專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其電流限制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括具有多個(gè)單電池的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，特別是涉及對(duì)
系統(tǒng)要求電流進(jìn)行控制時(shí)的電流限制處理和電流恢復(fù)處理。
背景技術(shù)：
作為利用氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電的燃料電池，例如有固體高分子型燃料電 池。該固體高分子型燃料電池具備堆疊多個(gè)單電池而構(gòu)成的電池組。構(gòu)成電池組的單電池 具備陽(yáng)極(燃料極)和陰極(空氣極)，在這些陽(yáng)極和陰極之間，介有具有磺酸基作為離子 交換基的固體高分子電解質(zhì)膜。 向陽(yáng)極供給包含燃料氣體(氫氣或?qū)N進(jìn)行改性而形成富氫的改性氫)的燃料氣 體，向陰極供給包含氧作為氧化劑的氣體(氧化劑氣體)，作為其一例是供給空氣。通過向 陽(yáng)極供給燃料氣體，燃料氣體中所包含的氫和構(gòu)成陽(yáng)極的催化劑層的催化劑進(jìn)行反應(yīng)，由 此產(chǎn)生氫離子。所產(chǎn)生的氫離子通過固體高分子電解質(zhì)膜，在陰極和氧發(fā)生電反應(yīng)。通過 該電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。 此處，在使用具有多個(gè)單電池的燃料電池的情況下，多個(gè)單電池中即使有一個(gè)不 能發(fā)電，則燃料電池整體也可能不能發(fā)電。因此，例如在日本特開2003-187842號(hào)公報(bào)中， 提出了下述發(fā)明測(cè)定各單電池的電壓，根據(jù)測(cè)定的單電池電壓中的最低值即最低單電池 電壓，計(jì)算由燃料電池組可輸出的電能，并且，使燃料電池組產(chǎn)生可輸出的電能以下的電 能，即使在任一個(gè)單電池的性能降低時(shí)，也可據(jù)此使燃料電池組以適宜的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行運(yùn) 轉(zhuǎn)。 此外，在日本特開2005-197008號(hào)公報(bào)中，提出了下述發(fā)明，其要點(diǎn)是根據(jù)最低
單電池電壓VLOW設(shè)定電流目標(biāo)限制值用于限制從燃料電池取出的發(fā)電電流，在實(shí)際的電
流限制值和發(fā)電電流之差低于規(guī)定值時(shí)，將電流限制值調(diào)換為所述電流目標(biāo)電流值。 但是，在現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)中，在一定條件下控制燃料電池的發(fā)電電力或限制
向負(fù)載供給的供給電流時(shí)，存在限制運(yùn)算的基準(zhǔn)即燃料電池的系統(tǒng)要求電力上升而最終發(fā)
電電力及供給電力的限制處理不能進(jìn)行的情況。例如，考慮在裝載有燃料電池系統(tǒng)的汽車
上，在駕駛員想要加速的情況下限制發(fā)電電力及供給電流的情況。發(fā)電電力及供給電力被
限制時(shí)，駕駛員感到馬達(dá)輸出不足而進(jìn)行進(jìn)一步踏下油門等操作。由于該操作，系統(tǒng)要求電
力上升，結(jié)果發(fā)電電力及供給電流也上升，最終，不能進(jìn)行需要的限制處理。 此外，盡管在使供給電流減少的電流限制處理和使被限制后的供給電流上升的電
流恢復(fù)處理中所要求的響應(yīng)性不同，但在現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)中并未考慮這些，而是設(shè)定
了相同的響應(yīng)性。即，在任一個(gè)單電池電壓低于最低單電池電壓容許值以下的情況下，限制
實(shí)際的供給電流的電流值。然后，維持限制狀態(tài)直到單電池電壓上升到容許值，達(dá)到容許值
之后將供給電流值恢復(fù)到系統(tǒng)要求電流。此時(shí)，在要求電流限制處理迅速地限制電流時(shí)，電
流恢復(fù)處理也以與電流限制處理相同的響應(yīng)性被控制，因此電流恢復(fù)處理的供給電流可能
過沖。另一方面，如果在電流恢復(fù)處理中設(shè)定不過沖的響應(yīng)性，則可以預(yù)想到，電流限制處
4理的響應(yīng)性會(huì)變差。 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2003-187842號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2 :日本特開2005-197008號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是，鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的課題，提供一種燃料電池系統(tǒng)，其無
論在何種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下都能夠可靠地限制系統(tǒng)要求電流，并且能夠在電流限制時(shí)使供給電流 迅速地響應(yīng)而在電流恢復(fù)時(shí)使供給電流穩(wěn)定地收斂。 為了解決上述課題，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括具有多個(gè)單電池的燃料電池，進(jìn) 行如下所述的處理相對(duì)于與系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求電力對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)要求電流進(jìn)行基于該 單電池的最低單電池電壓的補(bǔ)償運(yùn)算，由此限制向負(fù)載供給的供給電流，其特征在于，所述 燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行該補(bǔ)償運(yùn)算，所述補(bǔ)償運(yùn)算用于以該最低單電池電壓低于規(guī)定的最低單 電池電壓容許值時(shí)的該系統(tǒng)要求電流的電流值為基準(zhǔn)值，通過PI補(bǔ)償來限制該供給電流， 將限制該供給電流時(shí)的該P(yáng)I補(bǔ)償?shù)脑鲆婧突謴?fù)該供給電流時(shí)的該P(yáng)I補(bǔ)償?shù)脑鲆嬖O(shè)定為不 同的值。 根據(jù)該構(gòu)成，在單電池的最低單電池電壓低于規(guī)定的最低單電池電壓容許值時(shí)， 將此時(shí)的系統(tǒng)要求的電流值作為基準(zhǔn)值進(jìn)行PI補(bǔ)償運(yùn)算，因此，能夠抑制電流限制處理時(shí) 系統(tǒng)要求電力與供給電流的下降對(duì)應(yīng)地上升的現(xiàn)象，能夠進(jìn)行可靠的電流限制處理。例如， 即使在裝載了燃料電池系統(tǒng)的汽車上駕駛員對(duì)電流限制感到輸出不足而進(jìn)行了加速操作， 由于供給電流的計(jì)算基準(zhǔn)值固定于電流限制處理開始時(shí)的電流值，因此，能夠在單電池電 壓恢復(fù)之前可靠地進(jìn)行電流限制。 此外，根據(jù)這種構(gòu)成，使限制供給電流時(shí)的增益和恢復(fù)供給電流時(shí)的增益適合于 各自的狀況而進(jìn)行設(shè)定，由此，能夠確保迅速的電流限制，并且抑制收斂的供給電流發(fā)生過 沖。 此外，在所述燃料電池系統(tǒng)中，優(yōu)選在進(jìn)行所述電流限制處理期間所述燃料電池 整體的目標(biāo)輸出電壓被變更的情況下，保持被限制后的供給電流的電流值直至變更后的該 目標(biāo)輸出電壓穩(wěn)定，然后重新開始所述電流限制處理。 在燃料電池系統(tǒng)中存在根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)模式而變更燃料電池的目標(biāo)輸出電壓的情況，但
根據(jù)上述的構(gòu)成，能夠防止在變更目標(biāo)輸出電壓時(shí)基于PI補(bǔ)償?shù)碾娏飨拗谱兊貌环€(wěn)定，因
此，能夠進(jìn)行穩(wěn)定性良好的控制用于使燃料電池輸出的供給電流成為目標(biāo)電流值。 此外，在上述燃料電池系統(tǒng)中，優(yōu)選在全部的所述單電池電壓高于所述最低單電
池電壓容許值且所述系統(tǒng)要求電流的電流值低于被限制后的供給電流的電流值的情況下，
以解除所述電流限制處理的方式進(jìn)行處理。 根據(jù)這種構(gòu)成，單電池電壓恢復(fù)到最低單電池電壓容許值以上且供給電流恢復(fù)之 后才解除包括電流恢復(fù)處理的電流限制處理，因此，能夠可靠地避免燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生 的不良情況。 此外，所述燃料電池系統(tǒng)中，其特征在于，具備單電池電壓檢測(cè)部，檢測(cè)該燃料電 池的各單電池的單電池電壓；以及控制運(yùn)算部，根據(jù)從該單電池電壓檢測(cè)部檢測(cè)出的該單 電池電壓所得到的所述最低單電池電壓對(duì)所述系統(tǒng)要求電流進(jìn)行所述PI補(bǔ)償，在設(shè)所述最低單電池電壓相對(duì)于所述最低單電池電壓容許值的偏差為A V、設(shè)比例增益為Kp、設(shè)積 分增益為Ki的情況下，該控制運(yùn)算部根據(jù)KpX AV+KiX E AV的關(guān)系來運(yùn)算用于限制所 述供給電流的校正值A(chǔ)I，在限制該供給電流時(shí)和恢復(fù)該供給電流時(shí)，使所述比例增益Kp 和積分增益Ki都不同。 根據(jù)這種構(gòu)成，在單電池電壓中最低單電池電壓低于規(guī)定的最低單電池電壓容許
值時(shí)，進(jìn)行將依據(jù)最低單電池電壓容許值的最低單電池電壓的偏差A(yù)V作為變量、將比例
增益Kp作為P控制的系數(shù)、將積分增益Ki作為I控制的系數(shù)的PI補(bǔ)償運(yùn)算。 而且，此時(shí)，在限制供給電流時(shí)和恢復(fù)供給電流時(shí)將比例增益Kp和積分增益Ki變
更為相應(yīng)的適宜的值，因此在電流限制時(shí)期能夠敏捷地進(jìn)行電流限制，此外，在電流恢復(fù)時(shí)
期能夠提高響應(yīng)性以避免急速的電流恢復(fù)而抑制過沖的產(chǎn)生。 此外，在所述燃料電池系統(tǒng)中，其要點(diǎn)在于，使恢復(fù)所述供給電流時(shí)的所述PI補(bǔ) 償?shù)乃鲈鲆姹认拗扑龉┙o電流時(shí)的所述PI補(bǔ)償?shù)乃鲈鲆嫘　?根據(jù)這種構(gòu)成，在電流限制時(shí)期能夠使PI補(bǔ)償?shù)脑鲆嬖龃蠖M(jìn)行迅速的電流限 制，而在電流恢復(fù)時(shí)期能夠使PI補(bǔ)償?shù)脑鲆鏈p小而進(jìn)行抑制了過沖的產(chǎn)生的電流恢復(fù)，因 此，能夠提高用于使燃料電池輸出的供給電流成為目標(biāo)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)構(gòu)成圖。
圖2是控制部的模塊構(gòu)成圖。
圖3是最低單電池電壓容許值映射的特性圖。
圖4是用于說明電流限制處理的動(dòng)作的定時(shí)圖。
圖5是用于說明控制部進(jìn)行的處理的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1是適用了本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成圖。 圖1中，燃料電池系統(tǒng)10具備用于將燃料氣體(氫氣)供給到燃料電池20的燃 料氣體供給系統(tǒng)4、用于將氧化氣體(空氣)供給到燃料電池20的氧化氣體供給系統(tǒng)7、用 于冷卻燃料電池20的冷卻液供給系統(tǒng)3、以及對(duì)來自燃料電池20的發(fā)電電力進(jìn)行充放電的 電力系統(tǒng)9。 燃料電池20具備膜/電極結(jié)合體(MEA) 24，該膜/電極結(jié)合體24為通過網(wǎng)版印刷 等在由氟類樹脂等形成的質(zhì)子傳導(dǎo)性的離子交換膜等構(gòu)成的高分子電解質(zhì)膜21的兩面上 形成陽(yáng)極22和陰極23而構(gòu)成。膜/電極結(jié)合體24的兩面被具有燃料氣體、氧化氣體、冷 卻水的流路的隔板(未圖示)夾持，在該隔板和陽(yáng)極22、陰極23之間分別形成槽狀的陽(yáng)極 氣體通道25和陰極氣體通道26。陽(yáng)極22為在多孔性支承層上設(shè)置燃料極用催化劑層而構(gòu) 成，陰極23為在多孔性支承層上設(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 為附著鉑微粒而構(gòu)成。 H2 —2H++2e— ......(1) (l/2)02+2H++2e—— H20 ......(2)
此外，圖1中為了說明方便，示意地圖示了由膜/電極結(jié)合體24、陽(yáng)極氣體通道25 和陰極氣體通道26構(gòu)成的單位單電池的構(gòu)造，但實(shí)際上，具備由多個(gè)單位單電池(單電池 群)經(jīng)由上述隔板而串聯(lián)地連接而成的電池組構(gòu)造。 在燃料電池系統(tǒng)10的冷卻液供給系統(tǒng)3中，設(shè)有使冷卻液循環(huán)的冷卻路31、檢測(cè) 從燃料電池20排出的冷卻液的溫度的溫度傳感器32、將冷卻液的熱量向外部釋放的散熱 器(熱交換器)33、調(diào)節(jié)向散熱器33流入的冷卻液的水量的閥34、對(duì)冷卻液進(jìn)行加壓而使 其循環(huán)的冷卻液泵35、以及檢測(cè)供給到燃料電池20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，配置有存積燃料氣體(陽(yáng)極氣體) 例如氫氣的燃料氣體供給裝置42、用于將來自該燃料氣體供給裝置42的燃料氣體供給到 陽(yáng)極氣體通道25的燃料氣體流路40、以及用于將從陽(yáng)極氣體通道25排出的燃料廢氣循環(huán) 到燃料氣體流路40的循環(huán)流路(循環(huán)路徑)51，由這些氣體流路構(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、氫吸收合金、改性器等構(gòu)成。在燃料氣 體流路40上，設(shè)置有控制燃料氣體從燃料氣體供給裝置42的流出的切斷閥(主閥)43、 檢測(cè)燃料氣體的壓力的壓力傳感器44、調(diào)節(jié)循環(huán)路徑51的燃料氣體壓力的調(diào)節(jié)閥(噴射 器)45、以及控制燃料氣體向燃料電池20的供給的切斷閥46。 在循環(huán)流路51上設(shè)置有控制燃料廢氣從燃料電池20向循環(huán)流路51的供給的切 斷閥52、將燃料廢氣中包含的水分除去的氣液分離器53和排出閥54、將在通過陽(yáng)極氣體通 路25時(shí)受到壓力損失的燃料廢氣壓縮而使其上升到適度的氣壓并回流到燃料氣體流路40 的氫泵(循環(huán)泵)55、以及防止燃料氣體流路40的燃料氣體倒流到循環(huán)流路51側(cè)的倒流阻 止閥56。通過由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)氫泵55，氫泵55的驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的燃料廢氣與通過燃料氣體流路 40從燃料氣體供給裝置42供給的燃料氣體合流后，供給到燃料電池20而再利用。此外，在 氫泵55中設(shè)置有檢測(cè)氫泵55的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器57和檢測(cè)氫泵55前后的循環(huán)路徑壓力 的壓力傳感器58 、59。 此外，在循環(huán)流路51上，分支配置有排氣流路61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排出到車外。排氣流路61上設(shè)置有吹掃閥 63，以進(jìn)行燃料廢氣的排氣控制的方式構(gòu)成。通過開閉吹掃閥63，能夠重復(fù)進(jìn)行燃料電池 20內(nèi)的循環(huán)，將雜質(zhì)濃度增加的燃料廢氣排出到外部并導(dǎo)入新的燃料氣體以防止單電池電 壓的下降。此外，還能夠在循環(huán)流路51的內(nèi)壓中產(chǎn)生脈動(dòng)，將氣體流路中積蓄的水分除去。
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，配置有用于將氧化氣體 (陰極氣體)供給到陰極氣體通道26的氧化氣體流路71、以及用于將從陰極氣體通道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)定有從大氣取入空氣的空 氣過濾器74、以及將取入的空氣壓縮并將壓縮的空氣作為氧化劑氣體輸送到陰極氣體通道 26的空氣壓縮機(jī)75，空氣壓縮機(jī)75中設(shè)置有檢測(cè)空氣壓縮機(jī)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)有進(jìn)行濕度交換的加濕器76。在 陰極廢氣流路72上設(shè)有調(diào)節(jié)陰極廢氣流路72的排氣壓力的調(diào)節(jié)閥77、將陰極廢氣中的水 分除去的氣液分離器64、以及吸收陰極廢氣的排氣聲的消聲器65。從氣液分離器64排出 的陰極廢氣分流，其中一方流入稀釋器62，與滯留在稀釋器62內(nèi)的燃料廢氣混合稀釋，而 分流的另一方的陰極廢氣由消聲器65吸聲，與由稀釋器62混合稀釋的氣體混合，排出到車 外。
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此外，在燃料電池系統(tǒng)10的電力系統(tǒng)9中，在一次側(cè)上連接有蓄電池91的輸出端 子，在二次側(cè)上連接有與燃料電池20的輸出端子連接的DC-DC轉(zhuǎn)換器90、作為二次電池 而將剩余電力充電的蓄電池91、監(jiān)視蓄電池91的充電狀況的蓄電池計(jì)算機(jī)92、向燃料電池 20的負(fù)載或驅(qū)動(dòng)對(duì)象即車輛行走用馬達(dá)94供給交流電力的變換器93、向燃料電池系統(tǒng)10 的各種高壓輔機(jī)96供給交流電力的變換器95、測(cè)定燃料電池20的輸出電壓的電壓傳感器 97、以及測(cè)定輸出電流的電流傳感器98。 此外，在燃料電池20上，檢測(cè)燃料電池20的各單電池的電壓的單電池監(jiān)視器101 與燃料電池20連接。單電池監(jiān)視器101構(gòu)成為檢測(cè)各單電池的單電池電壓，進(jìn)而也檢測(cè)單 電池電壓的最低值即最低單電池電壓，作為本發(fā)明的最低單電池電壓檢測(cè)部而發(fā)揮作用。
DC-DC轉(zhuǎn)換器90對(duì)燃料電池20的剩余電力或因?qū)囕v行走用馬達(dá)94的制動(dòng)動(dòng)作 而產(chǎn)生的再生電力進(jìn)行電壓變換，供給到蓄電池91充電。此外，為了填補(bǔ)燃料電池20的發(fā) 電電力相對(duì)于車輛行走用馬達(dá)94的要求電力的不足部分，DC-DC轉(zhuǎn)換器90將來自蓄電池 91的放電電力進(jìn)行電壓變換，輸出到二次側(cè)。 變換器93和95將直流電流變換為三相交流電流，分別輸出到車輛行走用馬達(dá)94 和高壓輔機(jī)96。車輛行走用馬達(dá)94上設(shè)置有檢測(cè)馬達(dá)94的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器99。馬達(dá) 94經(jīng)由差速器而與車輪100機(jī)械地結(jié)合，馬達(dá)94的旋轉(zhuǎn)力可變換為車輛的推進(jìn)力。
電壓傳感器97和電流傳感器98用于根據(jù)與電力系統(tǒng)9中疊加的交流信號(hào)的電壓 相對(duì)的電流的相位和振幅來測(cè)定交流阻抗。交流阻抗與燃料電池20的含水量對(duì)應(yīng)。
此外，燃料電池系統(tǒng)10中，設(shè)置有用于控制燃料電池12的發(fā)電的控制部80?？刂?部80例如由具備CPU(中央處理裝置)、RAM、ROM、接口電路等的通用計(jì)算機(jī)構(gòu)成，讀取來自 溫度傳感器32、36、壓力傳感器44、58、59、轉(zhuǎn)速傳感器57、99的傳感器信號(hào)以及來自電壓傳 感器97、電流傳感器98、點(diǎn)火開關(guān)82的信號(hào)，根據(jù)電池運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)例如電力負(fù)載而驅(qū)動(dòng)各
馬達(dá)，調(diào)節(jié)氫泵55和空氣壓縮機(jī)75的轉(zhuǎn)速，另外，進(jìn)行各種閥的開閉控制或閥開度的調(diào)節(jié)等。 控制部80在控制燃料電池系統(tǒng)10的輸出電力時(shí)，例如在急速預(yù)熱時(shí)(沒有行走 用馬達(dá)94的動(dòng)作的狀態(tài)下)，根據(jù)車輛用輔機(jī)損失功率、蓄電池充電量、高壓輔機(jī)96的功率 限制率來計(jì)算車輛系統(tǒng)要求功率(系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求電力)Preq，并用DC-DC轉(zhuǎn)換器 90輸出的二次側(cè)電壓去除系統(tǒng)要求功率Preq而計(jì)算車輛系統(tǒng)要求電流Ireq。此時(shí)，進(jìn)行 基于單電池監(jiān)視器101檢測(cè)出的最低單電池電壓的電流限制處理。 特別地，在本實(shí)施方式中，控制部80具備作為下述控制運(yùn)算部的功能區(qū)分為從 最低單電池電壓低于最低單電池電壓容許值的時(shí)刻開始的電流限制期間和最低單電池電 壓恢復(fù)到容許值的時(shí)點(diǎn)以后被限制后的供給電流恢復(fù)期間，分別計(jì)算供給電流，根據(jù)通過 該運(yùn)算而得到的供給電流，計(jì)算相對(duì)于DC-DC轉(zhuǎn)換器90指示的電壓值，根據(jù)該運(yùn)算結(jié)果來 驅(qū)動(dòng)DC-DC轉(zhuǎn)換器90。 圖2表示通過控制部80執(zhí)行規(guī)定的計(jì)算機(jī)程序而實(shí)現(xiàn)的本實(shí)施方式的功能模塊 圖。 如圖2所示，控制部80作為控制運(yùn)算部，具備要求電流運(yùn)算部80a、第一減法器 80b、電力分配運(yùn)算部80c、電流/電壓指令值運(yùn)算部80d、第二減法器80e、以及PI運(yùn)算部 80f。
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要求電流運(yùn)算部80a根據(jù)系統(tǒng)要求電力Preq計(jì)算出要求電流(車輛系統(tǒng)要求電 流)I。，將計(jì)算出的要求電流I。輸出到第一減法器80b。具體而言，用燃料電池20的輸出電 力VFC去除系統(tǒng)要求電力Preq，計(jì)算要求電流I。。 最低單電池電壓容許值是指為了保護(hù)燃料電池而低溫時(shí)作為單電池電壓可容許 的逆電壓，是由基于氫氣缺乏時(shí)的逆電位和電阻值引起的陰極電位減少量所計(jì)算出的值。 控制部80預(yù)先將圖3所示的最低單電池電壓容許值特性作為最低單電池電壓容許值映射 103而保存在存儲(chǔ)器中。 第二減法器80e根據(jù)燃料電池20的輸出電流IFC和燃料電池20的溫度，參照最低 單電池電壓容許值特性映射103。 S卩，第二減法器80e在計(jì)算偏差A(yù)V時(shí)，根據(jù)由電流傳感 器98檢測(cè)出的檢測(cè)電流和由溫度傳感器32等檢測(cè)出的燃料電池20的內(nèi)部溫度或由溫度 傳感器102檢測(cè)出的系統(tǒng)環(huán)境溫度，檢索圖3所示的存儲(chǔ)于控制部80的存儲(chǔ)器中的最低單 電池電壓容許值映射103，選擇表示檢測(cè)溫度所對(duì)應(yīng)的最低單電池電壓容許值的閾值Vth。 因?yàn)殚撝礦th取決于溫度和電流，所以，與檢測(cè)電流對(duì)應(yīng)的變化率根據(jù)檢測(cè)溫度而變化。例 如，在圖3中，閾值Vthl、Vth2、Vth3分別表示不同溫度的最低單電池電壓容許值，各最低單 電池電壓容許值為溫度越高則斜率越平緩的直線特性。 電流限制值A(chǔ) I =最低單電池電壓偏差A(yù) VX比例增益Kp+最低單電池電壓積分 值E AVX積分增益Ki……(4) PI運(yùn)算部80f計(jì)算出電流限制值A(chǔ) I作為要求電流I。的校正量，將該計(jì)算值輸出
到第一減法器80b。第一減法器80b由要求電流I。和電流限制值A(chǔ)I的偏差計(jì)算出本次的
目標(biāo)電流值Ii，將計(jì)算出的目標(biāo)電流值Ii輸出到電力分配計(jì)算部80c。 在此，PI運(yùn)算部80f和第一減法器80b在最低單電池電壓Vm低于最低單電池電壓
容許值Vth而進(jìn)入電流限制處理的情況下，根據(jù)電流限制值A(chǔ) I校正車輛系統(tǒng)要求電流I。，
計(jì)算出目標(biāo)電流即供給電流L。此時(shí)，以下述方式進(jìn)行控制在最低單電池電壓Vm變?yōu)樽?br> 低單電池電壓容許值Vth以上且供給電流L高于進(jìn)入電流限制處理時(shí)的要求電流I。時(shí)，禁
止電流限制，即，不進(jìn)行基于電流限制值A(chǔ) I的要求電流補(bǔ)償而計(jì)算出供給電流IJ = 1。)。 此夕卜，PI運(yùn)算部80f和第一減法器80b在進(jìn)行電源限制處理期間燃料電池20的
目標(biāo)輸出電壓變更的情況下，維持目標(biāo)輸出電壓變更時(shí)的供給電流L直至伴隨目標(biāo)輸出電
壓變更的燃料電池20的輸出電壓穩(wěn)定。該目標(biāo)輸出電壓為燃料電池20的輸出電壓的目標(biāo)
值，是能夠根據(jù)燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)模式例如是否為低效率運(yùn)轉(zhuǎn)而變更的值。 根據(jù)經(jīng)過以上的處理所得到的供給電流I"電力分配計(jì)算部80c計(jì)算出相對(duì)于燃
料電池20的電力指令值的上下限，將計(jì)算結(jié)果Pc輸出到電流/電壓指令值計(jì)算部80d。相
對(duì)于該電力指令值的上下限，是用于防止下述情況的限制值電池組的電容成分引發(fā)充放
電所導(dǎo)致的輸出精度的惡化、以及空氣供給量變動(dòng)所引起的系統(tǒng)要求功率的振蕩的產(chǎn)生。 電流/電壓指令值計(jì)算部80d根據(jù)電力分配計(jì)算部80c的計(jì)算結(jié)果，將電流指令
值和電壓指令值輸出到DC-DC轉(zhuǎn)換器90。該電流指令值和電壓指令值成為規(guī)定燃料電池
20的實(shí)際輸出電流/輸出電壓的控制信號(hào)。 以下，參照?qǐng)D1和圖2并參照?qǐng)D4的定時(shí)圖，說明控制部80的處理動(dòng)作的順序。
如圖4所示，燃料電池20的目標(biāo)輸出電壓最初表示低電壓V1。在時(shí)刻tO，表示在 車輛系統(tǒng)的油門被踏下時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器90的二次側(cè)的電壓被控制，各單電池的單電池電壓下降，另一方面，表示燃料電池20的電流根據(jù)I-V特性而增加。由此，燃料電池的發(fā)電電 力增加。在時(shí)刻tl，單電池電壓中最低單電池電壓Vm低于最低單電池電壓容許值Vth。 PI 運(yùn)算部80f從單電池電壓中最低單電池電壓低于最低單電池電壓容許值的時(shí)點(diǎn)開始，以使 基于PI補(bǔ)償?shù)碾娏飨拗铺幚黹_始而減少供給電流的方式進(jìn)行控制，由此使單電池電壓恢復(fù)。 此外，在該P(yáng)I補(bǔ)償中，在單電池電壓低于容許值的時(shí)點(diǎn)(時(shí)刻tl)的車輛系統(tǒng)要 求電流I。的電流值作為基準(zhǔn)值而由第一減法器80b存儲(chǔ)，保持到電流限制處理結(jié)束為止。 在電流限制處理的期間中，相對(duì)于該電流基準(zhǔn)值，減去PI運(yùn)算部80f通過PI補(bǔ)償運(yùn)算而計(jì) 算出的電流限制值A(chǔ)I。 在此，PI運(yùn)算部80f根據(jù)上述(4)式進(jìn)行該P(yáng)I補(bǔ)償運(yùn)算，但使限制供給電流IJ勺 電流限制期間中(時(shí)刻tl t2)所適用的PI補(bǔ)償增益相對(duì)較大，而使恢復(fù)供給電流L的 電流恢復(fù)期間中(時(shí)刻t3 t5)所適用的PI補(bǔ)償增益相對(duì)較小。 作為上述PI補(bǔ)償運(yùn)算的結(jié)果，在剛開始電流限制之后，供給電流L開始減少，但 是單電池電壓的恢復(fù)緩慢，單電池電壓有一些延遲地轉(zhuǎn)為增加，單電池電壓恢復(fù)到容許值。 從單電池電壓達(dá)到最低單電池電壓容許值的時(shí)點(diǎn)(在圖4中與時(shí)刻t3相當(dāng))開始，PI運(yùn) 算部80f根據(jù)(4)式進(jìn)行用于恢復(fù)電流的電流恢復(fù)處理的PI補(bǔ)償。但是，在該電流恢復(fù)期 間，PI運(yùn)算部80f使用均比上述電流限制期間的增益值小的值作為增益Kp和增益Ki的值。 通過PI補(bǔ)償?shù)脑鲆鏈p小，抑制了校正量即電流限制值A(chǔ)I的急劇變化，結(jié)果抑制了供給電 流L中過沖的產(chǎn)生。如果單電池電壓變?yōu)樽畹蛦坞姵仉妷喝菰S值Vth以上且車輛系統(tǒng)要 求電流I。達(dá)到被限制后的供給電流I"則解除電流限制處理。 此外，在電流恢復(fù)期間中，也繼續(xù)監(jiān)視單電池電壓的最低單電池電壓是否高于容 許值，一旦最低單電池電壓再次低于容許值，則重新開始電流限制處理。
在此，如上所述，PI運(yùn)算部80f和第一減法器80b在正在進(jìn)行電源限制處理時(shí)燃 料電池20的目標(biāo)輸出電壓被變更的情況下，維持目標(biāo)輸出電壓變更時(shí)的供給電流L直至 伴隨目標(biāo)輸出電壓的變更的燃料電池20的輸出電壓穩(wěn)定。在圖4中，在到達(dá)時(shí)刻t2時(shí)燃 料電池的目標(biāo)輸出電壓從低電壓VI變更為高電壓Vh。因此，在從該目標(biāo)輸出電壓從低電壓 VI開始變更的時(shí)刻t2到燃料電池20的輸出電壓穩(wěn)定在高電壓Vh的時(shí)刻t3為止的期間， 維持供給電流I"即，在該保持期間，PI運(yùn)算部80f不進(jìn)行基于(4)式的PI補(bǔ)償運(yùn)算，而 使用由緊前面的PI補(bǔ)償運(yùn)算所計(jì)算出的值作為供給電流L的值。 圖5表示用于說明上述電流限制處理的流程圖。以下，參照?qǐng)Dl和圖2并使用圖 5的流程圖，說明控制部80的處理動(dòng)作的流程。 首先，在步驟SI中，控制部80的要求電流計(jì)算部80a通過參照狀態(tài)標(biāo)志，驗(yàn)證是 否是電流控制的初次定時(shí)(timing)。其結(jié)果，如果是初次定時(shí)(YES:是)，則進(jìn)入步驟S2， 如果不是初次定時(shí)(NO :否)，則轉(zhuǎn)移到步驟S14。 在步驟S14中，控制部80的要求電流計(jì)算部80a取出內(nèi)部區(qū)域中存儲(chǔ)的要求電流 I。的值，轉(zhuǎn)移到步驟S4。在步驟S2中，控制部80的要求電流計(jì)算部80a將定時(shí)設(shè)定為非 初次。 在步驟S3中，控制部80的要求電流計(jì)算部80a在控制燃料電池系統(tǒng)10的輸出電 力時(shí)，計(jì)算出系統(tǒng)要求電力Preq，由系統(tǒng)要求電力Preq計(jì)算出相對(duì)于燃料電池20的要求電
10流I0。 接著，在步驟S4中，控制部80的第二減法器80e取得最低單電池電壓Vm，其表示 單電池監(jiān)視器101檢測(cè)出的單電池電壓中的最低值。 在步驟S5中，第二減法器80e檢測(cè)燃料電池20的溫度和輸出電流，參照與檢測(cè)溫 度對(duì)應(yīng)的最低單電池電壓容許值映射103，讀出與檢測(cè)電流對(duì)應(yīng)的最低單電池電壓容許值 Vth。 在步驟S6中，第二減法器80e判斷最低單電池電壓Vm是否為最低單電池電壓容 許值Vth以上，作為該判斷的結(jié)果，在最低單電池電壓Vm為最低單電池電壓基準(zhǔn)值以上 時(shí)(YES)，轉(zhuǎn)移到步驟S15，另一方面，在最低單電池電壓Vm小于最低單電池電壓基準(zhǔn)值時(shí) (NO)，進(jìn)入步驟S7，以下，實(shí)施本發(fā)明的主要的電流限制處理。 在步驟S7中，控制部80的第二減法器80e計(jì)算出從最低單電池電壓基準(zhǔn)映射103 得到的閾值(最低單電池電壓容許值)Vth和檢測(cè)出的單電池電壓Vm的偏差A(yù) V。
然后，在步驟S8中，控制部80的PI運(yùn)算部80f對(duì)于(4)式的比例增益Kp和積分 增益Ki分別設(shè)定為了電流限制時(shí)而預(yù)先設(shè)定的增益值。 接著，在步驟S9中，控制部80的PI運(yùn)算部80f由計(jì)算出的偏差A(yù) V、設(shè)定的比例 增益Kp和積分增益Ki，根據(jù)(4)式計(jì)算出電流限制值A(chǔ)I作為要求電流I。的校正量。
接著，在步驟SIO中，控制部80的第一減法器80b求出要求電流1。和電流限制值 AI的偏差，將該偏差輸出以作為本次的供給電流(目標(biāo)電流值)I" 然后，在步驟Sll中，控制部80的第一減法器80b將要求電流I。和目標(biāo)電流值^ 存儲(chǔ)于內(nèi)部區(qū)域。 接著，在步驟S12中，控制部80的電力分配計(jì)算部80c根據(jù)用電流限制值A(chǔ) I對(duì) 要求電流I。進(jìn)行校正而得到的供給電流L而計(jì)算出電力指令值的上下限。
在步驟S13中，控制部80的電流/電壓指令值計(jì)算部80d輸出用于根據(jù)計(jì)算出的 電力指令值來控制DC-DC轉(zhuǎn)換器90的驅(qū)動(dòng)信號(hào)即電壓指令值和電流指令值。即，根據(jù)用于 使單電池電壓Vm不致變?yōu)殚撝?最低單電池電壓容許值)Vth以下的供給電流^而控制 燃料電池20的發(fā)電量和輸出電力，結(jié)束該程序的處理。 另一方面，在步驟S6中，在最低單電池電壓為最低單電池電壓容許值以上的情況 下(YES)，轉(zhuǎn)移到步驟S15，控制部80的PI運(yùn)算部80f驗(yàn)證供給電流^在步驟S10中是否 已計(jì)算完。在供給電流L在步驟S10中已計(jì)算完的情況下(YES)，進(jìn)入步驟S16，在供給電 流L在步驟S10中未計(jì)算完的情況下(NO)，即控制流未通過步驟S10的情況下，轉(zhuǎn)移到步 驟S20。 在步驟S16中，控制部80的PI運(yùn)算部80f取出存儲(chǔ)于內(nèi)部區(qū)域的供給電流^的 值。 接著，轉(zhuǎn)移到步驟S17，控制部80的PI運(yùn)算部80f比較當(dāng)前設(shè)定的目標(biāo)輸出電壓 和由電壓傳感器97等檢測(cè)出的實(shí)際的輸出電壓，驗(yàn)證燃料電池20的目標(biāo)輸出電壓是否穩(wěn) 定。在判斷為燃料電池20的目標(biāo)輸出電壓穩(wěn)定的情況下(YES)，進(jìn)入步驟S18，在判斷為燃 料電池20的目標(biāo)輸出電壓不穩(wěn)定的情況下(N0)，轉(zhuǎn)移到步驟S12。 在步驟S18中，控制部80的PI運(yùn)算部80f驗(yàn)證供給電流^是否高于開始電流限 制時(shí)的要求電流I。。然后，在供給電流L不高于開始電流限制時(shí)的要求電流I。的情況下(NO)，判斷為應(yīng)繼續(xù)電流限制而進(jìn)入步驟S19。另一方面，在供給電流L高于開始電流限制
時(shí)的要求電流I。的情況下(YES)，判斷為應(yīng)結(jié)束電流限制處理而轉(zhuǎn)移到步驟S20。 在步驟S19中，控制部80的PI運(yùn)算部80f對(duì)于(4)式的比例增益Kp和積分增益
Ki分別設(shè)定為了電流恢復(fù)而預(yù)先設(shè)定的增益值，轉(zhuǎn)移到步驟S9。 在步驟S20中，控制部80的要求電流計(jì)算部80a初次設(shè)定定時(shí)。 如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，在最低單電池電壓Vm低于最低單電池電壓容許值
Vth時(shí)，將此時(shí)系統(tǒng)要求的電流值I。作為基準(zhǔn)值而進(jìn)行PI補(bǔ)償運(yùn)算，因此，能夠抑制在電流
限制處理時(shí)系統(tǒng)要求電力對(duì)應(yīng)于供給電流的下降而上升，能夠進(jìn)行可靠的電流限制處理。
例如在裝載了燃料電池系統(tǒng)的汽車上，即使在駕駛員對(duì)電流限制感到輸出不足而進(jìn)行加速
操作，供給電流的運(yùn)算的基準(zhǔn)值也會(huì)固定于電流限制處理開始時(shí)的電流值，因此，能夠在單
電池電壓恢復(fù)之前可靠地進(jìn)行電流限制。 此外，根據(jù)本發(fā)明，使限制供給電流L時(shí)的增益Kp、 Ki和恢復(fù)供給電流時(shí)的增益 Kp、 Ki適合于各自的狀況而進(jìn)行設(shè)定，因此，能夠確保迅速的電流限制，并且抑制收斂的供 給電流的過沖的發(fā)生。 此外，在電流限制期間，在燃料電池整體的目標(biāo)輸出電壓被變更的情況下，在變更 的該目標(biāo)輸出電壓穩(wěn)定之前，保持被限制后的電流的電流值后重新開始上述電流限制處 理，因此，能夠防止基于PI補(bǔ)償?shù)碾娏飨拗谱兊貌环€(wěn)定。 此夕卜，在供給電流Il、最低單電池電壓Vm共同恢復(fù)且可以供給要求電力Preq的狀 態(tài)下解除包含電流恢復(fù)處理的電流限制處理，因此，能夠保護(hù)燃料電池，并且能夠無障礙地 控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
(其他變形例) 本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，還可以進(jìn)行各種變更而應(yīng)用。 例如，在上述實(shí)施方式中，示例了基于式(4)的PI補(bǔ)償，但并不限于該關(guān)系式。本 發(fā)明可以應(yīng)用適于作為燃料電池系統(tǒng)的響應(yīng)控制的關(guān)系式，能夠變更電流限制期間的增益 和電流恢復(fù)期間的增益?？傊?，只要能夠在電流限制時(shí)迅速地限制電流，并在電流恢復(fù)時(shí)控 制過渡響應(yīng)以不變?yōu)檫^沖等不穩(wěn)定的控制即可。 此外，在上述實(shí)施方式中，以計(jì)算電流限制值A(chǔ)I，并從作為基準(zhǔn)值的電流值I。減 去電流限制值A(chǔ)I的方式進(jìn)行運(yùn)算，但是不限于此。例如，也可以進(jìn)行直接變更基準(zhǔn)值的運(yùn)算。 根據(jù)本發(fā)明，將單電池的最低單電池電壓低于規(guī)定的最低單電池電壓容許值時(shí)的 系統(tǒng)要求的電流值作為基準(zhǔn)值而進(jìn)行PI補(bǔ)償運(yùn)算，因此，能夠抑制電流限制處理時(shí)系統(tǒng)要 求電力對(duì)應(yīng)于供給電流的下降而上升的現(xiàn)象，能夠在單電池電壓恢復(fù)之前可靠地進(jìn)行電流 限制。此外，根據(jù)本發(fā)明，使限制供給電流時(shí)的增益和恢復(fù)供給電流時(shí)的增益適合于各自的 狀況而變更，因此，能夠確保迅速的電流限制，并且抑制收斂的供給電流的過沖的發(fā)生。
權(quán)利要求
一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有多個(gè)單電池的燃料電池，進(jìn)行如下所述的處理相對(duì)于與系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求電力對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)要求電流進(jìn)行基于該單電池的最低單電池電壓的補(bǔ)償運(yùn)算，由此限制向負(fù)載供給的供給電流，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行該補(bǔ)償運(yùn)算，所述補(bǔ)償運(yùn)算用于以該最低單電池電壓低于規(guī)定的最低單電池電壓容許值時(shí)的該系統(tǒng)要求電流的電流值為基準(zhǔn)值，通過PI補(bǔ)償來限制該供給電流，將限制該供給電流時(shí)的該P(yáng)I補(bǔ)償?shù)脑鲆婧突謴?fù)該供給電流時(shí)的該P(yáng)I補(bǔ)償?shù)脑鲆嬖O(shè)定為不同的值。
2. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在進(jìn)行所述電流限制處理期間所述燃料電池整體的目標(biāo)輸出電壓被變更的情況下，保 持被限制后的供給電流的電流值直至變更后的該目標(biāo)輸出電壓穩(wěn)定，然后重新開始所述電 流限制處理。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在全部的所述單電池電壓高于所述最低單電池電壓容許值且所述系統(tǒng)要求電流的電 流值低于所述被限制后的供給電流的電流值的情況下，解除所述電流限制處理。
4. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，具備單電池電壓檢測(cè)部，檢測(cè)該燃料電池的各單電池的單電池電壓；以及控制運(yùn)算部，根據(jù)從該單電池電壓檢測(cè)部檢測(cè)出的該單電池電壓所得到的所述最低單 電池電壓對(duì)所述系統(tǒng)要求電流進(jìn)行所述PI補(bǔ)償，在設(shè)所述最低單電池電壓相對(duì)于所述最低單電池電壓容許值的偏差為AV、設(shè)比例增 益為Kp、設(shè)積分增益為Ki的情況下，該控制運(yùn)算部根據(jù)KpX AV+KiX E AV的關(guān)系來計(jì)算 用于限制所述供給電流的校正值A(chǔ)I，在限制該供給電流時(shí)和恢復(fù)該供給電流時(shí)，使所述比例增益Kp和積分增益Ki都不同。
5. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，使恢復(fù)所述供給電流時(shí)的所述PI補(bǔ)償?shù)乃鲈鲆姹认拗扑龉┙o電流時(shí)的所述PI補(bǔ) 償?shù)乃鲈鲆嫘　?br> 6. —種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備 燃料電池，具有多個(gè)單電池； 單電池監(jiān)視器，檢測(cè)該單電池的單電池電壓；偏差計(jì)算部，計(jì)算檢測(cè)出的該單電池電壓中的最低單電池電壓和規(guī)定的最低單電池電 壓容許值之間的偏差；PI運(yùn)算部，根據(jù)計(jì)算出的該偏差通過PI補(bǔ)償來計(jì)算出電流限制值；以及 供給電流計(jì)算部，從系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求電流中減去該電流限制值而計(jì)算出供給電流，該供給電流計(jì)算部在該最低單電池電壓為該最低單電池電壓容許值以上的情況下禁 止減去該電流限制值，該P(yáng)I運(yùn)算部將該最低單電池電壓比該最低單電池電壓容許值低時(shí)的該P(yáng)I補(bǔ)償?shù)脑鲆?和該最低單電池電壓為該最低單電池電壓容許值以上時(shí)的該P(yáng)I補(bǔ)償?shù)脑鲆嬖O(shè)定為不同的值。
7. —種燃料電池系統(tǒng)的電流限制方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括具有多個(gè)單電池的燃料 電池、以及根據(jù)系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求電力而計(jì)算出向負(fù)載供給的供給電流的控制部，其 特征在于，使該控制部執(zhí)行如下所述的步驟計(jì)算系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求電流的步驟；檢測(cè)該單電池的最低單電池電壓的步驟；判斷該最低單電池電壓是否低于規(guī)定的最低單電池電壓容許值的步驟；以及 在該最低單電池電壓低于規(guī)定的最低單電池電壓容許值的情況下進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算的步驟，所述補(bǔ)償運(yùn)算用于以該最低單電池電壓低于該最低單電池電壓容許值時(shí)的該系統(tǒng)要求電流的電流值為基準(zhǔn)值，通過PI補(bǔ)償來限制該供給電流，將限制該供給電流時(shí)的該P(yáng)I補(bǔ)償?shù)脑鲆婧突謴?fù)該供給電流時(shí)的該P(yáng)I補(bǔ)償?shù)脑鲆嬖O(shè)定為不同的值。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有多個(gè)單電池的燃料電池，相對(duì)于與系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)要求電力對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)要求電流，進(jìn)行基于單電池的最低單電池電壓(Vm)的補(bǔ)償運(yùn)算，由此進(jìn)行限制向負(fù)載供給的供給電流的處理，其中，以最低單電池電壓(Vm)低于規(guī)定的最低單電池電壓容許值(Vth)時(shí)的系統(tǒng)要求電流(I0)的電流值為基準(zhǔn)值，通過PI補(bǔ)償進(jìn)行用于限制供給電流(I1)的補(bǔ)償運(yùn)算，使限制該供給電流(I1)時(shí)的PI補(bǔ)償?shù)脑鲆婧突謴?fù)供給電流時(shí)的該P(yáng)I補(bǔ)償?shù)脑鲆鏋椴煌闹?。不管在何種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，都能夠可靠地限制系統(tǒng)要求電流，而且在電流限制時(shí)使供給電流迅速響應(yīng)并在電流恢復(fù)時(shí)使供給電流穩(wěn)定地收斂。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101790814SQ20088010471
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2008年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月26日
發(fā)明者今西啟之, 小川朋也, 真鍋晃太 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社