JP6015736B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池を搭載した燃料電池自動車(FCV : Fuel Cell Vehicle)が注目されている。FCVに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。
燃料電池に関し、例えば特許文献1には、ガス流量計で検知される燃料ガスの検知流量が目標ガス流量となるように、ガス搬送源の電気入力量に関する物理量を正常値に対して接近または同一となるようにフィードバック制御する点が記載されている。
燃料電池に供給される酸化ガスの流量は、要求に応じた目標値に収束するように、例えば電子制御ユニット(ECU: Electronic Control Unit)によりフィードバック制御されるため、目標値の近傍で周期的に変動する。ここで、燃料電池から引き出し可能な電流の許容値、つまり上限値は、燃料電池に供給される酸化ガスの流量に応じて決定されるため、負荷が高い場合には、燃料電池からモータに出力される電流が変動し、これに伴って車両の駆動トルクも変動するという問題がある。
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、車両の駆動トルクの変動を低減する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
本明細書に記載の燃料電池システムは、車両を駆動するモータに電流を出力する燃料電池と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する供給部と、前記供給部からの前記酸化ガスの流量を計測する流量計測部と、前記流量計測部の流量計測値が流量目標値に収束するように前記供給部をフィードバック制御する処理を行う制御部とを備え、前記制御部は、前記流量計測値に応じて許容電流値を決定し、前記燃料電池が出力する前記電流を、前記許容電流値以下に制限し、前記燃料電池に対する要求電流値に従って制御する処理を行い、さらに、前記要求電流値の所定時間内における変動幅が第1の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が第2の所定値以下である状態が、一定期間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行う。
上記の構成において前記制御部は、前記許容電流値に対し、前記緩変化処理を開始する時点での前記許容電流値を初期値として前記緩変化処理を行ってもよい。
上記の構成において、前記制御部は、前記要求電流値の前記所定時間内における変動幅が前記第1の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が前記第2の所定値以下であり、さらに、前記流量計測値が第3の所定値より大きく、前記要求電流値が第4の所定値以上である状態が、一定期間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行ってもよい。
上記の構成において、前記制御部は、前記緩変化処理を行う際に、前記燃料電池が出力する前記電流を、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値が、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に一定値を加えて得た値以下である場合、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値以下に制限し、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値が、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に前記一定値を加えて得た値より大きい場合、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に前記一定値を加えて得た値以下に制限してもよい。
本明細書に記載の燃料電池システムの制御方法は、供給部から燃料電池に酸化ガスを供給するステップと、流量計測部により前記供給部からの前記酸化ガスの流量を計測するステップと、車両を駆動するモータに前記燃料電池から電流を出力するステップと、前記流量計測部により計測された流量計測値が流量目標値に収束するように前記供給部をフィードバック制御するステップと、前記流量計測値に応じて許容電流値を決定するステップと、前記燃料電池が出力する前記電流を、前記許容電流値以下に制限し、前記燃料電池に対する要求電流値に従って制御するステップと、前記要求電流値の所定時間内における変動幅が第1の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が第2の所定値以下である状態が、一定時間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行うステップとが実行される。
本発明によれば、車両のトルク変動を低減できる。
図1は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システム1は、燃料電池自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータMに電力を供給する。燃料電池システム1は、ECU10と、燃料電池11と、エアコンプレッサ12と、フローメータ13と、レギュレータ14と、水素タンク15と、DC−DCコンバータ16と、DC−ACインバータ17と、バッテリ18とを備える。
ECU10は、制御部の一例であり、燃料電池システム1の動作を制御する。ECU10は、例えばCPU(Central Processing Unit)などのプロセッサを有し、ROM(Read Only Memory)などの記憶手段から読み出したプログラムに従って動作する。もっとも、ECU10は、これに限定されず、ハードウェアのみで動作してもよい。
ECU10は、センサ部2からの入力信号に基づいて、エアコンプレッサ12、DC−DCコンバータ16、DC−ACインバータ17、及びレギュレータ14に制御信号S1,S3,S4,S5をそれぞれ送信する。センサ部2は、複数のセンサを含む。このようなセンサとしては、例えば、車両のアクセルの開度(踏み込みの度合い)を検出するアクセルポジションセンサが挙げられる。
水素タンク15、レギュレータ14、及び燃料電池11は、配管により、この順に接続されている。水素タンク15は、燃料である水素(H2)の供給装置の一例である。水素は、水素タンク15からレギュレータ14を経由して燃料電池11に供給される。レギュレータ14は、例えば調圧弁であり、ECU10からの制御信号S5に基づいて弁の開度を調整することで、水素の供給量を制御する。
エアコンプレッサ12、フローメータ13、及び燃料電池11は、配管により、この順に接続されている。エアコンプレッサ12は、供給部の一例であり、酸素(O2)を含む酸化ガスを燃料電池11に供給する。エアコンプレッサ12は、例えば車両の外部から空気を取り込み、フローメータ13を介して燃料電池11に圧送する。なお、本実施例では、酸化ガスの一例として空気を挙げるが、これに限定されない。
フローメータ13は、流量計測部の一例であり、エアコンプレッサ12からの空気の流量を計測する。フローメータ13は、空気の流量の計測値を示す通知信号S2をECU10に出力する。ECU10は、フローメータ13の計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ12をフィードバック制御する。なお、計測値は流量計測値の一例であり、目標値は流量目標値の一例である。
燃料電池11は、電気的に直列接続され複数の燃料電池セルの積層体(スタック)として構成される。燃料電池11は、燃料の水素が供給されるアノード(燃料極)11aと、空気が供給されるカソード(空気極)11bとを備える。燃料電池11は、水素と酸素(空気)を化学反応させることにより発電する。これにより、燃料電池11は、車両を駆動するモータMに電流を出力する。
DC−DCコンバータ16は、例えば昇降圧チョッパ回路を含み、ECU10からの制御信号S3に基づいて燃料電池11の出力電圧及び出力電流を変換する。DC−DCコンバータ16は、昇降圧チョッパ回路内に設けられたFET(Field Effect Transistor)などの複数のスイッチング素子を、制御信号S3に基づいてオンオフ制御する。このため、燃料電池11の出力電圧及び出力電流は、制御信号S3のデューティー比に応じて変換される。DC−DCコンバータ16の出力電流は、DC−ACインバータ17に入力される。
バッテリ18は、余剰電力の貯蔵手段、回生制動時の回生エネルギの貯蔵手段、及び車両の加減速に伴う負荷変動時のエネルギバッファとして機能する。バッテリ18としては、例えばリチウム二次電池が挙げられる。バッテリ18の出力電流は、DC−ACインバータ17に入力される。
DC−ACインバータ17は、DC−DCコンバータ16及びバッテリ18の出力電流を直流から三相交流に変換する。DC−ACインバータ17は、例えばPWM(Pulse Width Modulation)制御方式に基づき、ECU10からの制御信号S4によりスイッチング素子がオンオフ制御されることで電流を変換する。DC−ACインバータ17の出力電流は、車両を駆動するモータMに出力される。
本例の燃料電池システムにおいて、ECU10は、センサ部2からの入力に基づいて、エアコンプレッサ12の空気の供給量の目標値を算出し、フローメータ13の計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ12をフィードバック制御する。このため、フローメータ13の計測値は、目標値の近傍で変動する。
図2は、空気流量の目標値に対する計測値の変動の一例を示すグラフである。図2において、横軸は時刻を示し、縦軸は空気の流量を示す。また、グラフ内の実線はフローメータ13の計測値を示し、点線は目標値を示す。
目標値は、例えば車両のアクセルが踏み込まれることにより上昇する。計測値は、ECU10のフィードバック制御のため、常時、目標値に収束するように目標値の近傍を周期的に変動する。より具体的には、ECU10は、計測値が目標値を下回る場合、エアコンプレッサ12の出力を増加させ、計測値が目標値を上回る場合、エアコンプレッサ12の出力を低下させる。このため、計測値は、目標値の変化に追従しつつ、目標値を追い抜いた後、目標値以下になることを繰り返す。
また、ECU10は、センサ部2からの入力に基づいて、燃料電池11の指令電流値Irefを算出する。指令電流値Irefは、燃料電池11に対して要求される要求電流値の一例である。ECU10は、指令電流値Irefに基づいてDC−DCコンバータ16の制御信号S3を生成する。
このとき、ECU10は、燃料電池11に供給される空気の流量に応じて燃料電池11の出力電流の許容値Ialwを決定し、燃料電池11の出力電流を許容値Ialw以下に制限する。つまり、許容値Ialwは、フローメータ13の計測値に応じて決定され、燃料電池11から引き出し可能な電流の上限値である。このため、ECU10は、指令電流値Irefを許容値Ialw以下に制限する。なお、許容値Ialwは、許容電流値の一例である。
図3は、空気流量に対する電流の許容値Ialwの一例を示すグラフである。許容値Ialwは、一例として、空気の供給量に比例するように決定される。より具体的には、ECU10は、フローメータ13の計測値に所定の比例係数を乗じて得た値を許容値Ialwとして決定する。
このように、ECU10は、計測値に応じて許容値Ialwを決定し、燃料電池11が出力する電流を、許容値Ialw以下に制限し、指令電流値Irefに従って制御する。これにより、燃料電池11の出力電圧が、空気供給量の不足のために低下することが防止されるとともに、燃料電池11から指令電流値Irefに応じた電流が引き出され、DC−DCコンバータ16に入力される。
しかし、フローメータ13の計測値は、上述したように、ECU10のフィードバック制御により変動するため、許容値Ialwも同様に変動する。このため、ECU10が、仮に許容値Ialwをそのまま電流制御に用いた場合、以下に述べるように、燃料電池11の出力電流が変動することがある。
図4(a)及び図4(b)は、出力電流が変動しない場合及び出力電流が変動する場合の指令電流値Iref及び許容値Ialwの関係の一例を示すグラフである。図4(a)及び図4(b)において、横軸は時刻を示し、縦軸は電流値を示す。また、実線は指令電流値Iref(出力電流値)を示し、点線は許容値Ialwを示す。
図4(a)に示されるように、指令電流値Iref及び許容値Ialwの差分Dが十分に大きいとき、燃料電池11の出力電流は、許容値Ialwに影響されないため、変動しない。
一方、図4(b)に示されるように、指令電流値Iref及び許容値Ialwの差分Dが微差であるとき、指令電流値Irefが許容値Ialwの制限を受けることで、燃料電池11の出力電流は変動する。このため、高い指令電流値Irefが与えられる高負荷の状態(例えばアクセル全開で車両が加速される場合)では、燃料電池11からモータMに出力される電流が変動し、これに伴って車両の駆動トルクも変動するという問題がある。
そこで、ECU10は、駆動トルクの変動が発生し得る状態を検知したとき、許容値Ialwの変動幅を縮小する緩変化処理を行う。
図5は、許容値Ialwの緩変化処理の一例を示すグラフである。図5において、横軸は時刻を示し、縦軸は電流値を示す。また、実線は緩変化処理前の許容値Ialwを示し、点線は緩変化処理後の許容値Ialw_fltを示す。
ECU10は、時刻Tonにおいて、後述する緩変化処理の条件が満たされたことを検知し、許容値Ialwの緩変化処理を開始する。緩変化処理後の許容値Ialw_fltは、緩変化処理前の許容値Ialwと比較すると、振幅が小さく、変動幅が縮小されている。緩変化処理の手段としては、例えばn次フィルタ(n:正の整数)やレート処理が挙げられる。
ECU10は、n次フィルタを用いる場合、緩変化処理の前後で許容値Ialw,Ialw_fltの連続性が維持されるように、許容値Ialwに対し、許容値Ialwの現在値を初期値として緩変化処理を行うことが望ましい。つまり、ECU10は、開始時刻Tonにおける許容値Ialwの値Ioを取得し(符号Po参照)、値Ioを初期値としてフィルタ処理を開始する。なお、値Ioは、緩変化処理を開始する時点での許容値Ialwの一例である。
これにより、緩変化処理の前後で許容値Ialw,Ialw_fltの連続性が維持される。これに対し、仮に、緩変化処理の条件が満たされる時刻Ton以前から緩変化処理を定常的に行った場合、符号Pxで示されるように、時刻Tonにおける緩変化処理後の許容値Ialw_fltの値が、緩変化処理前の許容値Ialwの値(符号Po参照)から大きく離れてしまう場合がある。この場合、時刻Tonの前後で許容値Ialw_flt,Ialwが大きく変化するため、モータMの駆動トルクに悪影響を与え得る。
このように、ECU10は、許容値Ialwの変動幅を縮小する緩変化処理を行うことにより、燃料電池11の出力電流の変動を低減し、これにより、車両の駆動トルクの変動が低減される。しかし、許容値Ialwの緩変化処理を無条件に行うと、車両の挙動にかえって悪影響を与える場合があるため、本例の燃料電池システム1では、後述する条件が満たされた場合にだけ、許容値Ialwの緩変化処理が行われる。以下に、燃料電池システム1の動作を、より具体的に述べる。
図6は、燃料電池システム1の動作の一例を示すフローチャートである。ECU10は、センサ部2からの入力に基づき、エアコンプレッサ12の空気の供給量の目標値と、指令電流値Irefとを算出する(ステップSt1)。ECU10は、例えば、予めメモリなどの記憶手段に、センサ部2からの各種の入力パラメータに対応する空気の供給量の目標値及び指令電流値Irefをテーブルとして記憶しておき、テーブルを参照することで空気の供給量の目標値及び指令電流値Irefを取得してもよい。
次に、フローメータ13は、エアコンプレッサ12からの空気の流量Mfを計測する(ステップSt2)。空気の流量Mf(計測値)は、通知信号S2によりECU10に通知される。
なお、ステップSt3の処理とステップSt4〜St8の一連の処理は、並行して行われる。まず、ステップSt3の処理を説明し、次に、ステップSt4〜St8の一連の処理を説明する。
ECU10は、空気の流量Mfに基づきエアコンプレッサ12を制御する(ステップSt3)。すなわち、ECU10は、フローメータ13により計測された計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ12をフィードバック制御する。
より具体的には、ECU10は、例えば、目標値と計測値の差分に応じた数値を制御信号S1に含めてエアコンプレッサ12に通知する。これにより、目標値に従って、エアコンプレッサ12から燃料電池11に空気が供給される。
また、ECU10は、空気の流量Mfに応じて燃料電池11の出力電流の許容値Ialwを決定する(ステップSt4)。上述したように、ECU10は、例えば図3に示されるような関係に基づいて、許容値Ialwを決定する。
次に、ECU10は、緩変化処理の実行フラグFlgが‘1’であるか否かを判定する(ステップSt5)。後述するように、ECU10は、別途、実行フラグFlgの制御処理を周期的に行う。
ECU10は、実行フラグFlg=‘1’の場合(ステップSt5のYes)、許容値Ialwの変動幅を縮小する緩変化処理を行う(ステップSt6)。一方、実行フラグFlg=‘0’の場合(ステップSt5のNo)、ECU10は、緩変化処理を行わない。
次に、ECU10は、指令電流値Iref及び許容値Ialw(Ialw_flt)に基づいて制御信号S3を生成する(ステップSt7)。より具体的には、ECU10は、指令電流値Irefに応じたデューティー比の制御信号S3を生成する。このとき、ECU10は、指令電流値Irefが許容値Ialw(Ialw_flt)を上回る場合、指令電流値Irefを許容値Ialw(Ialw_flt)と同じ値にした上で制御信号S3を生成する。
次に、ECU10は、制御信号S3をDC−DCコンバータ16に出力する(ステップSt8)。すなわち、ECU10は、燃料電池11から出力される電流を、フローメータ13の計測値に応じた許容値Ialw以下に制限し、燃料電池11に対する指令電流値Irefに従って制御する。
次に、燃料電池11からモータMに電流が出力される(ステップSt9)。このようにして、燃料電池システム1は動作する。
図7は、緩変化処理の実行フラグFlgの制御処理の一例を示すフローチャートである。本処理において、ECU10は、後述する複数の条件が満たされた状態が、一定期間継続することを、タイマにより検出する。なお、本処理は、例えば周期的に実行され、実行されるたびに実行フラグFlgが更新される。
ECU10は、実行フラグFlgを‘0’に初期化する(ステップSt21)。次に、ECU10は、タイマ値を0に初期化する(ステップSt22)。次に、ECU10は、以下の式(1)〜(4)で示される条件が満たされているか否かを判定する(ステップSt23)。以下に条件判定の内容について述べる。
Mf≧Mref ・・・(1)
Iref≧th ・・・(2)
ΔIref≦W ・・・(3)
Ialw−Iref≦Dref ・・・(4)
Iref≧th ・・・(2)
ΔIref≦W ・・・(3)
Ialw−Iref≦Dref ・・・(4)
式(1)の条件に関し、ECU10は、エアコンプレッサ12からの空気の流量Mf、つまりフローメータ13の計測値が、所定値Mref(第3の所定値)以上であるか否かを判定する。これにより、ECU10は、燃料電池11に十分な量の空気が供給されているか否かを判定する。
十分な量の空気が供給されていない場合、燃料電池11は、間欠運転中、または間欠運転の終了の直後であると判断される。この状態において、燃料電池11の出力電流は、定常状態の場合より非常に小さいため、ECU10は緩変化処理を行わない。
式(2)の条件に関し、ECU10は、指令電流値Irefが閾値th(第4の所定値)以上であるか否かを判定する。これにより、ECU10は、燃料電池11の負荷の高低を判定する。
負荷が低い場合、燃料電池11の出力電流が低いため、出力電流の変動に伴う駆動トルクの変動も小さい。また、負荷が低い場合には、バッテリ18からの出力電流が、補助としてモータMに入力されるので、燃料電池11の出力電流の変動が相殺されることで駆動トルクが安定化される。したがって、この場合、ECU10は、緩変化処理を行わない。
式(3)の条件に関し、ECU10は、指令電流値Irefの変動幅ΔIrefが、所定値W(第1の所定値)以下であるか否かを判定する。これにより、ECU10は、指令電流値Irefの急激な変化の有無を判定する。なお、変動幅ΔIrefは、一定の時間間隔おきに指令電流値Irefを取得しておき、前回取得した値と今回取得した値の差分として算出される。すなわち、ECU10は、指令電流値Irefの所定時間内における変動幅ΔIrefが、所定値W以下であるか否かを判定する。
図8は、指令電流値Irefの変化の一例を示すグラフである。図8において、横軸は時刻を示し、縦軸は電流値を示す。
指令電流値Irefは、期間A1において閾値th以上の一定値に維持されているが、次の期間A2において減少している。このような場合としては、例えば、車両が一定速度で走行している状態から減速した場合が挙げられる。この場合、仮にECU10が、許容値Ialwの緩変化処理を実行すると、符号Ixで示されるように、指令電流値Irefの減少の度合いが緩やかになるため、車両の減速に影響する。したがって、この場合、ECU10は、緩変化処理を行わない。すなわち、ECU10は、車両の速度の指令値が一定である場合に、緩変化処理を実行する。
式(4)の条件に関し、ECU10は、許容値Ialw及び指令電流値Irefの差分(Ialw−Iref)が所定値Dref(第2の所定値)以下であるか否かを判定する。これにより、ECU10は、指令電流値Irefが、過渡状態ではなく、図4(b)に示されるように許容値Ialwの近傍の値であるか否かを判定する。
上述したように、許容値Ialw及び指令電流値Irefの差分が十分に大きい場合(図4(a)参照)、駆動トルクは変動しない。したがって、この場合、ECU10は、緩変化処理を行わない。
ECU10は、式(1)〜(4)で示される条件の少なくとも1つが満たされていない場合(ステップSt23のNo)、処理を終了する。一方、式(1)〜(4)で示される条件が全て満たされている場合(ステップSt23のYes)、ECU10は、タイマをスタートさせる(ステップSt24)。すなわち、ECU10は、計時を開始する。
次に、ECU10は、ステップSt23と同様に、上記の式(1)〜(4)で示される条件が満たされているか否かを判定する(ステップSt25)。ECU10は、式(1)〜(4)で示される条件の少なくとも1つが満たされていない場合(ステップSt25のNo)、タイマをストップして(ステップSt31)、処理を終了する。一方、式(1)〜(4)で示される条件が全て満たされている場合(ステップSt25のYes)、ECU10は、タイマ値が所定値Tmaxに達したか否かを判定する(ステップSt29)。
ECU10は、タイマ値が所定値Tmaxに達していない場合(ステップSt29のNo)、再びステップSt25の判定処理を実施する。一方、タイマ値が所定値Tmaxに達している場合(ステップSt29のYes)、ECU10は、実行フラグFlgを‘1’とする(ステップSt30)。
すなわち、ECU10は、タイマ値が所定値Tmaxに達するまでの一定期間、ステップSt25の各条件が満たされた状態が継続した場合、実行フラグFlgを‘1’とする。このため、ECU10は、図6のステップSt6において、指令電流値Irefの所定時間内における変動幅が所定値W以下であり、指令電流値Iref及び許容値Ialwの差分が所定値Dref以下であり、さらに、フローメータ13の計測値が所定値Mrefより大きく、指令電流値Irefが閾値th以上である状態が、一定期間継続した場合に、許容値Ialwの所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行うこととなる。
したがって、ECU10は、緩変化処理が必要となる状態を的確に判断した上で緩変化処理を行う。なお、ステップSt23及びSt25の各条件の判定処理の順序に限定はない。
次に、ECU10は、タイマをストップして(ステップSt31)、処理を終了する。このようにして、緩変化処理の実行フラグFlgの制御処理は行われる。なお、燃料電池11の出力電流が低くても許容値Ialwの変動が車両の駆動トルクに大きな影響を与える場合、ECU10は、上記のステップSt23及びSt25において条件(1)及び(2)の判定を省略することができる。
緩変化処理を行った場合、緩変化処理後の許容値Ialw_fltが、緩変化処理前の許容値Ialwより大きくなることがある。このとき、緩変化処理後の許容値Ialw_fltが、緩変化処理前の許容値Ialwに対してあまりに大きいと、燃料電池11に対し、空気の供給量に見合わない程度の大きな電流を要求することになるため、好ましくない。
そこで、ECU10は、緩変化処理を行う際に、燃料電池11が出力する電流を、緩変化処理を施す前の許容値Ialwに一定値αを加えて得た値(以下、補正値と表記)、及び緩変化処理を施した後の許容値Ialw_fltのうち、小さいほうの値以下に制限するとよい。この場合、ECU10は、燃料電池11の出力電流の上限値を、緩変化処理前の許容値Ialwの補正値(Ialw+α)と緩変化処理後の許容値Ialw_fltの間で切り替える。
図9には、燃料電池11の出力電流の上限値の切り替えの一例が示されている。図9において、横軸は時刻を示し、縦軸は電流値を示す。また、実線は、緩変化処理前の許容値Ialwを示し、点線は、緩変化処理前の許容値Ialwの補正値(Ialw+α)を示す。さらに、一点鎖線は、緩変化処理後の許容値Ialw_fltを示す。なお、時刻Tonは、緩変化処理が開始された時刻を示す。
開始時刻Ton後の期間A3において、緩変化処理後の許容値Ialw_fltは、許容値Ialwの補正値を下回っているため、ECU10は、燃料電池11の出力電流を緩変化処理後の許容値Ialw_flt以下に制限する。しかし、次の期間A4では、緩変化処理後の許容値Ialw_fltは、許容値Ialwの補正値を上回っているため、矢印で示されるように、燃料電池11の出力電流を許容値Ialwの補正値以下に制限する。これにより、燃料電池11に対して要求される電流値が低減される。
図10は、燃料電池11の出力電流の上限値の切り替え処理の一例を示すフローチャートである。本処理は、例えば、図6に示された制御信号S3の生成処理(ステップSt7)において実行される。
ECU10は、緩変化処理前の許容値Ialwの補正値(Ialw+α)と緩変化処理後の許容値Ialw_fltを比較する(ステップSt41)。ECU10は、Ialw_flt≦Ialw+αが成立する場合(ステップSt41のYes)、燃料電池11の出力電流を緩変化処理後の許容値Ialw_flt以下に制限する(ステップSt42)。つまり、ECU10は、緩変化処理を施した後の許容値Ialw_fltが、緩変化処理を施す前の許容値Ialwに一定値αを加えて得た値以下である場合、燃料電池11から出力される電流を、緩変化処理を施した後の許容値Ialw_flt以下に制限する。
一方、Ialw_flt>Ialw+αが成立する場合(ステップSt41のNo)、ECU10は、燃料電池11の出力電流を緩変化処理前の許容値Ialwの補正値以下に制限する(ステップSt43)。つまり、ECU10は、緩変化処理を施した後の許容値Ialw_fltが、緩変化処理を施す前の許容値Ialwに一定値αを加えて得た値より大きい場合、燃料電池11から出力される電流を、緩変化処理を施す前の許容値Ialwに一定値αを加えて得た値以下に制限する。このようにして、燃料電池11の出力電流の上限値の切り替え処理は行われる。
ECU10は、上記の処理で決定した上限値に応じて制御信号S3を生成し、DC−DCコンバータ16に出力する。これにより、燃料電池11の出力電流が低減される。
これまで述べたように、本発明に係る燃料電池システム1は、燃料電池11と、エアコンプレッサ12と、フローメータ13と、ECU10とを備える。燃料電池11は、車両を駆動するモータMに電流を出力する。エアコンプレッサ12は、燃料電池11に空気を供給する。
フローメータ13は、エアコンプレッサ12からの空気の流量を計測する。ECU10は、フローメータ13の計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ12をフィードバック制御する処理を行う。ECU10は、計測値に応じて許容値Ialwを決定し、燃料電池11が出力する電流を、許容値Ialw以下に制限し、燃料電池11に対する指令電流値Irefに従って制御する処理を行う。
制御部10は、指令電流値Irefの所定時間内における変動幅が所定値W以下であり、指令電流値Iref及び許容値Ialwの差分が所定値Dref以下である状態が、一定期間継続した場合に、許容値Ialwの所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行う。
上記の構成によると、ECU10は、フローメータ13の計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ12をフィードバック制御するので、計測値が変動する。
また、ECU10は、燃料電池11が出力する電流を、計測値に応じた許容値Ialw以下に制限し、燃料電池11に対する指令電流値Irefに従って制御する。このため、燃料電池11の出力電圧が、空気供給量の不足のために低下することが防止されるとともに、燃料電池11から、要求に応じた電流が引き出される。
さらに、ECU10は、指令電流値Irefの所定時間内における変動幅が所定値W以下であり、指令電流値Iref及び許容値Ialwの差分が所定値Dref以下である状態が、一定期間継続した場合に、許容値Ialwの変動幅を縮小する緩変化処理を行う。このため、車両の速度の指令値が一定であって、許容値Ialwが計測値に応じて変動する場合に、許容値Ialwの所定時間内における変動幅が縮小される。
燃料電池11は、車両を駆動するモータMに電流を出力するため、許容値Ialwの変動幅が縮小されることで、モータMの駆動トルクの変動が低減される。
また、これまで述べたように、本発明に係る燃料電池システム1の制御方法は、以下のステップを含む。
(1)エアコンプレッサ12から燃料電池11に酸素を供給するステップ
(2)フローメータ13によりエアコンプレッサ12からの空気の流量を計測するステップ
(3)車両を駆動するモータMに燃料電池11から電流を出力するステップ
(4)フローメータ13により計測された計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ12をフィードバック制御するステップ
(5)計測値に応じて許容値Ialwを決定するステップ
(6)燃料電池11が出力する電流を、許容値Ialw以下に制限し、燃料電池11に対する指令電流値Irefに従って制御するステップ
(7)指令電流値Irefの所定時間内における変動幅が所定値W以下であり、指令電流値Iref及び許容値Ialwの差分が所定値Dref以下である状態が、一定時間継続した場合に、許容値Ialwの所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行うステップ
(1)エアコンプレッサ12から燃料電池11に酸素を供給するステップ
(2)フローメータ13によりエアコンプレッサ12からの空気の流量を計測するステップ
(3)車両を駆動するモータMに燃料電池11から電流を出力するステップ
(4)フローメータ13により計測された計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ12をフィードバック制御するステップ
(5)計測値に応じて許容値Ialwを決定するステップ
(6)燃料電池11が出力する電流を、許容値Ialw以下に制限し、燃料電池11に対する指令電流値Irefに従って制御するステップ
(7)指令電流値Irefの所定時間内における変動幅が所定値W以下であり、指令電流値Iref及び許容値Ialwの差分が所定値Dref以下である状態が、一定時間継続した場合に、許容値Ialwの所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行うステップ
本発明に係る燃料電池システム1の制御方法は、上記の燃料電池システム1と同様の構成を有するため、上記の内容と同様の作用効果を奏する。
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
1 燃料電池システム
10 ECU
11 燃料電池
12 エアコンプレッサ
13 フローメータ
16 DC−DCコンバータ
10 ECU
11 燃料電池
12 エアコンプレッサ
13 フローメータ
16 DC−DCコンバータ
Claims (5)
- 車両を駆動するモータに電流を出力する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する供給部と、
前記供給部からの前記酸化ガスの流量を計測する流量計測部と、
前記流量計測部の流量計測値が流量目標値に収束するように前記供給部をフィードバック制御する処理を行う制御部とを備え、
前記制御部は、
前記流量計測値に応じて許容電流値を決定し、
前記燃料電池が出力する前記電流を、前記許容電流値以下に制限し、前記燃料電池に対する要求電流値に従って制御する処理を行い、
さらに、前記要求電流値の所定時間内における変動幅が第1の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が第2の所定値以下である状態が、一定期間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行う燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記許容電流値に対し、前記緩変化処理を開始する時点での前記許容電流値を初期値として前記緩変化処理を行う請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記要求電流値の前記所定時間内における変動幅が前記第1の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が前記第2の所定値以下であり、さらに、前記流量計測値が第3の所定値より大きく、前記要求電流値が第4の所定値以上である状態が、一定期間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行う請求項1または2に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記緩変化処理を行う際に、前記燃料電池が出力する前記電流を、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値が、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に一定値を加えて得た値以下である場合、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値以下に制限し、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値が、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に前記一定値を加えて得た値より大きい場合、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に前記一定値を加えて得た値以下に制限することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の燃料電池システム。
- 供給部から燃料電池に酸化ガスを供給するステップと、
流量計測部により前記供給部からの前記酸化ガスの流量を計測するステップと、
車両を駆動するモータに前記燃料電池から電流を出力するステップと、
前記流量計測部により計測された流量計測値が流量目標値に収束するように前記供給部をフィードバック制御するステップと、
前記流量計測値に応じて許容電流値を決定するステップと、
前記燃料電池が出力する前記電流を、前記許容電流値以下に制限し、前記燃料電池に対する要求電流値に従って制御するステップと、
前記要求電流値の所定時間内における変動幅が第1の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が第2の所定値以下である状態が、一定時間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行うステップとが実行される燃料電池システムの制御方法。
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