專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有向燃料電池供給反應(yīng)氣體的反應(yīng)氣體供給裝置的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年，作為對(duì)環(huán)境問(wèn)題的配合的一環(huán)，進(jìn)行了低公害車(chē)的開(kāi)發(fā)，其中之一是將燃料電池作為車(chē)輛電源的燃料電池車(chē)輛。燃料電池系統(tǒng)是通過(guò)向在電解質(zhì)膜的一側(cè)面上配置陽(yáng)極、在另一側(cè)面上配置陰極而構(gòu)成的膜-電極接合體供給反應(yīng)氣體而引起電化學(xué)反應(yīng)，并將化學(xué)能變換為電能的能量變換系統(tǒng)。其中，將固體高分子膜作為電解質(zhì)使用的固體高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)成本低且易緊湊化，并且具有高輸出密度，所以期待其作為車(chē)載電力源的用途。
作為用于對(duì)向燃料電池供給的燃料氣體的流量及壓力進(jìn)行高精度
控制的方法，公知例如使用日本特開(kāi)2005-302563號(hào)公報(bào)所示的響應(yīng)性?xún)?yōu)良的噴射器的構(gòu)成。
專(zhuān)利文獻(xiàn)日本特開(kāi)2005-302563號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
然而，在使燃料電池車(chē)輛急加速等的情況下，由于燃料電池的負(fù)荷急劇增大，因此噴射器二次壓力指令值的時(shí)間變化量過(guò)渡性地變大。在這樣的過(guò)渡性的狀態(tài)下，噴射器二次壓力不能追上噴射器二次壓力指令值，二者的偏差暫時(shí)變大。在由比例積分動(dòng)作對(duì)基于噴射器的氣體噴射進(jìn)行反饋控制的系統(tǒng)中，在這樣的過(guò)渡性的狀態(tài)下，也將噴射器二次壓力和噴射器二次壓力指令值之間的偏差看作固定偏差而實(shí)施積分項(xiàng)的更新運(yùn)算的話(huà)，由于積分項(xiàng)的值大到超出所需，因此在噴射器二次壓力指令值穩(wěn)定在一定值時(shí)，噴射器二次壓力產(chǎn)生過(guò)沖這樣的不合適。
這樣的問(wèn)題，對(duì)于通過(guò)比例積分動(dòng)作對(duì)利用反應(yīng)氣體供給裝置(空氣壓縮機(jī)、氫循環(huán)泵等)的向燃料電池的反應(yīng)氣體供給進(jìn)行反饋控制的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是共同的課題。
因此，本發(fā)明的課題在于，抑制燃料電池的負(fù)荷變動(dòng)較大的情況下的反應(yīng)氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差的誤積分，并抑制反應(yīng)氣體供給流量的過(guò)沖。
為了解決上述的問(wèn)題，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，具有反應(yīng)氣體供給裝置，向燃料電池供給反應(yīng)氣體；反饋控制裝置，基于在從反應(yīng)氣體供給裝置向燃料電池供給的反應(yīng)氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差上乘以比例增益而構(gòu)成的比例項(xiàng)、和在該偏差上乘以積分增益且進(jìn)行時(shí)間積分而構(gòu)成的積分項(xiàng)，對(duì)反應(yīng)氣體供給裝置進(jìn)行反饋控制以使實(shí)際流量與目標(biāo)值一致；和運(yùn)算控制裝置，根據(jù)該偏差的值變更積
分項(xiàng)的更新運(yùn)算。
基于向燃料電池供給的反應(yīng)氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差對(duì)積分項(xiàng)的更新運(yùn)算進(jìn)行變更，從而能夠抑制燃料電池的負(fù)荷較大的情況下的反應(yīng)氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差的誤積分，并能夠抑制反應(yīng)氣體供給流量的過(guò)沖。
反應(yīng)氣體供給裝置例如是向燃料電池供給燃料氣體的噴射器。運(yùn)算控制裝置在燃料氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差為規(guī)定的閾值以上時(shí)禁止積分項(xiàng)的更新運(yùn)算。
在燃料氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差為規(guī)定的閾值以上時(shí)，燃料電池的負(fù)荷變動(dòng)變大，因此在這樣的情況下，通過(guò)禁止燃料氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差的誤積分，能夠抑制燃料氣體供給流量的過(guò)沖。
反應(yīng)氣體供給裝置例如是向燃料電池供給氧化氣體的空氣壓縮機(jī)。運(yùn)算控制裝置在氧化氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差為規(guī)定的閾值以上時(shí)將積分增益變更為更小的值。
在氧化氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差為規(guī)定的閾值以上時(shí)，燃料電池的負(fù)荷變動(dòng)變大，因此在這樣的情況下，通過(guò)將空氣壓縮機(jī)控制的積分增益變更為更小值，能夠抑制氧化氣體供給流量的過(guò)沖。
燃料電池系統(tǒng)，作為反應(yīng)氣體供給裝置可以同時(shí)具有向燃料電池供給燃料氣體的噴射器和向燃料電池供給氧化氣體的空氣壓縮機(jī)。反饋控制裝置對(duì)由噴射器的燃料氣體進(jìn)行的供給和由空氣壓縮機(jī)的氧化氣體進(jìn)行的供給進(jìn)行反饋控制。


圖1是本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖2是本實(shí)施方式的噴射器控制的功能框圖。
圖3是FC電流值、氣體噴射指令時(shí)間、噴射器二次壓力指令值及噴射器驅(qū)動(dòng)周期的時(shí)序圖。
圖4是本實(shí)施方式的空氣壓縮機(jī)控制的功能框圖。
圖5是表示空氣壓縮機(jī)的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照各附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
圖1是表示作為燃料電池車(chē)輛的車(chē)載電源系統(tǒng)起作用的燃料電池系統(tǒng)IO的系統(tǒng)構(gòu)成。
燃料電池系統(tǒng)10具有接收反應(yīng)氣體(氧化氣體及燃料氣體)的 供給而發(fā)電的燃料電池組20;將作為燃料氣體的氫氣向燃料電池組20 供給的燃料氣體配管系統(tǒng)30;將作為氧化氣體的空氣向燃料電池組20 供給的氧化氣體配管系統(tǒng)40;對(duì)電力的充放電進(jìn)行控制的電力系統(tǒng)60;
和對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行集中控制的控制器70。
燃料電池組20例如是串聯(lián)地層積多個(gè)單體電池而構(gòu)成的固體高
分子電解質(zhì)型電池組。單體電池在由離子交換膜構(gòu)成的電解質(zhì)膜的一 側(cè)面具有陰極，在另一側(cè)面具有陽(yáng)極，進(jìn)而具有從兩側(cè)夾持陰極及陽(yáng)
極的一對(duì)隔板。向一側(cè)的隔板的燃料氣體流路供給燃料氣體，向另一
側(cè)的隔板的氧化氣體流路供給氧化氣體，燃料電池組20通過(guò)該氣體供 給進(jìn)行發(fā)電。
燃料氣體配管系統(tǒng)30具有燃料氣體供給源31;從燃料氣體供
給源31向燃料電池組20的陽(yáng)極供給的燃料氣體(氫氣)流過(guò)的燃料 氣體供給流路35;用于使從燃料電池組20排出的燃料廢氣(氫廢氣) 回流到燃料氣體供給流路35的循環(huán)流路36;將循環(huán)流路36內(nèi)的燃料 廢氣壓送到燃料氣體供給流路35的循環(huán)泵37;和與循環(huán)流路36分支 連接的排氣流路39。
燃料氣體供給源31例如由高壓氫罐、貯氫合金等構(gòu)成，貯存高壓 (例如35MPa或70MPa)的氫氣。打開(kāi)截止閥32時(shí)，氫氣從燃料氣 體供給源31向燃料氣體供給流路35流出。氫氣由調(diào)節(jié)器33、噴射器 34減壓到規(guī)定壓力(例如200kPa左右)而供給到燃料電池組20。
燃料氣體供給源31也可以由從烴類(lèi)的燃料生成富氫的改性氣體 的改性器和使由該改性器生成的改性氣體成為高壓狀態(tài)而蓄壓的高壓 氣體罐構(gòu)成。調(diào)節(jié)器33是將其上游側(cè)壓力(一次壓力)調(diào)壓為預(yù)先設(shè)定的二次 壓力的裝置。在本實(shí)施方式中，采用對(duì)一次壓力進(jìn)行減壓的機(jī)械式的
減壓閥作為調(diào)節(jié)器33。作為機(jī)械式的減壓閥的構(gòu)成，能夠采用如下公
知的構(gòu)成具有隔著隔膜形成有背壓室和調(diào)壓室的殼體，通過(guò)背壓室 內(nèi)的背壓，在調(diào)壓室內(nèi)將一次壓力減壓為規(guī)定的壓力而作為二次壓力。
通過(guò)在噴射器34的上游側(cè)配置調(diào)節(jié)器33，能夠有效地降低噴射 器34的上游側(cè)壓力。因此，能夠提高噴射器34的機(jī)械構(gòu)造(閥芯、 殼體、流路、驅(qū)動(dòng)裝置等)的設(shè)計(jì)自由度。另外，由于能夠降低噴射 器34的上游側(cè)壓力，因此能夠抑制噴射器34的上游側(cè)壓力和下游側(cè) 壓力的壓差增大導(dǎo)致噴射器34的闊芯難于移動(dòng)的情況。因此，能夠擴(kuò) 大噴射器34的下游側(cè)壓力的可變調(diào)壓幅度，并且能夠抑制噴射器34 的響應(yīng)性的降低。
噴射器34是電磁驅(qū)動(dòng)式開(kāi)關(guān)閥，其可通過(guò)利用電磁驅(qū)動(dòng)力直接地 以規(guī)定的驅(qū)動(dòng)周期驅(qū)動(dòng)閥芯遠(yuǎn)離閥座來(lái)調(diào)整氣體流量、氣體壓力。噴 射器34具有用于開(kāi)放或關(guān)閉燃料氣體供給流路35的閥芯；閥芯驅(qū) 動(dòng)用的螺線管線圈；與閥芯形成為一體的轉(zhuǎn)子；和收容螺線管線圈的 定子，通過(guò)向螺線管線圈的通電，轉(zhuǎn)子被定子吸引，閥芯向規(guī)定的開(kāi) 閥位置或閉閥位置移動(dòng)。
在本實(shí)施方式中，由向螺線管線圈給電的脈沖勵(lì)磁電流的開(kāi)/關(guān)， 能夠二級(jí)地切換噴射器34的噴射孔的開(kāi)口面積。由從控制器70輸出 的噴射指令控制噴射器34的氣體噴射時(shí)間及氣體噴射時(shí)期，從而高精 度地控制燃料氣體的流量及壓力。噴射器34是利用電磁驅(qū)動(dòng)力直接開(kāi) 關(guān)驅(qū)動(dòng)閥(閥芯及閥座)的構(gòu)造，由于其驅(qū)動(dòng)周期可控制至高響應(yīng)區(qū) 域，因此具有較高的響應(yīng)性。
噴射器34為了供給其下游要求的氣體流量，通過(guò)變更設(shè)于噴射器34的氣體流路上的閥芯的開(kāi)口面積(開(kāi)度)及開(kāi)放時(shí)間中的至少一個(gè)
來(lái)調(diào)整供給到下游側(cè)(燃料電池組20側(cè))的氣體流量(或氫摩爾濃度)。
通過(guò)噴射器34的閥芯的開(kāi)關(guān)調(diào)整氣體流量，并且使供給到噴射器 34的下游的氣體壓力比噴射器34上游的氣體壓力減壓，因此能夠?qū)?射器34解釋為調(diào)壓閥(減壓閥或調(diào)節(jié)器)。另外，在本實(shí)施方式中， 還能夠解釋為可根據(jù)氣體要求改變噴射器34的上游氣體壓力的調(diào)壓 量(減壓量)以在規(guī)定的壓力范圍內(nèi)與要求壓力一致的可變調(diào)壓閥。 噴射器34作為如下裝置起作用調(diào)整燃料氣體供給流路35的上游側(cè) 的氣體狀態(tài)(氣體流量、氫摩爾濃度、氣體壓力)而供給到下游側(cè)的 可變氣體供給裝置。
在燃料氣體供給流路35上分別安裝有用于檢測(cè)噴射器34的上游 側(cè)壓力(一次壓力)的一次側(cè)壓力傳感器81、用于檢測(cè)噴射器34的上 游側(cè)溫度的一次側(cè)溫度傳感器83、用于檢測(cè)噴射器34的下游側(cè)壓力(二 次壓力)的二次側(cè)壓力傳感器82。
在循環(huán)流路36上經(jīng)由排氣閥38連接有排氣流路39。排氣閥38 根據(jù)來(lái)自控制器70的指令動(dòng)作，從而將包含循環(huán)流路36內(nèi)的雜質(zhì)的 燃料廢氣和水分向外部排出。通過(guò)排氣閥38的開(kāi)閥，循環(huán)流路36內(nèi) 的燃料廢氣中的雜質(zhì)的濃度降低，循環(huán)供給的燃料廢氣中的氫濃度上 升。
在稀釋器50中，流入經(jīng)由排氣閥38及排氣流路39而排出的燃料 廢氣和流過(guò)排出流路45的氧化廢氣，對(duì)燃料廢氣進(jìn)行稀釋。由消音器 51對(duì)稀釋后的燃料廢氣的排出聲音進(jìn)行消音，流過(guò)排氣尾管52而排出 到車(chē)外。
氧化氣體配管系統(tǒng)40具有供給到燃料電池組20的陰極的氧化氣 體流過(guò)的氧化氣體供給流路44和從燃料電池組20排出的氧化廢氣流過(guò)的排出流路45。
在氧化氣體供給流路44上設(shè)有經(jīng)由過(guò)濾器44而取入氧化氣體的 空氣壓縮機(jī)42、用于檢測(cè)空氣壓縮機(jī)42的下游側(cè)壓力(二次壓力)的 壓力傳感器85、用于對(duì)由空氣壓縮機(jī)42壓送的氧化氣體進(jìn)行加濕的加 濕器43。在排出流路45上設(shè)有用于調(diào)整氧化氣體供給壓力的背壓調(diào)整 閥46和加濕器43。
加濕器43收容有由多個(gè)水蒸氣透過(guò)膜(中空纖維膜)構(gòu)成的水蒸 氣透過(guò)膜束(中空纖維膜束)。在水蒸氣透過(guò)膜的內(nèi)部流過(guò)包含大量 由電池反應(yīng)生成的水分的高濕潤(rùn)的氧化廢氣(濕氣)，從大氣取入的 低濕潤(rùn)的氧化氣體(干氣)流到水蒸氣透過(guò)膜的外部。在氧化氣體和 氧化廢氣之間隔著水蒸氣透過(guò)膜進(jìn)行水分交換，從而能夠?qū)ρ趸瘹怏w 進(jìn)行加濕。
電力系統(tǒng)60具有DC/DC轉(zhuǎn)換器61、蓄電池62、牽引變換器63、 牽引馬達(dá)64及電流傳感器84。
DC/DC轉(zhuǎn)換器61是直流的電壓變換器，具有使來(lái)自蓄電池62的 直流電壓升壓而輸出到牽引變換器63的功能、和使來(lái)自燃料電池組20 或牽引馬達(dá)64的直流電壓降壓而充電于蓄電池62的功能。通過(guò)DC/DC 轉(zhuǎn)換器61的這些功能來(lái)控制蓄電池62的充放電。另外，通過(guò)基于 DC/DC轉(zhuǎn)換器61的電壓變換控制來(lái)控制燃料電池組20的運(yùn)轉(zhuǎn)要素(輸 出電壓、輸出電流)。
蓄電池62是可進(jìn)行電力的蓄電及放電的蓄電裝置，作為制動(dòng)再生 時(shí)的再生能量貯存源、伴隨著燃料電池車(chē)量的加速或減速的負(fù)荷變動(dòng) 時(shí)的能量緩沖器起作用。作為蓄電池62，優(yōu)選例如鎳/鎘蓄電池、鎳/ 氫蓄電池、鋰二次電池等的二次電池。牽引變換器63將直流電流變換為三相交流并供給到牽引馬達(dá)64。
牽引馬達(dá)64例如是三相交流馬達(dá)，構(gòu)成燃料電池車(chē)輛的動(dòng)力源。電流 傳感器84檢測(cè)出燃料電池組20的輸出電流(FC電流)。
轉(zhuǎn)換器70是具有CPU、 ROM、 RAM及輸入輸出接口的計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)，控制燃料電池系統(tǒng)10的各部分。例如，控制器70接收從點(diǎn)火開(kāi) 關(guān)(未圖示)輸出的起動(dòng)信號(hào)后，開(kāi)始燃料電池系統(tǒng)IO的運(yùn)轉(zhuǎn)，基于 從油門(mén)傳感器(未圖示)輸出的油門(mén)開(kāi)度信號(hào)、從車(chē)速傳感器(未圖 示)輸出的車(chē)速信號(hào)等求出系統(tǒng)整體的要求電力。系統(tǒng)整體的要求電 力是車(chē)輛行駛電力和輔機(jī)電力的總計(jì)值。
在輔機(jī)電力中，包含例如由車(chē)載輔機(jī)類(lèi)(加濕器、空氣壓縮機(jī)、 氫泵及冷卻水循環(huán)泵等)消耗的電力、由車(chē)輛行駛所需的裝置(變速 器、車(chē)輛控制裝置、轉(zhuǎn)向裝置及懸架裝置等)消耗的電力和配置在乘 客空間內(nèi)的裝置(空調(diào)裝置、照明器具及音響等)消耗的電力等。
并且，控制器70決定燃料電池組20和蓄電池62的輸出電力的分 配，為了使燃料電池組20的發(fā)電量與目標(biāo)電力一致，調(diào)整空氣壓縮機(jī) 42的轉(zhuǎn)速、噴射器34的閥開(kāi)度，調(diào)整向燃料電池組20的反應(yīng)氣體供 給量，并且控制DC/DC轉(zhuǎn)換器61而調(diào)整燃料電池組20的輸出電壓， 從而控制燃料電池組20的運(yùn)轉(zhuǎn)要素(輸出電壓、輸出電流)。進(jìn)而， 控制器70為了獲得與油門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)的目標(biāo)車(chē)速，例如作為開(kāi)關(guān)指令將 U相、V相及W相的各交流電壓指令值向牽引變換器63輸出，控制牽 引變換器64的輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速。
圖2是表示噴射器控制的功能框圖。
控制器70基于燃料電池組20的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(例如由電流傳感器84 檢測(cè)出的燃料電池組20的輸出電流)算出在燃料電池組20中消耗的 燃料氣體的量(以下稱(chēng)為"燃料消耗量")(燃料消耗量算出功能Bl)。在本實(shí)施方式中，使用表示燃料電池組20的輸出電流值和燃料
消耗量之間的關(guān)系的規(guī)定的運(yùn)算式，在控制器70的每個(gè)運(yùn)算周期算出
燃料消耗量并進(jìn)行更新。
控制器70基于燃料電池組20的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(由電流傳感器84檢測(cè) 出的燃料電池組20的發(fā)電時(shí)的電流值)算出噴射器34下游位置的燃 料氣體的目標(biāo)壓力值(向燃料電池組20的目標(biāo)氣體供給壓力)(目標(biāo) 壓力值算出功能B2)。在本實(shí)施方式中，使用表示燃料電池組20的 電流值和目標(biāo)壓力值之間的關(guān)系的映射數(shù)據(jù)，在控制器70的每個(gè)運(yùn)算 周期，算出配置二次側(cè)壓力傳感器82的位置(要求壓力調(diào)整的位置即 壓力調(diào)整位置)的目標(biāo)壓力值并進(jìn)行更新。
控制器70基于算出的目標(biāo)壓力值和由二次側(cè)壓力傳感器82檢測(cè) 出的噴射器34下游位置(壓力調(diào)整位置)的壓力值(檢測(cè)壓力值)之 間的偏差算出反饋校正流量(反饋校正流量算出功能B3)。反饋校 正流量是為了降低目標(biāo)壓力值和檢測(cè)壓力值之間的偏差而加到燃料消 耗量上的燃料氣體流量(壓力差降低校正流量)。在本實(shí)施方式中， 使用PI型反饋控制項(xiàng)，在控制器70的每個(gè)運(yùn)算周期算出反饋校正流量 并進(jìn)行更新。
反饋校正流量算出功能B3通過(guò)在燃料氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值 之間的偏差(e)上乘以比例增益(Kp)，算出比例型反饋校正流量(比 例項(xiàng)P=KP Xe)，通過(guò)在偏差的時(shí)間積分值(/ (e) dt)上乘以積 分增益(K。，算出積分型反饋校正流量(積分項(xiàng)I^K^X / (e) dt)， 算出包含將這些相加后的值的反饋校正流量。
反饋校正流量算出功能B3作為對(duì)從噴射器34向燃料電池組20 的燃料氣體供給進(jìn)行反饋控制的反饋控制裝置起作用，并且作為根據(jù) 燃料氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差來(lái)變更積分項(xiàng)的更新運(yùn)算的 運(yùn)算控制裝置起作用?？刂破?0算出與前一次算出的目標(biāo)壓力值和這一次算出的目標(biāo) 壓力值之間的偏差相對(duì)應(yīng)的前饋校正流量(前饋校正流量算出功能 B4)。前饋校正流量是由目標(biāo)壓力值的變動(dòng)引起的燃料氣體流量的變 動(dòng)量(壓力差對(duì)應(yīng)校正流量)。在本實(shí)施方式中，使用表示目標(biāo)壓力 值的偏差和前饋校正流量之間的關(guān)系的規(guī)定的運(yùn)算式，在控制器70的 每個(gè)運(yùn)算周期算出前饋校正流量并進(jìn)行更新。
控制器70基于噴射器34的上游側(cè)的氣體狀態(tài)(由一次側(cè)壓力傳 感器81檢測(cè)出的燃料氣體的壓力及由一次側(cè)溫度傳感器83檢測(cè)出的 燃料氣體的溫度)算出噴射器34的上游側(cè)的靜態(tài)流量(靜態(tài)流量算出 功能B5)。在本實(shí)施方式中，使用表示噴射器34的上游側(cè)的燃料氣 體的壓力及溫度和靜態(tài)流量的關(guān)系的規(guī)定的運(yùn)算式，在控制器70的每 個(gè)運(yùn)算周期算出靜態(tài)流量并進(jìn)行更新。
控制器70基于噴射器34的上游側(cè)氣體狀態(tài)(燃料氣體的壓力及 溫度)及外加電壓算出噴射器34的無(wú)效噴射時(shí)間(無(wú)效噴射時(shí)間算出 功能B6)。在此，所謂無(wú)效噴射時(shí)間是指從噴射器34接收來(lái)自控制 器70的控制信號(hào)后到實(shí)際開(kāi)始噴射為止所需的時(shí)間。在本實(shí)施方式中， 使用表示噴射器34的上游側(cè)的燃料氣體的壓力、溫度、外加電壓、無(wú) 效噴射時(shí)間的關(guān)系的映射數(shù)據(jù)，在控制器70的每個(gè)運(yùn)算周期算出無(wú)效 噴射時(shí)間并進(jìn)行更新。
控制器70通過(guò)將燃料消耗量、反饋校正流量和前饋校正流量相 加，從而算出噴射器34的噴射流量(噴射流量算出功能B7)。并且， 控制器70通過(guò)在噴射器34的噴射流量除以靜態(tài)流量所得的值上乘以 噴射器34的驅(qū)動(dòng)周期，從而算出噴射器34的基本噴射時(shí)間，并且將 該基本噴射時(shí)間和無(wú)效噴射時(shí)間相加而算出噴射器34的總噴射時(shí)間 (總噴射時(shí)間算出功能B8)。在此，所謂驅(qū)動(dòng)周期是指表示噴射器 34的噴射孔的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的階梯狀(開(kāi)/關(guān))波形的周期。在本實(shí)施方式中，由控制器70將驅(qū)動(dòng)周期設(shè)定為一定的值。
控制器70通過(guò)向噴射器34輸出用于實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)上述的順序算出的 噴射器34的噴射時(shí)間的噴射指令，控制噴射器34的氣體噴射時(shí)間及 氣體嘖射時(shí)期，調(diào)整向燃料電池組20供給的燃料氣體的流量及壓力。
接著，參照?qǐng)D3對(duì)允許噴射器控制的反饋校正流量的積分項(xiàng)的更 新運(yùn)算的時(shí)序進(jìn)行說(shuō)明。
該圖表示FC電流值、氣體噴射指令時(shí)間、噴射器二次壓力指令值 及噴射器驅(qū)動(dòng)周期的時(shí)序圖。各時(shí)刻t3 tl表示噴射器噴射時(shí)序。FC 電流值13~11是在各噴射器噴射時(shí)序下由電流傳感器84檢測(cè)出的電流 值。氣體噴射指令時(shí)間t 3~ t 1表示在各噴射器噴射時(shí)序下燃料氣體從 噴射器34噴射的時(shí)間。噴射器二次壓力指令值lojefi lo一refl是各噴 射器噴射時(shí)序下的噴射器二次壓力的目標(biāo)值。噴射器驅(qū)動(dòng)周期表示噴 射器34的氣體噴射間隔。例如，噴射器驅(qū)動(dòng)周期T3表示時(shí)刻t3和時(shí) 刻t2之間的時(shí)間間隔，氣體噴射指令時(shí)間t 3表示在噴射器驅(qū)動(dòng)周期 T3中噴射氣體的時(shí)間。同樣地，噴射器驅(qū)動(dòng)周期T2表示時(shí)刻t2和時(shí) 刻tl之間的時(shí)間間隔，氣體噴射指令時(shí)間t2表示在噴射器驅(qū)動(dòng)周期 T2中噴射氣體的時(shí)間。
在本實(shí)施方式中，以全部滿(mǎn)足下面的條件(1) ~ (3)為條件，允 許基于反饋校正流量算出功能B3的積分項(xiàng)更新運(yùn)算。
(1) 噴射器34穩(wěn)定地進(jìn)行氣體噴射。
(2) 噴射器二次壓力指令值的時(shí)間變化量低于規(guī)定的閾值。
(3) FC電流的時(shí)間變化量低于規(guī)定的閾值。
另一方面，在不滿(mǎn)足上述(1) ~ (3)中的任意一個(gè)的條件的情況 下，禁止基于反饋校正流量算出功能B3的積分項(xiàng)更新運(yùn)算。在此，為了使條件(1)成立，需要各噴射器噴射時(shí)間不為零，即需要(1A)式 成立。
t 1>0 且t 2>0 且t 3>0 …(1A)
在(1A)式成立的情況下，噴射器噴射穩(wěn)定標(biāo)志變?yōu)殚_(kāi)。另一方 面，在t1、 t2、 t3的任意一個(gè)為零的情況，即(1A)式不成立的 情況下，噴射器噴射穩(wěn)定標(biāo)志變?yōu)殛P(guān)。
為了使條件(2)成立，需要噴射器二次壓力指令值的時(shí)間變化量 低于規(guī)定的閾值，即需要以下的(2A) ~ (2B)式全部成立。
Alo_ref3= | lo_refi-lo_ref2 | /T3《20Pa/s…(2A)
△ lo—ref2= I lo—ref2扁lo—refl | /T2《20Pa/s…(2B)
在(2A) (2B)式全部成立的情況下，噴射器二次壓力穩(wěn)定標(biāo) 志變?yōu)殚_(kāi)。另一方面，在(2A) (2B)式中的任意一個(gè)不成立的情況 下，噴射器二次壓力穩(wěn)定標(biāo)值變?yōu)殛P(guān)。
為了使條件(3)成立，需要FC電流的時(shí)間變化量低于規(guī)定的閾 值，即需要以下的(3A) ~ (3B)式全部成立。
A 13= I 13-12 I /T3《30mA/s…(3A)
△ 12= I 12-11 I /T2《30mA/s…(3B)
在(3A) ~ (3B)式全部成立的情況下，F(xiàn)C電流穩(wěn)定標(biāo)志變?yōu)殚_(kāi)。 另一方面，在(3A) ~ (3B)式中的任意一個(gè)不成立的情況下，F(xiàn)C電 流穩(wěn)定標(biāo)志變?yōu)殛P(guān)。
當(dāng)噴射器噴射穩(wěn)定標(biāo)志、噴射器二次壓力穩(wěn)定標(biāo)志及FC電流穩(wěn)定 標(biāo)志全部變?yōu)殚_(kāi)時(shí)，積分允許標(biāo)志變?yōu)殚_(kāi)，允許基于反饋校正流量算出功能B3的積分項(xiàng)更新運(yùn)算。另一方面，當(dāng)噴射器噴射穩(wěn)定標(biāo)志、噴 射器二次壓力穩(wěn)定標(biāo)志及FC電流穩(wěn)定標(biāo)志任意一個(gè)變?yōu)殛P(guān)時(shí)，積分允
許標(biāo)志變?yōu)殛P(guān)，禁止基于反饋校正流量算出功能B3的積分項(xiàng)更新運(yùn)算。
這樣，以滿(mǎn)足全部條件(O ~ (3)的情況為條件，允許基于反饋 校正流量算出功能B3的積分項(xiàng)更新運(yùn)算，從而能夠抑制將噴射器二次 壓力和噴射器二次壓力指令值之間的偏差看作固定偏差而實(shí)施積分項(xiàng) 的更新運(yùn)算所導(dǎo)致的噴射器二次壓力的過(guò)沖。
圖4是表示空氣壓縮機(jī)控制的功能框圖。
控制器70基于燃料電池組20的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(例如由電流傳感器84 檢測(cè)出的燃料電池組20的輸出電流)算出在燃料電池組20中消耗的 氧化氣體的量(以下稱(chēng)為"氧化氣體消耗量")(氧化氣體消耗量算 出功能Bll)。在本實(shí)施方式中，使用表示燃料電池組20的輸出電 流值和氧化氣體消耗量之間的關(guān)系的規(guī)定的運(yùn)算式，在控制器70的每 個(gè)運(yùn)算周期算出氧化氣體消耗量并進(jìn)行更新。
控制器70基于燃料電池組20的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(由電流傳感器84檢測(cè) 出的燃料電池組20的發(fā)電時(shí)的電流值)，算出空氣壓縮機(jī)42下游位 置的氧化氣體的目標(biāo)壓力值(向燃料電池組20的目標(biāo)氣體供給壓力) (目標(biāo)壓力值算出功能B12)。在本實(shí)施方式中，使用表示燃料電池 組20的電流值和目標(biāo)壓力值之間的關(guān)系的映射數(shù)據(jù)，在控制器70的 每個(gè)運(yùn)算周期算出配置二次側(cè)壓力傳感器85的位置(要求壓力調(diào)整的 位置即壓力調(diào)整位置)的目標(biāo)壓力值并進(jìn)行更新。
控制器70基于算出的目標(biāo)壓力值和由二次側(cè)壓力傳感器85檢測(cè) 出的空氣壓縮機(jī)42下游位置(壓力調(diào)整位置)的壓力值(檢測(cè)壓力值) 之間的偏差算出反饋校正流量(反饋校正流量算出功能B13)。反饋 校正流量是為了降低目標(biāo)壓力值和檢測(cè)壓力值之間的偏差而加到氧化氣體消耗量上的氧化氣體流量(壓力差降低校正流量)。在本實(shí)施方 式中，使用PI型反饋控制項(xiàng)，在控制器70的每個(gè)運(yùn)算周期算出反饋校 正流量并進(jìn)行更新。
反饋校正流量算出功能B13通過(guò)在氧化氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值 之間的偏差(e)上乘以比例增益(Kp)，算出比例型反饋校正流量(比 例項(xiàng)P= KPXe)，并且通過(guò)在偏差的時(shí)間積分值(/ (e) dt)上乘 以積分增益(K。，算出積分型反饋校正流量(積分項(xiàng)1=&乂 / (e) dt)，并算出包含將這些相加后的值的反饋校正流量。
反饋校正流量算出功能B13作為對(duì)從空氣壓縮機(jī)42向燃料電池組 20的氧化氣體供給進(jìn)行反饋控制的反饋控制裝置起作用，并且作為根 據(jù)氧化氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差變更積分項(xiàng)的更新運(yùn)算的 運(yùn)算控制裝置起作用。
控制器70通過(guò)將氧化氣體消耗量和反饋校正流量相加，算出從空 氣壓縮機(jī)42輸出的氧化氣體的流量(氧化氣體流量算出功能B14)。 進(jìn)而空氣壓縮機(jī)70將由氧化氣體流量算出功能B14算出的氧化氣體流 量換算為空氣壓縮機(jī)42的轉(zhuǎn)速(氣體流量/轉(zhuǎn)速變換功能B15)，并 將轉(zhuǎn)速指令值向空氣壓縮機(jī)42輸出。
接著，參照?qǐng)D5對(duì)允許空氣壓縮機(jī)控制的反饋校正流量的積分項(xiàng) 的更新運(yùn)算的時(shí)序進(jìn)行說(shuō)明。
在本實(shí)施方式中，在空氣壓縮機(jī)控制的比例項(xiàng)P=KPXe的值超過(guò) 規(guī)定的閾值時(shí)，使積分項(xiàng)1=/ (e) dt的比例增益KJ勺值變小。 在比例項(xiàng)P的值超過(guò)規(guī)定的閾值時(shí)，氧化氣體流量的實(shí)測(cè)值(實(shí)線) 不能追上該目標(biāo)值(點(diǎn)線)，兩者的偏差e變大。在這樣的情況下，通 過(guò)將比例增益^的值變更為通常值(幾乎不存在負(fù)荷變動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 的比例増益Kt的値)的1/20 1/10左右的值，從而即使將偏差e看作固定偏差而實(shí)施積分項(xiàng)I的更新運(yùn)算，也能夠使該過(guò)渡性的時(shí)間的積分項(xiàng) I的積算值變小。因此，能夠抑制目標(biāo)值穩(wěn)定在一定值時(shí)的氧化氣體流 量的過(guò)沖(為了便于說(shuō)明，圖5表示以往的空氣壓縮機(jī)控制引起過(guò)沖 的例子。)。
但是，使燃料電池組20的負(fù)荷再次穩(wěn)定化等，比例項(xiàng)P的值低于
規(guī)定的閾值的情況下，需要使積分項(xiàng)I的比例增益K:的值恢復(fù)到變更 前的值。在使比例增益Kt的值恢復(fù)到變更前的值時(shí)，希望不是突然恢 復(fù)到變更前的值，而是使比例增益Kz的值一點(diǎn)一點(diǎn)變大并恢復(fù)到變更 前的值。
反饋校正流量算出功能B13的比例積分控制的對(duì)象終究是氧化氣 體流量，而不是空氣壓縮機(jī)42的轉(zhuǎn)速。如果在將氧化氣體流量變換為 空氣壓縮機(jī)42的轉(zhuǎn)速時(shí)存在少許誤差，則該少許的誤差累積成為固定 誤差而顯現(xiàn)。通過(guò)反饋控制，為了降低該固定誤差，希望與運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 無(wú)關(guān)地繼續(xù)積分項(xiàng)I的更新運(yùn)算。S卩，希望即使在燃料電池組20的負(fù) 荷過(guò)渡性地變動(dòng)的情況(比例項(xiàng)P的值超過(guò)規(guī)定的閾值的情況)下， 也使比例增益&的值不為零而對(duì)積分項(xiàng)I進(jìn)行更新運(yùn)算。
通過(guò)發(fā)明的實(shí)施方式說(shuō)明的實(shí)施例能夠根據(jù)用途適當(dāng)?shù)亟M合或變 更或加上改良而使用，本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式的記載。例如，可 以將燃料電池系統(tǒng)IO作為各種移動(dòng)體(機(jī)器人、船舶、飛機(jī)等)的電 力源搭載。另外，也可以將本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)IO作為住宅、 大廈等的發(fā)電設(shè)備(固定用發(fā)電系統(tǒng))運(yùn)用。
根據(jù)本發(fā)明，基于供給到燃料電池的反應(yīng)氣體的實(shí)際流量和目標(biāo) 值之間的偏差而對(duì)積分項(xiàng)的更新運(yùn)算進(jìn)行變更，從而能夠抑制在燃料 電池的負(fù)荷變動(dòng)較大的情況下反應(yīng)氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏 差的誤積分，并能夠抑制反應(yīng)氣體供給流量的過(guò)沖。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具有反應(yīng)氣體供給裝置，向燃料電池供給反應(yīng)氣體；反饋控制裝置，基于在從上述反應(yīng)氣體供給裝置向上述燃料電池供給的反應(yīng)氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差上乘以比例增益而構(gòu)成的比例項(xiàng)、和在上述偏差上乘以積分增益且進(jìn)行時(shí)間積分而構(gòu)成的積分項(xiàng)，對(duì)上述反應(yīng)氣體供給裝置進(jìn)行反饋控制以使上述實(shí)際流量與上述目標(biāo)值一致；和運(yùn)算控制裝置，根據(jù)上述偏差的值變更上述積分項(xiàng)的更新運(yùn)算。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，上述反應(yīng)氣體供給裝置是向上述燃料電池供給燃料氣體的噴射班 益，上述運(yùn)算控制裝置在上述燃料氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏 差為規(guī)定的閾值以上時(shí)，禁止上述積分項(xiàng)的更新運(yùn)算。
3. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，上述反應(yīng)氣體供給裝置是向上述燃料電池供給氧化氣體的空氣壓 縮機(jī)，上述運(yùn)算控制裝置在上述氧化氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏 差為規(guī)定的閾值以上時(shí)，將上述積分增益變更為更小的值。
4. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，作為上述反應(yīng)氣體供給裝置，具有向上述燃料電池供給燃料氣體 的噴射器和向上述燃料電池供給氧化氣體的空氣壓縮機(jī)，上述反饋控制裝置對(duì)由上述噴射器進(jìn)行的燃料氣體供給和由上述 空氣壓縮機(jī)進(jìn)行的氧化氣體供給進(jìn)行反饋控制。
全文摘要
燃料電池系統(tǒng)基于在從反應(yīng)氣體供給裝置向燃料電池供給的反應(yīng)氣體的實(shí)際流量和目標(biāo)值之間的偏差上乘以比例增益而構(gòu)成的比例項(xiàng)和在該偏差上乘以積分增益而時(shí)間積分構(gòu)成的積分項(xiàng)，對(duì)反應(yīng)氣體供給裝置進(jìn)行反饋控制以使實(shí)際流量與目標(biāo)值一致，并且根據(jù)該偏差值對(duì)積分項(xiàng)的更新運(yùn)算進(jìn)行變更。
文檔編號(hào)B60L11/18GK101595586SQ200780048428
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2007年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者弓矢浩之, 石垣克記, 石河統(tǒng)將 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社