燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法_2

文档序号:9423031阅读:来源:国知局
和行驶马达43的再生电力。充入蓄电池45的电力根据需要被供给到正极压缩机23等辅机类以及行驶马达43。
[0044]DC/DC转换器46是使燃料电池堆I的输出电压升降的双向性的电压转换机。通过利用DC/DC转换器46对燃料电池堆I的输出电压进行控制,来控制燃料电池堆I的输出电流,进而控制发电电力。
[0045]控制器5由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微型计算机构成。除了来自上述的电流传感器41、电压传感器42的信号以外,来自加速踏板行程传感器51、S0C(State Of Charge:充电率)传感器52、蓄电池温度传感器53等控制燃料电池系统100所需的各种传感器的信号也被输入到控制器5,其中,该加速踏板行程传感器51检测加速踏板的踏下量(以下称为“加速操作量”。),该SOC传感器52检测蓄电池45的充电量,该蓄电池温度传感器53检测蓄电池45的温度。
[0046]图2是表示燃料电池堆I的温度与燃料电池堆I的电流电压特性(以下称为“IV特性”。)的关系的图。在图2中,以实线示出的IV特性是燃料电池堆I的暖机完成后的IV特性(以下称为“基准IV特性”。)。
[0047]如图2所示,燃料电池堆I的IV特性根据燃料电池堆I的温度而变化,燃料电池堆I的温度越低,则从燃料电池取出相同电流值的输出电流时的输出电压越低。即,燃料电池堆I的温度越低时,燃料电池堆I的发电效率下降得越多。
[0048]若在燃料电池堆I的发电效率下降的状态下允许车辆行驶,则存在以下担忧:当在行驶时行驶马达43的要求电力变大而燃料电池堆I的输出电流增加时,燃料电池堆I的输出电压低于最低电压。在此,最低电压是预先通过实验等而设定的电压值,是当燃料电池堆I的输出电压低于最低电压时无法再驱动行驶马达43的电压值。
[0049]因而,在燃料电池系统100启动后,需要在对燃料电池堆I进行暖机的同时,确认与燃料电池堆I的温度上升相应地时时刻刻变化的IV特性已变为即使驱动行驶马达43、燃料电池堆I的输出电压也不会低于最低电压的IV特性,来发出车辆的行驶允许。以图2来说,需要确认已变为燃料电池堆I的输出电流成为行驶允许电流时的输出电压不低于最低电压的IV特性,来发出车辆的行驶允许。行驶允许电流是将在驱动行驶马达43来使车辆起步或行驶的情况下设想的输出电流的最低值与规定的余量相加所得的值,是预先通过实验等而设定的值。
[0050]然而,在未发出行驶允许的暖机时能够通电的电气部件限于除行驶马达43以外的正极压缩机23、对冷却燃料电池堆I的冷却水进行加热的加热器等辅机和蓄电池45。也就是说,在未发出行驶允许的暖机时,无法从燃料电池堆I取出辅机和蓄电池45所能流通的电流以上的输出电流。
[0051]因而,未发出行驶允许的暖机时的输出电流的最大值(以下“行驶允许前最大电流”)为将辅机所能流通的电流(以下称为“辅机消耗电流”。)与蓄电池45所能流通的电流(以下称为“充电电流”。)相加所得的值,而该行驶允许前最大电流为小于行驶允许电流的值。
[0052]因此,在未发出行驶允许的暖机时,无法从燃料电池堆I取出行驶允许电流,因此无法实际判定从燃料电池堆I取出行驶允许电流时的输出电压是否低于最低电压。
[0053]因此,在本实施方式中,在燃料电池系统100启动后,在对燃料电池堆I进行暖机的同时估计燃料电池堆I的IV特性,在估计出的IV特性变为即使驱动行驶马达43、燃料电池堆I的输出电压也不会低于最低电压的IV特性的时间点,发出车辆的行驶允许。
[0054]图3是说明燃料电池系统100启动时的燃料电池堆I的IV特性的估计方法的图。在图3中,实线表示基准IV特性。虚线表示未发出行驶允许的暖机中的某个时间点的实际的IV特性(以下称为“实际IV特性”。)。
[0055]在未发出行驶允许的暖机时,仅能够使输出电流增大到行驶允许前最大电流。因此,无法实际检测行驶允许前最大电流以上的区域中的实际IV特性。
[0056]在此,实验证明:基准IV特性上的电压(以下称为“基准电压”。)Vb与实际IV特性上的电压(即,由电压传感器检测出的实际输出电压)Vr之间的电压差AV是如以下的
(3)式所示那样随着输出电流I的增加而单调递增的一次函数。
[0057]AV = AXI+B…(3)
[0058]因而,只要使输出电流在到行驶允许前最大电流为止的区间内变动、并基于至少任意两点的实际输出电流Ir所对应的基准电压Vb和实际输出电压Vr求出电压差△ V,就能够计算出(3)式的斜率A和截距B。只要能够计算出斜率A和截距B,就能够计算出行驶允许前最大电流以上的区域的任意的输出电流下的电压差AV。因此,通过从基准电压Vb减去电压差AV,能够如图3中点划线所示的那样描绘出行驶允许前最大电流以上的区域中的实际IV特性。
[0059]此外,如图3所示,在输出电流变为IV估计下限电流之前,因活化极化引起的压降大,与输出电流的变动相对的输出电压的变动相对较大,因此近似精度下降。因此,在本实施方式中,使输出电流在IV估计下限电流至行驶允许前最大电流之间(以下称为“数据获取区域”。)以固定量以上的振幅变动,来获取数据获取区域内的至少两个点以上的输出电流值所对应的基准电压和实际输出电压的数据,通过迭代最小二乘法来计算(3)式的斜率A和截距B。
[0060]在此,在使输出电流在数据获取区域内变动来获取此时的基准电压和实际输出电压的数据的情况下,考虑了一边使输出电流增加一边获取数据的方法和一边使输出电流下降一边获取数据的方法。在本实施方式中,基于以下的理由,一边使输出电流下降一边获取数据。
[0061]图4是说明一边使输出电流下降一边获取数据的理由的图。图4的(A)是表示燃料电池系统100启动时的燃料电池堆I的实际IV特性的推移、基于一边使输出电流增加一边获取得到的数据而估计出的IV特性(点划线)、以及基于一边使输出电流下降一边获取得到的数据而估计出的IV特性(虚线)的图。图4的(B)是与输出电流相应地示出基准IV特性与实际IV特性及估计出的IV特性之间的电压差的图。
[0062]在燃料电池堆I的暖机中,在使输出电流以固定量以上的振幅变动来获取数据的期间内,IV特性也朝向基准IV特性逐渐恢复。因而,如图4的㈧所示那样,数据获取开始时的实际IV特性与数据获取结束时的实际IV特性相比,数据获取结束时的IV特性为优于数据获取开始时的IV特性的IV特性。
[0063]这样一来,当如图4的⑶中点划线所示的那样、基于一边使输出电流在数据获取区域内增加一边在任意的输出电流值时获取得到的数据(基准电压和实际输出电压)来计算(3)式的斜率A和截距B时,计算出的斜率A会变得小于基准电压与数据获取结束时的实际IV特性上的电压之间的电压差AV的一次函数的斜率。
[0064]因此,如图4的㈧中点划线所示那样,基于一边使输出电流在数据获取区域内增加一边获取得到的数据而估计出的IV特性会变为优于数据获取结束时的实际IV特性的IV特性。若基于优于实际的IV特性的IV特性来发出行驶允许,则存在以下担忧:在输出电流因车辆行驶而增加时,输出电压低于驱动车辆行驶用的马达所需的最低电压。
[0065]与此相对,当如图4的⑶中虚线所示的那样、基于一边使输出电流在数据获取区域内下降一边在任意的输出电流值时获取得到的数据来计算(3)式的斜率A和截距B时,计算出的斜率A大于基准电压与数据获取结束时的实际IV特性上的电压之间的电压差AV的一次函数的斜率。
[0066]因此,如图4的⑶中点划线所示那样,基于一边使输出电流在数据获取区域内下降一边获取得到的数据而估计出的IV特性为差于数据获取结束时的实际IV特性的IV特性。如果基于差于实际的IV特性的IV特性来发出行驶允许,则即使输出电流因车辆行驶而增加,也不存在输出电压低于最低电压的担忧。
[0067]另外,为了确保IV特性的估计精度,需要基于使燃料电池的输出电流以固定量以上的电流幅度变化时的数据来估计IV特性。因此,当在因燃料电池内的水、冰的影响而发电不稳定的暖机中使燃料电池的输出电流急剧上升规定的电流幅度的量以高精度地估计IV特性时,存在由于该急剧的电流变化而发生电压下降的担忧。
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