12).
[0032]
Then, the controller 8 compares the read first power generation request current value TCGEN1 with the previous value TCGEN2_1 of the second power generation request current value, and determines the previous value TCGEN2_1 of the second power generation request current value as the first power generation request current. It is determined whether the value is smaller than the value TCGEN1 (step S13).
[0033]
When it is determined that the previous value TCGEN2_1 of the second power generation request current value is smaller than the first power generation request current value TCGEN1, the first power generation request current value TCGEN1 is set to the current value TCGEN2 of the second power generation request current value (step S14), the process proceeds to step S7. That is, when the output current required for the fuel cell stack 1 is increased in the current process from the previous process, the current value TCGEN2 of the second power generation request current value is increased so as to increase the rotation speed of the air compressor 7. Then, the compressor rotation speed command value is increased in step S7. After obtaining the current value TCGEN2 of the second power generation request current value, the current value TCGEN2 of the second power generation request current value is stored in the memory as the previous value TCGEN2_1 of the second power generation request current value for the next process. deep.
[0034]
On the other hand, when it is determined that the previous value TCGEN2_1 of the second power generation request current value is not smaller than the first power generation request current value TCGEN1, the previous value TCGEN2_1 of the second power generation request current value determines the rotation speed of the air compressor 7. It is determined whether or not the value is greater than a value obtained by adding the generation current fluctuation allowable value OFFSET, which is an offset value that defines the fluctuation allowable range, and the first generation request current value TCGEN1 (step S15).
That is, the controller 8 determines whether or not the output current required for the fuel cell stack 1 to achieve the driving torque has fallen below the generation current fluctuation allowable value OFFSET.
[0035]
If it is determined that the previous value TCGEN2_1 of the second power generation request current value is larger than the value obtained by adding the generation current fluctuation allowable value OFFSET to the first power generation request current value TCGEN1, the current value TCGEN2 of the second power generation request current value To the first power generation request current value TCGEN1 plus the power generation current variation allowable value OFFSET, and the process proceeds to step S7. That is, in step S7, the controller 8 lowers the amount of current that has been increased by the generated current variation allowable value OFFSET from the reduced first power generation request current value TCGEN1 and causes the fuel cell stack 1 to generate an output current. A compressor rotation speed command value for reducing the rotation speed of the compressor 7 is calculated.
[0036]
On the other hand, when it is determined that the previous value TCGEN2_1 of the second power generation request current value is not larger than a value obtained by adding the power generation current fluctuation allowable value OFFSET which is an offset value to the first power generation request current value TCGEN1, The current value TCGEN2 of the required current value is set to be the same as the previous value TCGEN2_1 of the second power generation required current value (step S17), and the process proceeds to step S7. That is, the controller 8 calculates a compressor rotation speed command value that maintains the output current required of the fuel cell stack 1 this time and does not change the rotation speed of the air compressor 7.
[0037]
By obtaining the current value TCGEN2 of the second power generation request current value in this way, for example, as shown in FIG. 4, the compressor rotation speed command value (control value) for controlling the air compressor 7 is changed. In FIG. 4, the number of rotations (required value) and the control value required of the air compressor 7 for achieving the target drive torque are shown on the same time axis.
[0038]
According to FIG. 4, when the first power generation request current value TCGEN1 rises, the current value TCGEN2 of the second power generation request current value is also raised (steps S13 and S14). The control value is also increased.
[0039]
On the other hand, if the first power generation request current value TCGEN1 decreases, and if the decrease width is smaller than the generation current variation allowable value OFFSET, the previous control value is maintained (steps S15 and S17), and the decrease width becomes the generation current variation allowable value. If the value is larger than the value OFFSET, the control value is reduced by the amount of decrease exceeding the generated current fluctuation allowable value OFFSET (steps S15 and S16).
[0040]
Thereby, in the fuel cell system, the change width of the control value can be reduced as compared with the required value when the rotation speed required for the air compressor 7 is changed according to the target drive torque. Therefore, according to this fuel cell system, it is possible to suppress the fluctuation of the rotation speed of the air compressor 7.
[0041]
In the above-described fuel cell system, when the required opening current of the fuel cell stack 1 is large and the accelerator opening is rapidly reduced to reduce the required current of the fuel cell stack 1, the air pressure and the hydrogen gas pressure are reduced. However, since the hydrogen gas pressure does not decrease rapidly unless the purge operation by the purge valve 6 is performed, the second power generation request current value is reduced so that the air pressure does not decrease below the hydrogen gas pressure. This time, the value TCGEN2 is calculated.
[0042]
When the air pressure is reduced in this way, as shown in FIG. 5, after the accelerator opening sharply decreases, the second power generation request current value of the fuel cell stack 1 in preparation for power generation during idling is reduced. Even when the current value is TCGEN2, fluctuations in the rotation speed of the air compressor 7 are suppressed by performing the same processing as described above.
[0043]
[Effects of Embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system to which the present invention is applied, the dead zone of the air compressor 7 that does not decrease the rotation speed of the air compressor 7 even when the first power generation request current value decreases. Since the second power generation request current value is calculated so as to provide, the fluctuation of the second power generation request current value can be suppressed, and the fluctuation of the compressor rotation speed can be suppressed. Therefore, according to this fuel cell system, it is possible to suppress the drive noise caused by the fluctuation of the rotation speed of the air compressor 7 from reaching the occupant of the fuel cell vehicle, and not to drive the air compressor 7 more than necessary. Current consumption can be suppressed.
[0044]
In addition, according to this fuel cell system, the first power generation request current is calculated from the current consumed by the drive motor, the auxiliary equipment, and the like, and the second power generation request current is determined so that the required current becomes larger than the previous time. Thus, a larger current than the actually required current can be generated from the fuel cell stack 1, and it is possible to cope with a case where the taken-out current increases rapidly. Therefore, according to this fuel cell system, the output current of the fuel cell stack 1 can be excessively taken out, and the deterioration of the membrane constituting the fuel cell stack 1 can be suppressed.
[0045]
[Other compressor speed control processing]
Next, another compressor rotation speed control process in the above-described fuel cell system will be described. The same parts as those described above are denoted by the same reference numerals and the same step numbers.
[0046]
As another compressor rotation speed control process, in addition to the above-described process, the controller 8 increases the value of the generation current variation allowable value OFFSET as the first generation request current value or the second generation request current value decreases. That is, the case where the first power generation request current value or the second power generation request current value is small means that the target drive torque is small, and the smaller the target drive torque is, the more rapidly the target drive torque is required from the target drive torque. The increase in the output current of the fuel cell stack 1 increases. Here, the timing at which the generated current fluctuation allowable value OFFSET is changed is performed before executing step S13.
[0047]
Therefore, the controller 8 increases the generation current variation allowable value OFFSET as the first generation request current value or the second generation request current value decreases, thereby reducing the case where the second generation request current value decreases and reducing the air compressor. The dead zone 7 is increased to increase the current that can be taken out of the fuel cell stack 1. Thus, in the fuel cell system, a large current can be supplied to the drive motor even when the fuel cell vehicle rapidly accelerates from a low speed state.
[0048]
Further, as another compressor rotational speed control process, in addition to the above-described process, the generated current fluctuation allowable value OFFSET is changed according to the fluctuation of the auxiliary equipment load such as the air compressor 7 and the power consumption of the drive motor. Here, since the fluctuation of the current consumption is different because the load fluctuation is different depending on the type of the auxiliary equipment load, the controller 8 changes the generated current fluctuation allowable value OFFSET in accordance with the auxiliary equipment load and the operation state of the drive motor. Thus, the size of the dead zone of the rotation speed of the air compressor 7 is changed.
[0049]
Accordingly, in the fuel cell system, when the fluctuation of the consumed current is small, the generated current fluctuation allowable value OFFSET is increased, thereby providing a large dead zone and preventing the fuel consumption from being deteriorated.
[0050]
As another compressor rotation speed control process, as shown in FIG. 6, the fluctuation gradient of the compressor rotation speed command value is large in the region where the second power generation request current value is small, and the compressor gradient is in the region where the second power generation request current value is large. When a compressor rotation speed command value is obtained using map data having a small rotation gradient of the rotation speed command value, the generation current fluctuation allowable value OFFSET is increased as the second power generation request current value becomes smaller. That is, in a region where the second power generation request current value is small, the fluctuation of the rotation speed of the air compressor 7 with respect to the change of the second power generation request current value becomes large, and the fluctuation of the rotation speed of the air compressor 7 in this case is suppressed. This makes it possible to more efficiently suppress the driving sound of the air compressor 7 due to the fluctuation of the rotation speed of the air compressor 7, and reduce the occupant's discomfort due to the driving sound of the air compressor 7.
[0051]
In still another compressor rotation speed control process, a sensor signal from a vehicle speed sensor is read to recognize the current vehicle speed, and the generated current fluctuation allowable value OFFSET is changed according to the vehicle speed. That is, when the vehicle speed is low, the driving noise of the air compressor 7 is conspicuous because the road noise of the tire and the wind noise are small, so that the generated current fluctuation allowable value OFFSET is increased. On the other hand, when the vehicle speed is high, the driving noise of the air compressor 7 is inconspicuous, so that the generated current fluctuation allowable value OFFSET is reduced. Thereby, the occupant's discomfort due to the driving sound of the air compressor 7 can be reduced.
[0052]
As still another compressor rotational speed control process, the generated current variation allowable value OFFSET is varied according to the rotational frequency of the air compressor 7. That is, as shown in the Fletcher & Manson equal loudness curve as shown in FIG. 7, the lower the rotation frequency of the air compressor 7 is, the lower the sensitivity is, and the higher the rotation frequency of the air compressor 7 is, the higher the sensitivity is. . Then, when the occupant's sensitivity to the driving sound of the air compressor 7 is high, that is, when the rotation frequency of the air compressor 7 is 1000 Hz to 10000 Hz in FIG. By increasing the size, it is possible to reduce the occupant's discomfort due to the driving sound of the air compressor 7.
[0053]
Note that the above embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other than the present embodiment, various modifications may be made according to the design and the like within a range not departing from the technical idea according to the present invention. Can be changed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of a compressor speed control process by the fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a process of calculating a second power generation request current value.
FIG. 4 is a diagram for explaining a control value for a required value of a rotation speed required for an air compressor.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a required value of a rotation speed of an air compressor and a control value when a target driving torque is rapidly reduced.
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a second power generation request current value and a compressor rotation speed command value.
FIG. 7 is a diagram for explaining a relationship between a driving frequency and a rotation frequency of an air compressor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Hydrogen storage tank 3 Hydrogen pressure regulating valve 4 Circulation flow path 5 Ejector pump 6 Purge valve 7 Air compressor 8 Controller
