專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其電流控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括具有多個單體電池的燃料電池的燃料電池系 統(tǒng)，特別是與系統(tǒng)要求電力控制時的電流限制相關(guān)。
背景技術(shù)：
利用氫和氧之間的電化學反應(yīng)進行發(fā)電的燃料電池具有例如固體 高分子型燃料電池。該固體高分子型燃料電池具備層積多個單體電池 而構(gòu)成的電池組。構(gòu)成電池組的單體電池具備陽極(燃料極)和陰極 (空氣極)，具有磺酸基作為離子交換基的固體高分子電解質(zhì)膜介于 這些陽極和陰極之間。
向陽極供給包含燃料氣體(對氫氣或碳化氫進行改性而成為富氫 的改性氫)的燃料氣體，向陰極供給作為氧化劑的氣體(氧化劑氣體)， 作為一例例如供給空氣。通過向陽極供給燃料氣體，包含于燃料氣體 中的氫與構(gòu)成陽極的催化劑層的催化劑發(fā)生反應(yīng)，由此產(chǎn)生氫離子。 產(chǎn)生的氫離子通過固體高分子電解質(zhì)膜，在陰極與氧發(fā)生電反應(yīng)。成 為利用該電化學反應(yīng)進行發(fā)電的結(jié)構(gòu)。
然而，使用燃料電池作為汽車用動力源時，需要是能夠應(yīng)對從低 負載至高負載的大范圍的使用狀態(tài)，但在不適當?shù)臈l件下使燃料電池 運轉(zhuǎn)時，往往無法得到所期待的電化學反應(yīng)。例如，在包含于高分子 電解質(zhì)膜中的水分量不足時，特別是在低溫時伴隨其飽和蒸氣壓低，
難于給予供給氣體需要的充足的水分。
因此，例如在日本特開平7 — 272736號公報中提案有如下發(fā)明 檢測燃料電池的反應(yīng)溫度，通過該反應(yīng)溫度檢索控制用表，選擇可容許的最低電壓的閾值，在燃料電池的監(jiān)視電壓比閾值小時，視為包含 于電解質(zhì)中的水分量不足，中斷向負載供給的電流。
另一方面，在使用具有多個單體電池的燃料電池時，當多個單體 電池中的一個不能發(fā)電時，往往變?yōu)槿剂想姵氐恼w都不能發(fā)電。因
此，例如在日本特開2003 — 187842號公報中提案有如下發(fā)明測定各
單體電池電壓，并根據(jù)所測定的單體電池電壓中的最低值即最低單體 電池電壓來算出通過燃料電池組可輸出的電量，并且使燃料電池組產(chǎn) 生可輸出的電量以下的電量，即使在任意一個單體電池的性能下降時， 也與此相應(yīng)地使燃料電池組在適當?shù)倪\轉(zhuǎn)狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。
優(yōu)選即使在多個單體電池中的任意一個單體電池的性能下降時， 也與此相應(yīng)地使燃料電池組在適當?shù)倪\轉(zhuǎn)狀態(tài)下運轉(zhuǎn)時，按照使用了
燃料電池組的最低單體電池電壓和閾值電壓的差分的PI (Proportional Integration:比例積分)控制來校正控制要求電流。
但是，在按照PI補償校正要求電流時，根據(jù)當前時點的電流使PI 補償?shù)脑鲆娉蔀橐欢〞r，擔心控制性會下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于所述現(xiàn)有技術(shù)的問題而開發(fā)的，其目的在于，在通 過使用了最低單體電池電壓和閾值電壓的差分的PI補償來校正要求電 流，求出目標電流值來控制燃料電池的電流時，提高用于使燃料電池 的電流成為目標電流值的控制性。
為了解決所述問題，本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，包括具備多 個單體電池的燃料電池，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于，具備電流 電測部，其檢測該燃料電池的電流；單體電池電壓檢測部，其檢測各 該單體電池的單體電池電壓；及控制運算部，其根據(jù)該單體電池電壓 檢測部檢測出的最低單體電池電壓，對與系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求電力相對應(yīng)的要求電流進行PI補償，該控制運算部根據(jù)該當前的該燃料電 池的電流，改變用于要求電流的該PI補償?shù)谋壤鲆妗?br> 具體而言，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括具有多個單體電池的燃 料電池；檢測各單體電池的單體電池電壓的單體電池監(jiān)視器；根據(jù)該 單體電池監(jiān)視器檢測出的最低單體電池電壓來對與系統(tǒng)所要求的系統(tǒng) 要求電力對應(yīng)的要求電流進行PI補償?shù)目刂七\算部。
而且，該控制運算部具備
(1) 算出規(guī)定的最低單體電池電壓基準值和該單體電池監(jiān)視器檢 測出的最低單體電池電壓之間的偏差的最低單體電池電壓偏差運算單 元；
(2) 根據(jù)該最低單體電池電壓基準值和所檢測的該最低單體電池 電壓之間的偏差來計算電流限制值的PI運算單元；
(3) 根據(jù)該系統(tǒng)要求電力算出要求電流的要求電流計算單元；
(4) 算出該要求電流和該電流限制值之間的偏差作為目標電流值 的目標電流值運算單元；
(5) 根據(jù)該目標電流值算出相對于該燃料電池的電力指令值的上 限及下限的電力分配計算單元；
(6) 根據(jù)該電力指令值的上限及下限算出規(guī)定該燃料電池的輸出 電流及輸出電壓的電流指令值及電壓指令值的電流/電壓指令值計算單 元。
而且，其特征在于，特別是控制運算部在所檢測的該最低單體電 池電壓為規(guī)定的閾值以下時，根據(jù)當前的該燃料電池的電流值，改變 用于該要求電流的該PI補償?shù)谋壤鲆妗?br> 另外，本發(fā)明提供一種用于燃料電池系統(tǒng)的電流控制方法，所述 燃料電池系統(tǒng)包括具有多個單體電池的燃料電池，所述用于燃料電池 系統(tǒng)的電流控制方法的特征在于，包括檢測各該單體電池的單體電
6池電壓的步驟；根據(jù)最低單體電池電壓，對與系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求 電力相對應(yīng)的要求電流進行PI補償?shù)牟襟E；及根據(jù)當前的該燃料電池 的電流值改變用于要求電流的該PI補償?shù)谋壤鲆娴牟襟E。
根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，在控制燃料電池的發(fā)電量時，檢測各單體電池 的最低單體電池電壓，在根據(jù)最低單體電池電壓對與系統(tǒng)要求電力對
應(yīng)的要求電流進行PI補償時，根據(jù)當前的電流(在當前時點所檢測的 電流)改變用于要求電流的PI補償?shù)谋壤鲆?，所以根?jù)當前時點的 電流可變地調(diào)整與系統(tǒng)要求電力對應(yīng)的要求電流，因此例如通過使當 前時點的電流越大比例增益越大，從而與使PI補償?shù)谋壤鲆鏋橐欢?時相比，可以提髙用于使燃料電池的電流成為目標電流值的控制性。
在構(gòu)成所述燃料電池系統(tǒng)時，可以附加下面的要素。
例如，優(yōu)選在所述最低單體電池電壓檢測部檢測出的最低單體電 池電壓為規(guī)定的容許電壓以下時，所述控制運算部使系統(tǒng)停止。
根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，在變?yōu)樽畹蛦误w電池電壓為規(guī)定的容許電壓以 下，更具體地說是最低電壓基準值(最低電壓閾值)以下時，對最低 電壓基準值和最低單體電池電壓之間的偏差進行規(guī)定時間積分，并在 該積分值是一定值以下時停止系統(tǒng)，從而可以保護記錄最低單體電池 電壓的單體電池，進而保護系統(tǒng)整體。
優(yōu)選的是所述控制運算部將規(guī)定的最低單體電池電壓閾值Vth 和所述最低單體電池電壓Vm之間的差設(shè)為AV、該比例增益設(shè)為Kp、 積分增益設(shè)為Ki時，通過KpX △ V+KiX E △ V運算所述要求電流的 校正量△ I。
根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，按照當前時點的電流可改變比例增益，由此在 根據(jù)最低單體電池電壓求出被PI補償?shù)囊箅娏鲿r，可以控制燃料電池的電流量以使最低單體電池電壓不變?yōu)樽畹蛦误w電池電壓基準值 (最低單體電池電壓閾值)以下。
根據(jù)本發(fā)明，與使PI補償?shù)谋壤鲆鏋橐欢〞r相比，可以提高用 于使燃料電池的電流成為目標電流值的控制性。


圖1是本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2是控制部的塊結(jié)構(gòu)圖3是最低單體電池電壓基準值映射的特性圖4是用于求出電流限制值和最低單體電池電壓偏差的IV特性
圖5是用于說明由控制部進行處理的流程圖。
具體實施例方式
圖1是應(yīng)用了本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
在圖1中，燃料電池系統(tǒng)10的構(gòu)成為具備用于向燃料電池20 供給燃料氣體(氫氣)的燃料氣體供給系統(tǒng)4;用于向燃料電池20供 給氧化氣體(空氣)的氧化氣體供給系統(tǒng)7;用于對燃料電池20進行 冷卻的冷卻液供給系統(tǒng)3;充放電來自燃料電池20的發(fā)電電力的電力 系統(tǒng)9。
燃料電池20具備膜/電極接合體(MEA) 24，所述膜/電極接合體 24在通過由氟系樹脂等形成的質(zhì)子傳導性的離子交換膜等而構(gòu)成的高 分子電解質(zhì)膜21的兩面上通過網(wǎng)板印刷等形成陽極22和陰極23。膜/ 電極接合體24的兩面由具有燃料氣體、氧化氣體、冷卻水的流路的隔 板(未圖示)夾持，在該隔板和陽極22及陰極23之間分別形成有槽 狀的陽極氣體通道25及陰極氣體通道26。陽極22是在多孔質(zhì)支承層 上設(shè)置燃料極用催化劑層而構(gòu)成，陰極23是在多孔質(zhì)支承層上設(shè)置空氣極用催化劑層而構(gòu)成。這些電極的催化劑層例如附著白金粒子而構(gòu) 成。
H2—2H++2e……(1)
(1/2) 02+2H++2e—— H20……(2) H2+ (1/2) 02—H20...... (3)
另外，在圖1中為了便于說明，示意性圖示了由膜/電極接合體24、 陽極氣體通道25及陰極氣體通道26構(gòu)成的單元電池的結(jié)構(gòu)，但實際 上具備經(jīng)由上述隔板將多個單元電池(電池組)串聯(lián)地連接的堆疊結(jié) 構(gòu)。
在燃料電池系統(tǒng)10的冷卻液供給系統(tǒng)3中設(shè)置有使冷卻液循環(huán)的 冷卻通路31、檢測從燃料電池20排出的冷卻液的溫度的溫度傳感器 32、使冷卻液的熱量向外部散熱的散熱器(熱交換器)33、調(diào)整流入 散熱器33的冷卻液的水量的閥34、對冷卻液進行加壓而使冷卻液循環(huán) 的冷卻液泵35、檢測向燃料電池20供給的冷卻液的溫度的溫度傳感器 36等。
在燃料電池系統(tǒng)10的燃料氣體供給系統(tǒng)4中配管有燃料氣體供
給裝置42， jt藏燃料氣體(陽極氣體)例如氫氣；燃料氣體流路40， 用于將來自該燃料氣體供給裝置42的燃料氣體供給到陽極氣體通道 25;及循環(huán)流路(循環(huán)路徑)51，用于使從陽極氣體通道25排出的燃 料廢氣循環(huán)到燃料氣體通路40，利用這些氣體流路構(gòu)成燃料氣體循環(huán) 系統(tǒng)。
燃料氣體供給裝置42例如由高壓氫罐、貯氫合金、改性器等構(gòu)成。 在燃料氣體流路40上設(shè)置有控制來自燃料氣體供給裝置42的燃料氣 體的流出的截止閥(主閥)43、檢測燃料氣體的壓力的壓力傳感器44、 調(diào)整循環(huán)路徑51的燃料氣體壓力的調(diào)整閥(噴射器)45、對向燃料電池20的燃料氣體供給進行控制的截止閥46。
在循環(huán)流路51上設(shè)置有對從燃料電池20向循環(huán)流路51的燃料廢 氣供給進行控制的截止閥52、去除燃料廢氣中含有的水分的氣液分離 器53及排出閥54、對在通過陽極氣體通道25時承受壓力損失的燃料 廢氣進行壓縮而使之升壓至適度的氣壓并向燃料氣體流路40回流的氫 泵(循環(huán)泵)55、防止燃料氣體流路40的燃料氣體向循環(huán)流路51側(cè) 逆流的逆流阻止閥56。由電動機驅(qū)動氫泵55，從而由氫泵55的驅(qū)動 產(chǎn)生的燃料廢氣在燃料氣體流路40與從燃料氣體供給裝置42供給的 燃料氣體合流后，向燃料電池20供給而被再利用。另外，在氫泵55 上設(shè)置有檢測氫泵55的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器57及檢測氫泵55前后的循 環(huán)路徑壓力的壓力傳感器58、 59。
另外，在循環(huán)流路51上分支配管有用于將從燃料電池20排出的 燃料廢氣經(jīng)由稀釋器(例如氫濃度降低裝置)62而向車外排出的排氣 流路61。在排氣流路61上設(shè)置有清潔閥63，構(gòu)成為能夠進行燃料廢 氣的排氣控制。通過開閉清潔閥63,可以反復燃料電池20內(nèi)的循環(huán)， 向外部排出雜質(zhì)濃度增加的燃料廢氣，并導入新的燃料氣體而防止單 體電池電壓的降低。另外，能夠使循環(huán)流路51的內(nèi)壓產(chǎn)生脈動，并去 除在氣體流路內(nèi)蓄積的水分。
另一方面，在燃料電池系統(tǒng)10的氧化氣體供給系統(tǒng)7中配管有用 于向陰極通道26供給氧化氣體(陰極氣體)的氧化氣體流路7K及用 于將從陰極通道26排出的陰極廢氣排出的陰極廢氣流路72。在氧化氣 體流路71上設(shè)置有從大氣取入空氣的空氣過濾器74、及壓縮取入的空 氣并將壓縮的空氣作為氧化劑氣體送入陰極氣體通道26的空氣壓縮機 75，在空氣壓縮機75上設(shè)置有檢測空氣壓縮機75的空氣供給壓力的 壓力傳感器73。在氧化氣體流路71和陰極廢氣流路72之間設(shè)置有進 行濕度交換的加濕器76。在陰極廢氣流路72上設(shè)置有調(diào)整陰極廢氣流 路72的排氣壓力的調(diào)壓閥77、去除陰極廢氣中的水分的氣液分離器
1064、吸收陰極廢氣的排氣聲音的消音器65。從氣液分離器64排出的陰 極廢氣被分流， 一部分流入稀釋器62，與在稀釋器62內(nèi)滯留的燃料廢 氣混合而被稀釋，另外被分流的另一部分陰極廢氣通過消音器65被吸 音，與利用稀釋器62混合稀釋的氣體混合，向車外排出。
另外，在燃料電池系統(tǒng)10的電力系統(tǒng)9中連接有DC — DC轉(zhuǎn)換 器90，其一次側(cè)連接有蓄電池91的輸出端子，二次側(cè)連接有燃料電池 20的輸出端子；蓄電池91，作為二次電池儲備剩余電力；蓄電池計算 機92，監(jiān)視蓄電池91的充電狀況；變換器93，向作為燃料電池20的 負載或驅(qū)動對象的車輛行駛用電動機94供給交流電力；變換器95，向 燃料電池系統(tǒng)10的各種高壓輔機96供給交流電力；電壓傳感器97， 測定燃料電池20的輸出電壓；及電流傳感器98，測定輸出電流。
進而，檢測燃料電池20的各單體電池的電壓的單體電池監(jiān)視器 101與燃料電池20連接。單體電池監(jiān)視器101也檢測單體電池的最低 電壓，作為本發(fā)明的最低單體電池電壓檢測部起作用。
DC — DC轉(zhuǎn)換器90對如下電力進行電壓變換而供給到蓄電池91 來使蓄電池充電燃料電池20的剩余電力或由向車輛行駛用電動機94 的制動動作產(chǎn)生的再生電力。另外，為了填補燃料電池20的發(fā)電電力 相對于車輛行駛用電動機94的要求電力的不足量，DC — DC轉(zhuǎn)換器90 對來自蓄電池91的放電電力進行電壓變換而輸出到二次側(cè)。
變換器93及95將直流電流變換為三相交流電流，分別輸出到車 輛行駛用電動機94及高壓輔機96。在車輛行駛用電動機94上設(shè)置有 檢測電動機94的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器99。電動機94經(jīng)由差速器而與車 輪IOO機械地結(jié)合，可將電動機94的回轉(zhuǎn)力變換為車輛的推進力。
電壓傳感器97及電流傳感器98用于根據(jù)相對于在電力系統(tǒng)9內(nèi) 重疊的交流信號的電壓的電流的相位和振幅來測定交流阻抗。交流阻抗與燃料電池20的含水量相對應(yīng)。
進而，在燃料電池系統(tǒng)10中設(shè)置有用于控制燃料電池20的發(fā)電 的控制部80?？刂撇?0由具備例如CPU (中央處理裝置)、RAM、 ROM、接口電路等的通用計算機構(gòu)成，取入來自溫度傳感器32、 36、 壓力傳感器44、 58、 59、轉(zhuǎn)速傳感器57、 73、 99的傳感器信號、及來 自電壓傳感器97、電流傳感器98、點火開關(guān)82的信號，按照電池運 轉(zhuǎn)的狀態(tài)例如電力負載來驅(qū)動電動機，調(diào)整氫泵55及空氣壓縮機75 的轉(zhuǎn)速，進而，進行各種閥的開閉控制或閥開度的調(diào)整等。
特別是在本實施方式中，控制部80具備作為控制運算部的功能， 在控制燃料電池系統(tǒng)10的輸出電力時，例如在急速預熱(行駛用電動 機94沒有動作的狀態(tài))中，根據(jù)車輛用輔機損失功率、蓄電池充電量、 高壓輔機96的功率限制率，計算車輛系統(tǒng)要求功率(系統(tǒng)所要求的系 統(tǒng)要求電力)Pr叫，對于系統(tǒng)要求功率Preq，考慮根據(jù)單體電池監(jiān)視器 101檢測出的最低單體電池電壓所決定的電流下限值來計算車輛系統(tǒng) 要求電流，根據(jù)通過該計算得到的車輛系統(tǒng)要求電流，計算作為相對 于DC — DC轉(zhuǎn)換器90的指令值的電流值/電壓值，按照該計算結(jié)果， 控制DC — DC轉(zhuǎn)換器90的驅(qū)動。
圖2表示通過控制部80執(zhí)行規(guī)定的計算機程序而實現(xiàn)的本實施方 式的功能塊圖。
如圖2所示，控制部80作為控制運算部，構(gòu)成為具備要求電流計 算部80a、第一減法器80b、電力分配計算部80c、電流/電壓指令值計 算部80d、第二減法器80e、 Pl運算部80f。
要求電流計算部80a根據(jù)系統(tǒng)要求電力Preq，算出要求電流(車 輛系統(tǒng)要求電流)IO，將算出的要求電流IO輸出到第一減法器80b。第 二減法器80e算出作為最低單體電池電壓基準值的閾值Vth和通過單體電池監(jiān)視器101檢測出的最低單體電池電壓Vm之間的偏差A V = Vth 一Vm，并將算出的偏差AV輸出到PI運算部80f。
圖3表示與溫度對應(yīng)的最低單體電池電壓基準值特性。
所謂最低單體電池電壓基準值，是指為了保護燃料電池，在低溫 時作為單體電池電壓可容許的反向電壓，是根據(jù)氫氣缺乏時的反向電
位和電阻值導致的陰極電位減少量算出的值?？刂撇?0將如圖3所示 的最低單體電池電壓基準值特性作為最低單體電池電壓基準值映射
103預先保存在存儲器內(nèi)。
第二減法器80e參照最低單體電池電壓基準值特性的映射作為閾 值Vth。而且，第二減法器80e在算出偏差AV時，以電流傳感器(電 流檢測部)98的檢測電流和檢測燃料電池20的內(nèi)部溫度的溫度傳感器 32或檢測系統(tǒng)的環(huán)境溫度的溫度傳感器102的檢測溫度為基礎(chǔ)，檢索 圖3所示的存儲于控制部80的存儲器中的最低單體電池電壓基準值映 射103，選擇表示與檢測溫度對應(yīng)的最低單體電池電壓基準值的閾值 Vth。 BP,由于閾值Vth依賴于溫度和電流，所以按照檢測溫度和檢測 電流來檢索最低單體電池電壓基準值映射103。在圖3中，閾值Vthl、 Vth2、 Vth3分別表示0°C、 一2(TC、 一3(TC的最低單體電池電壓基準值， 各最低單體電池電壓基準值為溫度越高傾斜越緩的直線的特性。
PI運算部80f根據(jù)第二減法器80e算出的偏差AV，按照下面的(4) 式計算相對于要求電流10的電流限制值A(chǔ) I。
電流限制值A(chǔ)I二最低單體電池電壓偏差AVX比例增益Kp+最低 單體電池電壓積分值ZAVx積分增益Ki…(4)
PI運算部80f算出電流限制值A(chǔ)I作為要求電流10的校正量，并 將該算出值輸出到第一減法器80b。第一減法器80b根據(jù)要求電流10和電流限制值A(chǔ)I的偏差，-算出這次的目標電流值Ii，并將算出的目標
電流值Il輸出到電力分配計算部80"
在此，PI運算部80f及第一減法器80b在按照電流限制值A(chǔ)I校正 要求電流10而算出目標電流值II時，在最低單體電池電壓Vm為閾值 Vth以下時，禁止電流限制，即不進行基于電流限制值A(chǔ)I的要求電流 的補償?shù)厮愠瞿繕穗娏髦礗l。
圖4表示低效率運轉(zhuǎn)時的IV特性和最低單體電池電壓基準值特性 之間的關(guān)系。
如圖4所示，例如在某條件下一2(TC的動作點是P1、最低單體電 池電壓是Vml時，從單體電池監(jiān)視器101得到的單體電池的IV特性 用直線fl表示。另外，在條件不同時，一2(TC的動作點是P2、最低單 體電池電壓是Vm2時，從單體電池監(jiān)視器101得到的單體電池的IV 特性用f2表示。例如，用直線f3表示規(guī)定溫度的最低單體電池電壓基 準值特性時，直線fl和直線f3的交點為Pl 、直線f2和直線f3的交 點為P2'。該情況下，為了繼續(xù)由燃料電池20進行的發(fā)電，需要使表 示比閾值Vth2低的最低單體電池電壓Vml的動作點P1移動至動作點 Pl '，并使表示比閾值Vth2低的最低單體電池電壓Vm2的動作點P2 移動至動作點P2'。
由于移動動作點，因此在PI運算部80f中，以IV特性的比例成 分P和積分成分I的和為基礎(chǔ)進行運算，但是在本實施方式中，為了簡 單地作說明，在圖4中只表示比例成分P的IV特性，省略積分成分I。
在此，在只對比例成分P進行考慮時，動作點P1、 P2的最低單體 電池電壓偏差分別為△ Vl = f3(VPl) —Vml、 △ V2二f3(VP2) —Vm2。 在此，電壓VP1表示動作點Pl的單體電池電壓，電壓VP2表示動作 點P2的單體電池電壓。
14另一方面，由于將動作點Pl、 P2分別移動至動作點Pl ' 、 P2 、
因此應(yīng)求出的電流限制值A(chǔ)I為AIl、 AI2。它們用(5)式、(6)式運算。
AIl=KpX A Vl+KiX E A Vl…(5) AI2二KpX A V2+KiX E △ V2…(6)
在此，如果比較直線fl和直線f2，可知作為各直線fl、 f2的傾斜 度的比例增益Kp隨著電流值的大小而變化。g卩，AI2作為AI的值比All 作為AI的值小。
因此，在本實施方式中，構(gòu)成為在計算電流限制值A(chǔ)I時，按照通 過電流傳感器98檢測出的電流值，可變地改變比例增益Kp。例如， 隨著電流值增加，使比例增益Kp的值變大。
根據(jù)經(jīng)過如上所述的處理得到的這次的目標電流值II，電力分配 計算部80c算出相對于燃料電池20的電力指令值的上下限，并將算出 結(jié)果Pc輸出至電流/電壓指令值計算部80d。相對于該電力指令值的上 下限是為了防止由電池組的電容成分等產(chǎn)生充放電所導致的輸出精度 的惡化、空氣供給量變動引起的系統(tǒng)要求功率的波動的產(chǎn)生。
電流/電壓指令值計算部80d以電力分配計算部80c的算出結(jié)果為 基礎(chǔ)，向DC — DC轉(zhuǎn)換器90輸出電流指令值及電壓指令值。該電流指 令值及電壓指令值為規(guī)定燃料電池20的實際的輸出電流、輸出電壓的 控制信號。
下面，按照圖5的流程圖說明控制部80的處理內(nèi)容。
首先，控制部80的要求電流計算部80a在控制燃料電池系統(tǒng)10 的輸出電力時，根據(jù)系統(tǒng)要求電力Preq算出相對于燃料電池20的要求電流IO (SI)。接著，控制部80的第一減法器80b取入通過單體電池 監(jiān)視器101檢測出的最低單體電池電壓Vm (S2)。接著，第二減法器 80b檢測燃料電池20的溫度及輸出電流，參照與檢測溫度對應(yīng)的最低 單體電池電壓基準值映射103，讀取與檢測電流對應(yīng)的最低單體電池電 壓基準值(S3)。而且，第一減法器80b判定是否最低單體電池電壓 Vm比最低單體電池電壓基準值低(S4)。
判定的結(jié)果為最低單體電池電壓Vm比最低單體電池電壓基準值 低時(是)，停止系統(tǒng)(S5)，結(jié)束在該過程的處理。
另一方面，在最低單體電池電壓Vm比最低單體電池電壓基準值 大時(否)，控制部80的第二減法器80e算出根據(jù)最低單體電池電壓 基準映射103得到的閾值(最低單體電池電壓基準值)Vth和所檢測的 單體電池電壓Vm之間的偏差AV (S6)。接著，控制部80的PI運算 部80f根據(jù)算出的偏差AV，按照(4)式算出電流限制值A(chǔ)I作為要求 電流I0的校正量(S7)。這時，根據(jù)當前時點的電流值(例如電流傳 感器98的檢測電流)可變地改變比例增益Kp，進行PI運算來算出電 流限制值A(chǔ)I。
接著，控制部80的第一減法器80b求出要求電流10和電流限制 值A(chǔ)I之間的偏差，并輸出該偏差來作為這次的目標電流值Il (S8)。 接著，控制部80的電力分配計算部80c按照以電流限制值A(chǔ)I校正要求 電流I0得到的目標電流值I1來算出電力指令值的上下限(S9)。而且， 控制部80的電流/電壓指令值計算部80d輸出用于以所算出的電力指令 值為基礎(chǔ)控制DC — DC轉(zhuǎn)換器90的驅(qū)動信號即電壓指令值及電流指令 值(S10) 。 g卩，按照用于使單體電池電壓Vm不為閾值(最低單體電 池電壓基準值)Vth以下的目標電流值Il來控制燃料電池20的發(fā)電量 及輸出電力，并結(jié)束在該過程的處理。
以上，根據(jù)本實施方式，按照系統(tǒng)要求電力Preq算出要求電流IO、基于單體電池監(jiān)視器101檢測出的單體電池電壓Vm來用PI補償運算 校正要求電流IO而算出目標電流Il時，按照AI=AVXKp +E AVX Ki算出作為要求電流IO的校正量的電流限制值A(chǔ)I，此時，按照當前時 點的電流值可變地改變比例增益Kp，因此可以提高用于使燃料電池20 的電流成為目標電流值Il的控制性。
另外，在停止系統(tǒng)時，對單體電池電壓Vm和閾值(最低單體電 池電壓基準值)Vth之間的最低單體電池電壓偏差A V進行規(guī)定時間積 分，在最低單體電池電壓偏差AV的積分值比判定時間X積分時間小 時，可以停止系統(tǒng)。
該情況下，假設(shè)判定電壓為0.5V，設(shè)積分時間為l秒時，若最低 單體電池電壓偏差AV二0.1V繼續(xù)5秒時間，則由于容許系統(tǒng)繼續(xù)動 作，所以最低單體電池電壓偏差AV^最低單體電池電壓基準值Vth— 最低單體電池電壓Vm為正值，可以將繼續(xù)一定時間以上作為條件。
(產(chǎn)業(yè)上的可利用性) 根據(jù)本發(fā)明，與將PI補償?shù)谋壤鲆嬖O(shè)為一定時相比，可以提高 用于使燃料電池的電流成為目標電流值的控制性。
本發(fā)明一般可以適用于具備利用燃料氣體(氫等)和氧化氣體(空 氣等)的化學反應(yīng)產(chǎn)生電能的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)中，特別優(yōu)選 適用于最低單體電池電壓確定的燃料電池系統(tǒng)中。
1權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有多個單體電池的燃料電池，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于，具備單體電池電壓檢測部，其檢測各該單體電池的單體電池電壓；及控制運算部，其根據(jù)該單體電池電壓檢測部檢測出的最低單體電池電壓，對與系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求電力相對應(yīng)的要求電流進行PI補償，該控制運算部根據(jù)當前的該燃料電池的電流值，改變用于該要求電流的該PI補償?shù)谋壤鲆妗?br> 2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，在所述單體電池電壓檢測部檢測出的最低單體電池電壓為規(guī)定的容許電壓以下時，所述控制運算部使系統(tǒng)停止。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，所述控制運算部在將規(guī)定的最低單體電池電壓閾值Vth和所述最低單體電池電壓Vm之間的差設(shè)為AV、將該比例增益設(shè)為Kp、將積分增益設(shè)為Ki時，通過KpxAV+KixZAV來計算所述要求電流的校正量AI。
4. 一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備燃料電池，其具有多個單體電池；單體電池監(jiān)視器，其檢測各單體電池的單體電池電壓；及控制運算部，其根據(jù)該單體電池監(jiān)視器檢測出的最低單體電池電壓，對與系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求電力相對應(yīng)的要求電流進行PI補償，該控制運算部具備最低單體電池電壓偏差運算單元，其算出規(guī)定的最低單體電池電壓基準值和該單體電池監(jiān)視器檢測出的最低單體電池電壓之間的偏差；PI運算單元，其根據(jù)該最低單體電池電壓基準值和檢測出的該最低單體電池電壓之間的偏差計算電流限制值；要求電流計算單元，其根據(jù)該系統(tǒng)要求電力算出要求電流；目標電流值運算單元，其算出該要求電流和該電流限制值之間的偏差作為目標電流值；電力分配計算單元，其根據(jù)該目標電流值算出相對于該燃料電池的電力指令值的上限及下限；及電流/電壓指令值計算單元，其根據(jù)該電力指令值的上限及下限算出規(guī)定該燃料電池的輸出電流及輸出電壓的電流指令值及電壓指令值，該控制運算部在檢測出的該最低單體電池電壓為規(guī)定的閾值以下時，根據(jù)當前的該燃料電池的電流值改變用于該要求電流的該PI補償?shù)谋壤鲆妗?br> 5. —種用于燃料電池系統(tǒng)的電流控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括具有多個單體電池的燃料電池，所述用于燃料電池系統(tǒng)的電流控制方法的特征在于，包括檢測各該單體電池的單體電池電壓的步驟；根據(jù)最低單體電池電壓，對與系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求電力相對應(yīng)的要求電流進行PI補償?shù)牟襟E；及根據(jù)當前的該燃料電池的電流值改變用于該要求電流的該PI補償?shù)谋壤鲆娴牟襟E。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料系統(tǒng)及其電流控制方法，控制部(80)按照系統(tǒng)要求電力Preq算出要求電流I0，根據(jù)通過單體電池監(jiān)視器(101)檢測出的最低單體電池電壓Vm，通過PI補償運算來校正要求電流I0而算出目標電流I1時，按照ΔI＝ΔV×Kp+∑ΔV×Ki求出作為要求電流I0的校正量的電流限制值ΔI，此時，按照當前時點的電流值可變地改變比例增益Kp，提高用于使燃料電池(20)的電流成為目標電流值I1的控制性。在通過使用了最低單體電池電壓和閾值電壓的差分的PI補償來校正要求電流而求出目標電流值以控制燃料電池的電流時，可以提高用于使燃料電池的電流成為目標電流值的控制性。
文檔編號B60L11/18GK101682061SQ20088001864
公開日2010年3月24日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月2日
發(fā)明者今西啟之, 小川朋也, 真鍋晃太 申請人:豐田自動車株式會社