燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明旨在提高轉(zhuǎn)換器控制的響應(yīng)性及精度。一種燃料電池系統(tǒng)，具備：轉(zhuǎn)換器，設(shè)在燃料電池與負(fù)載之間并使燃料電池的輸出升壓；及控制單元，以規(guī)定占空比控制轉(zhuǎn)換器，控制單元根據(jù)使用流過轉(zhuǎn)換器內(nèi)的電抗器的電抗器電流的指令值或/及所述電抗器電流的測(cè)定值算出的前饋占空比及反饋占空比，而決定對(duì)于所述轉(zhuǎn)換器的占空比指令值，其中，控制單元在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將在導(dǎo)通期間的中間的時(shí)刻測(cè)定的中點(diǎn)測(cè)定值上乘以規(guī)定系數(shù)而得到的值設(shè)定為電抗器電流的測(cè)定值。
【專利說明】燃料電池系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具備使燃料電池的輸出升壓的轉(zhuǎn)換器的燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]例如作為搭載于燃料電池車輛的燃料電池系統(tǒng)，已知具備:驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)等負(fù)載、向負(fù)載供給電力的燃料電池、及配置在燃料電池與負(fù)載之間并使燃料電池的輸出升壓的轉(zhuǎn)換器，基于由分別設(shè)在轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)及輸出側(cè)的兩個(gè)電壓傳感器所測(cè)定的轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值和輸出電壓值，對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行反饋控制。
[0003]另外，在這種燃料電池系統(tǒng)中，有時(shí)因每個(gè)電壓傳感器所持有的傳感器誤差而對(duì)轉(zhuǎn)換器的正常的動(dòng)作帶來影響，因此例如專利文獻(xiàn)I中公開的那樣，基于轉(zhuǎn)換器的入口側(cè)電位和出口側(cè)電位之間的電位差而對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓和輸出電壓進(jìn)行控制的技術(shù)也已被開發(fā)。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn):日本特開2011-087439號(hào)
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]在具備轉(zhuǎn)換器的燃料電池系統(tǒng)中，已知伴隨著轉(zhuǎn)換器內(nèi)的開關(guān)元件的周期性的導(dǎo)通/截止，例如圖3及圖4所示，流過轉(zhuǎn)換器內(nèi)的電抗器的電流(以下，電抗器電流)反復(fù)上下波動(dòng)。而且，著眼于上下波動(dòng)的電抗器電流的中點(diǎn)的值與電抗器電流的平均值一致這一事實(shí)，僅對(duì)該中點(diǎn)的值進(jìn)行取樣并將其用于轉(zhuǎn)換器的控制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)響應(yīng)性的提高。
[0008]然而，在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(例如，在燃料電池系統(tǒng)搭載于燃料電池車輛的情況下，相當(dāng)于怠速時(shí)或行駛擁塞時(shí))，電力未積存于轉(zhuǎn)換器的電抗器，例如圖3所示，有時(shí)會(huì)斷斷續(xù)續(xù)地出現(xiàn)電流未流向電抗器的狀態(tài)，即呈現(xiàn)出被稱為所謂的不連續(xù)模式的運(yùn)行狀態(tài)。
[0009]在這種不連續(xù)模式中，在電抗器電流的中點(diǎn)的值與實(shí)際的平均電流值之間產(chǎn)生背離。在表示如圖4所示的稱為連續(xù)模式的運(yùn)行情況的情況下不產(chǎn)生這種背離，因此沒有任何問題，但對(duì)于絲毫不考慮燃料電池的輸出狀態(tài)而總是將電抗器電流的中點(diǎn)的值直接用于轉(zhuǎn)換器的控制的情況，還存在改善的余地。
[0010]作為其對(duì)策，雖然也可考慮根據(jù)燃料電池的輸出狀態(tài)來進(jìn)行改變對(duì)電抗器電流進(jìn)行取樣的時(shí)刻的處理，但存在控制變得冗長或復(fù)雜等課題。
[0011]本發(fā)明鑒于上述情況而完成，其目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換器控制的響應(yīng)性及精度的提高的燃料電池系統(tǒng)。
[0012]為了解決上述課題，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具備:轉(zhuǎn)換器，設(shè)在燃料電池與負(fù)載之間并使所述燃料電池的輸出升壓；及控制單元，以規(guī)定占空比控制所述轉(zhuǎn)換器，所述控制單元根據(jù)使用流過所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)的電抗器的電抗器電流的指令值或/及所述電抗器電流的測(cè)定值算出的前饋占空比及反饋占空比，而決定對(duì)于所述轉(zhuǎn)換器的占空比指令值，其中，所述控制單元在對(duì)于所述燃料電池的要求輸出為規(guī)定值以下的低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將在導(dǎo)通期間的中間的時(shí)刻測(cè)定的中點(diǎn)測(cè)定值上乘以規(guī)定系數(shù)而得到的值設(shè)定為伴隨著以規(guī)定占空比對(duì)所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)的開關(guān)元件進(jìn)行開關(guān)控制而上下波動(dòng)的所述電抗器電流的測(cè)定值。
[0013]在這種構(gòu)成中，在將電抗器電流的測(cè)定值作為中點(diǎn)測(cè)定值的情況下，使用在該中點(diǎn)測(cè)定值上乘以規(guī)定系數(shù)而得到的值作為電抗器電流的測(cè)定值，從而能夠抑制用于反饋控制的電抗器電流的測(cè)定值與實(shí)際電流的平均值的背離。
[0014]在上述的構(gòu)成中，設(shè)所述轉(zhuǎn)換器的輸入電壓及輸出電壓分別為VL及VH，并設(shè)所述前饋占空比為DFF時(shí)，所述規(guī)定系數(shù)也可以為
[0015]DFF.VH/ (VH-VL)。
[0016]在這種構(gòu)成中，不限定于低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，而在其以外的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也能夠使用由通式中求出的測(cè)定值作為用于反饋控制的電抗器電流的測(cè)定值，所以能夠?qū)崿F(xiàn)控制邏輯的統(tǒng)
O
[0017]S卩，所述控制單元在所述低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)以外的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也能夠使用在所述中點(diǎn)測(cè)定值上乘以所述DFF.VH/ (VH-VL)而得到的值作為所述電抗器電流的測(cè)定值。
[0018]另外，也可以取代上述DFF，使用使反饋反映于該DFF的最終指令值(B卩，前饋占空比和反饋占空比的相加值即所述占空比指令值)。
[0019]S卩，設(shè)所述轉(zhuǎn)換器的輸入電壓及輸出電壓分別為VL及VH，并設(shè)所述占空比指令值為D時(shí)，所述規(guī)定系數(shù)也可以為
[0020]D.VH/ (VH-VL) 。
[0021]而且，在這種情況下，所述控制單元在所述低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)以外的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也可以使用在所述中點(diǎn)測(cè)定值上乘以所述D.VH/ (VH-VL)而得到的值作為所述電抗器電流的測(cè)定值。
[0022]發(fā)明效果
[0023]根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換器控制的響應(yīng)性與精度的提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是本實(shí)施方式的燃料電池車輛的電力系統(tǒng)的功能框圖。
[0025]圖2是圖1所示的燃料電池用的升壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。
[0026]圖3是表示流過圖2所示的電抗器的電流的一運(yùn)行情況(不連續(xù)模式)的圖。
[0027]圖4是表示流過圖2所示的電抗器的電流的另一運(yùn)行情況(連續(xù)模式)的圖。
[0028]圖5是將圖3的主要部位放大的說明圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下，參照各圖，說明本發(fā)明的一實(shí)施方式。
[0030]圖1表示本實(shí)施方式的搭載了燃料電池系統(tǒng)的燃料電池車輛的電力系統(tǒng)的功能塊。搭載了燃料電池系統(tǒng)10的燃料電池車輛將通過氧化氣體和燃料氣體的電化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行發(fā)電的燃料電池20作為主電源，將可充放電的蓄電池70作為輔助電源，向牽引逆變器50供給電力而驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)(負(fù)載)80。
[0031]燃料電池20例如是高分子電解質(zhì)型燃料電池，具有層疊多個(gè)單電池而構(gòu)成的堆結(jié)構(gòu)。單電池具有:在由離子交換膜構(gòu)成的電解質(zhì)膜的一面上形成的空氣極、在電解質(zhì)膜的另一面上形成的燃料極、及從兩側(cè)夾入空氣極及燃料極的一對(duì)隔板。
[0032]蓄電池70是作為剩余電力的貯存源、再生制動(dòng)時(shí)的再生能量貯存源、伴隨著燃料電池車輛的加速或減速的負(fù)載變動(dòng)時(shí)的能量緩存器而發(fā)揮功能的蓄電裝置，例如，優(yōu)選二次電池(鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰二次電池等)。
[0033]燃料電池20的輸出電壓通過作為燃料電池用的直流電壓轉(zhuǎn)換器的DC/DC轉(zhuǎn)換器30 (以下，稱為第一轉(zhuǎn)換器30)而升壓至規(guī)定的直流電壓，并供給至牽引逆變器50。另一方面，蓄電池70的輸出電壓通過作為蓄電池用的直流電壓轉(zhuǎn)換器的DC/DC轉(zhuǎn)換器40 (以下，稱為第二轉(zhuǎn)換器40)而升壓至規(guī)定的直流電壓，并供給至牽引逆變器50。
[0034]牽引逆變器50將從燃料電池20和蓄電池70的雙方或任意一方供給的直流電力轉(zhuǎn)換為交流電力(例如，三相交流)，并控制牽引電動(dòng)機(jī)80的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。牽引電動(dòng)機(jī)80例如是三相交流電動(dòng)機(jī)，在車輛行駛時(shí)生成行駛推進(jìn)力，另一方面，在車輛制動(dòng)時(shí)作為電動(dòng)發(fā)電機(jī)而發(fā)揮功能，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能而回收再生電力。
[0035]第二轉(zhuǎn)換器40使燃料電池20的剩余電力或牽引電動(dòng)機(jī)80回收的再生電力降壓而對(duì)蓄電池70進(jìn)行充電。
[0036]控制單元60是具備CPU、ROM、RAM及輸入輸出接口的控制裝置，進(jìn)行燃料電池20的運(yùn)轉(zhuǎn)控制及車載電力轉(zhuǎn)換器(第一轉(zhuǎn)換器30、第二轉(zhuǎn)換器40、及牽引逆變器50)的開關(guān)控制等。
[0037]例如，控制單元60接收到來自點(diǎn)火開關(guān)的起動(dòng)信號(hào)，則開始燃料電池車輛的運(yùn)轉(zhuǎn)，并基于從油門傳感器輸出的油門開度信號(hào)、及從其他傳感器輸出的信號(hào)等來求出燃料電池系統(tǒng)10的要求電力。此外，在圖1中，為方便起見將這些傳感器類總括到一起而用標(biāo)號(hào)90表不。燃料電池系統(tǒng)10的要求電力是車輛行駛電力和輔機(jī)電力的合計(jì)值。
[0038]在輔機(jī)電力中包括由車載輔機(jī)類(加濕器、空氣壓縮機(jī)、氫氣泵、及冷卻水循環(huán)泵等)消耗的電力、由車輛行駛所需的裝置(變速器、車輪控制裝置、轉(zhuǎn)向裝置、及懸架裝置等)消耗的電力、及由配置在乘員空間內(nèi)的裝置(空調(diào)裝置、照明設(shè)備、及音響等)消耗的電力
坐寸ο
[0039]控制單元60決定燃料電池20與蓄電池70的各自的輸出電力的分配，以燃料電池20的發(fā)電電力與目標(biāo)電力一致的方式對(duì)燃料氣體及氧化氣體向燃料電池20的供給量進(jìn)行控制，并且控制第一轉(zhuǎn)換器30并對(duì)燃料電池20的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，從而對(duì)燃料電池20的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)(輸出電壓、輸出電流)進(jìn)行控制。
[0040]而且，控制單元60例如將U相、V相、及W相的各交流電壓指令值作為開關(guān)指令而輸出至牽引逆變器50，并對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)80的輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以獲得與油門開度對(duì)應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。
[0041]圖2表不第一轉(zhuǎn)換器30的電路構(gòu)成。在此，表不公知的直流斬波器作為第一轉(zhuǎn)換器30的一例。第一轉(zhuǎn)換器30具備:作為根據(jù)載波頻率周期性地反復(fù)導(dǎo)通/截止的開關(guān)元件的晶體管Tr、電抗器L、平滑用電容器C、及作為整流元件的二極管D。
[0042]當(dāng)晶體管Tr導(dǎo)通時(shí)，從燃料電池20供給的能量存儲(chǔ)于電抗器L，當(dāng)晶體管Tr截止時(shí)，該存儲(chǔ)的能量經(jīng)由二極管D而傳送至平滑用電容器C。通過反復(fù)該過程，存儲(chǔ)于平滑用電容器C的能量增大，與輸入電壓VL相比能夠提高輸出電壓VH。[0043]在此，輸入電壓VL相當(dāng)于燃料電池20的輸出電壓，輸出電壓VH供給至牽引逆變器50。在這種直流斬波器中，根據(jù)導(dǎo)通期間與截止期間在晶體管Tr的開關(guān)動(dòng)作的一周期內(nèi)所占據(jù)的比率(占空比)來確定升壓的程度。
[0044]圖3及圖4是表示伴隨著晶體管Tr的開關(guān)動(dòng)作而流向電抗器L的電抗器電流的運(yùn)行情況的圖。特別地，圖3是表示在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(例如，相當(dāng)于怠速中或行駛擁塞中)、換言之在對(duì)于燃料電池20的輸出要求為規(guī)定的閾值以下的情況下的電抗器電流的運(yùn)行情況的圖，以下，有時(shí)將表示這種運(yùn)行情況的狀態(tài)稱為不連續(xù)模式。
[0045]另外，圖4是表示包括通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的上述低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)以外的情況下的電抗器電流的運(yùn)行情況的圖，以下，有時(shí)將表示這種運(yùn)行情況的狀態(tài)稱為連續(xù)模式。
[0046]在本實(shí)施方式中，從控制單元60指令至第一轉(zhuǎn)換器30的占空比Dref (占空比指令值)是用于對(duì)流過電抗器L的電抗器電流進(jìn)行前饋控制的前饋占空比(以下，DFF)、和用于對(duì)電抗器電流進(jìn)行反饋控制的反饋占空比(以下，占空比DFB)的相加值。
[0047]占空比DFF是由控制單元60運(yùn)算或使用在具備比控制單元60上位的控制單元的情況下的從該上位的控制單元供給的電抗器電流的指令值Iref而算出的值。另外，占空比DFB是使用所述電抗器電流的指令值Iref與由電流傳感器計(jì)測(cè)的電抗器電流的實(shí)測(cè)值的偏差而算出的值。
[0048]在圖3中，1_是在對(duì)電抗器電流進(jìn)行計(jì)測(cè)的電流傳感器的傳感值(更具體而言，對(duì)傳感器輸出進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后的值)中的在導(dǎo)通期間的中間的時(shí)刻(以下，稱為中點(diǎn))取得的傳感值，以下，有時(shí)稱為電抗器電流的中點(diǎn)測(cè)定值。
[0049]Iave是伴隨著導(dǎo)通與截止而上下波動(dòng)的電抗器電流的平均值。
[0050]而且，在本 實(shí)施方式中，有如下特征:對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中無論燃料電池20的輸出狀態(tài)如何，換言之，無論電抗器電流處于圖3的不連續(xù)模式還是處于圖4的連續(xù)模式，一律作為電抗器電流的中點(diǎn)測(cè)定值而使用于電流反饋控制的占空比DFB的運(yùn)算的Imes，在本實(shí)施方式中取而代之而使用式I所示的Ime;s’。
[0051][數(shù)學(xué)式I]
剛C =
fW I ￡
[0053]如從該式I也能夠理解的那樣，取代Inres而使用Inres’的情況與在Imes上乘以規(guī)定轉(zhuǎn)換系數(shù)即
[0054]VH/ (VH-VL).DFF
[0055]而轉(zhuǎn)換(修改)為Imes’的情況等價(jià)。
[0056]如后述，不論電抗器電流處于不連續(xù)模式還是處于連續(xù)模式，該Imes’都成為與式3所示的Iave相同的值。即，根據(jù)本實(shí)施方式，能夠與電抗器電流的模式處于什么模式無關(guān)地使用共同的控制邏輯來將電抗器電流的中點(diǎn)計(jì)測(cè)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際電流的平均值，因此能夠進(jìn)行正確地捕捉到實(shí)際電流值的高精度且響應(yīng)性較高的轉(zhuǎn)換器控制。
[0057]以下，參照?qǐng)D2及圖3，說明Imes’ =Iave的理由。
[0058]首先，在圖2的電路構(gòu)成中，設(shè)電抗器電流的時(shí)間微分為dl/dt時(shí)，電磁學(xué)上下式成立:
[0059]VL=L.(dl/dt),[0060]因此，
[0061]dI/dt=VL/L0
[0062]另一方面，在圖3的電抗器電流運(yùn)行情況下，設(shè)導(dǎo)通時(shí)間為Ton時(shí)，幾何學(xué)上下式成立:
[0063]Imes= (dl/dt).(Τοη/2)ο
[0064]在此，設(shè)晶體管Tr的開關(guān)周期為T，并設(shè)開關(guān)頻率為f時(shí)，
[0065]Ton=DFF.T
[0066]=DFF.(I/f),
[0067]因此，Imes成為如式2所示。
[0068][數(shù)學(xué)式2]
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具備: 轉(zhuǎn)換器，設(shè)在燃料電池與負(fù)載之間并使所述燃料電池的輸出升壓；及 控制單元，以規(guī)定占空比控制所述轉(zhuǎn)換器， 所述控制單元根據(jù)使用流過所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)的電抗器的電抗器電流的指令值或/及所述電抗器電流的測(cè)定值算出的前饋占空比及反饋占空比，而決定對(duì)于所述轉(zhuǎn)換器的占空比指令值，其中， 所述控制單元在對(duì)于所述燃料電池的要求輸出為規(guī)定值以下的低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將在導(dǎo)通期間的中間的時(shí)刻測(cè)定的中點(diǎn)測(cè)定值上乘以規(guī)定系數(shù)而得到的值設(shè)定為伴隨著以規(guī)定占空比對(duì)所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)的開關(guān)元件進(jìn)行開關(guān)控制而上下波動(dòng)的所述電抗器電流的測(cè)定值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 設(shè)所述轉(zhuǎn)換器的輸入電壓及輸出電壓分別為VL及VH，并設(shè)所述前饋占空比為DFF時(shí)，所述規(guī)定系數(shù)是
DFF.VH/ (VH-VL)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述控制單元在所述低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)以外的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也使用在所述中點(diǎn)測(cè)定值上乘以所述DFF.VH/ (VH-VL)而得到的值作為所述電抗器電流的測(cè)定值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 設(shè)所述轉(zhuǎn)換器的輸入電壓及輸出`電壓分別為VL及VH，并設(shè)所述占空比指令值為D時(shí)，所述規(guī)定系數(shù)是
D.VH/ (VH-VL)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述控制單元在所述低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)以外的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也使用在所述中點(diǎn)測(cè)定值上乘以所述D.VH/ (VH-VL)而得到的值作為所述電抗器電流的測(cè)定值。
【文檔編號(hào)】H02M3/145GK103430438SQ201180068864
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月28日
【發(fā)明者】金子智彥 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社