(57)【要約】【課題】低分解能回路においても検出した電流値と実際の電流値との誤差を低減できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、電流値を検出してアナログ電流出力を生成する電流センサと、アナログ電流出力に応じたデジタル電流出力を出力するデジタル化回路と、デジタル電流出力から電流値を算出する算出部と、を備える。デジタル化回路は、低分解能デジタル電流出力を生成する低分解能回路と、高分解能デジタル電流出力を生成する高分解能回路とを含み、高分解能回路は、低分解能回路より電流計測レンジが狭く、１ビット当りの電流値が小さい。算出部は、高分解能デジタル電流出力が正しい電流値を示すものと見なして、高分解能デジタル電流出力と低分解能デジタル電流出力との関係から、低分解能デジタル電流出力と電流値との関係を補正し、電流値が高分解能回路の電流計測レンジを外れる場合に、低分解能デジタル電流出力を用いて電流値を算出する。【選択図】図３
2019079756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
該燃料電池システムの電流値を検出してアナログ電流出力を生成する電流センサと、
前記アナログ電流出力を受けて前記アナログ電流出力に応じたデジタル電流出力を出力するデジタル化回路と、
前記デジタル電流出力から前記電流値を算出する算出部と、を備え、
前記デジタル化回路は、低分解能デジタル電流出力を生成する低分解能回路と、高分解能デジタル電流出力を生成する高分解能回路とを含み、
前記高分解能回路は、前記低分解能回路より電流計測レンジが狭く、かつ、１ビット当りの電流値が小さく、
前記算出部は、前記高分解能デジタル電流出力が正しい電流値を示すものと見なして、前記高分解能デジタル電流出力と前記低分解能デジタル電流出力との関係から、前記低分解能デジタル電流出力と前記電流値との関係を補正し、前記電流値が前記高分解能回路の前記電流計測レンジを外れる場合に、前記低分解能デジタル電流出力を用いて前記電流値を算出する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、電流センサを用いて電流値を検出するものが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、電流センサが検出した電流値と実際の電流値との誤差（原点誤差ともいう）を検知する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−００９１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、本願の発明者は、電流値を広い計測レンジで高精度に測定するために、電流センサが検出したアナログ電流値をデジタル化するデジタル化回路として、高分解能回路と低分解能回路とを含む複数系統の回路を備える構成を考案した。しかし、この場合、低分解能回路は計測できる電流値の幅（以下、「電流計測レンジ」という）が広いため、検出された電流値と実際の電流値との誤差が生じるおそれがあるという問題があることを見出した。そのため、低分解能回路においても検出した電流値と実際の電流値との誤差を低減できる技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、該燃料電池システムの電流値を検出してアナログ電流出力を生成する電流センサと；前記アナログ電流出力を受けて前記アナログ電流出力に応じたデジタル電流出力を出力するデジタル化回路と；前記デジタル電流出力から前記電流値を算出する算出部と、を備える。前記デジタル化回路は、低分解能デジタル電流出力を生成する低分解能回路と、高分解能デジタル電流出力を生成する高分解能回路とを含み；前記高分解能回路は、前記低分解能回路より電流計測レンジが狭く、かつ、１ビット当りの電流値が小さく；前記算出部は、前記高分解能デジタル電流出力が正しい電流値を示すものと見なして、前記高分解能デジタル電流出力と前記低分解能デジタル電流出力との関係から、前記低分解能デジタル電流出力と前記電流値との関係を補正し、前記電流値が前記高分解能回路の前記電流計測レンジを外れる場合に、前記低分解能デジタル電流出力を用いて前記電流値を算出する。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、高分解能デジタル電流出力と低分解能デジタル電流出力との関係から、低分解能デジタル電流出力と電流値との関係を補正するので、低分解能回路においても検出した電流値と実際の電流値との誤差を低減できる。
【０００７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。
【図２】制御部内で電流測定に関係する構成の一例を示す概略構成図である。
【図３】補正値算出処理の手順の一例を表わすフローチャートである。
【図４】デジタル電流出力と電流値との関係を示すグラフである。
【図５】補正出処理の手順の一例を表わすフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、第１コンバータ１１と、二次電池２０と、第２コンバータ２１と、インバータ３０と、モータ４０と、制御部５０と、電流センサ６０と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。
【００１０】
燃料電池１０は、例えば、反応ガスとして水素ガス（アノードガス）と空気（カソードガス）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数のセル（図示せず）が積層されて構成されている。各セルは、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを有する。燃料電池１０によって発電された電力は、第１コンバータ１１と第２コンバータ２１とを介して二次電池２０に蓄電される。
【００１１】
第１コンバータ１１は、例えば、非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータである。第１コンバータ１１は、燃料電池１０に接続され、制御部５０の制御に応じて、燃料電池１０の出力電圧を昇圧して出力する。第１コンバータ１１は、ＦＣコンバータともいう。
【００１２】
第２コンバータ２１は、例えば、非絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。第２コンバータ２１は、第１コンバータ１１と二次電池２０との間に配置され、制御部５０の制御に応じて、電圧を昇圧または降圧して出力する。第２コンバータ２１は、バッテリコンバータともいう。
【００１３】
インバータ３０は、燃料電池１０から供給される直流電力を例えば３相交流電力へ変換し、モータ４０に供給する。モータ４０としては、例えば、カソードガスのコンプレッサ用のモータが利用される。なお、モータ４０として、交流駆動のモータではなく、直流駆動のモータを採用してもよい。この場合、インバータ３０は、省略可能である。
【００１４】
制御部５０は、ＣＰＵとメモリと、上述した各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部５０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）５１の指示に応じて、燃料電池１０内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。ＥＣＵ５１は、燃料電池システム１００を含む装置全体（例えば、車両）の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏込量やブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてＥＣＵ５１が車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵ５１は、制御部５０の機能の一部に含まれていてもよい。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行うと共に、後述する補正値算出処理、および補正処理を実現する。制御部５０には、配線６２を介して電流センサ６０が接続されている。
【００１５】
電流センサ６０は、燃料電池システム１００の電流値を検出し、配線６２を介して制御部５０に送信する。本実施形態においては、電流センサ６０は、インバータ３０の出力電流値を検出する。本実施形態において、電流センサ６０は、インバータ３０とモータ４０とを接続する３相配線の内の２本の配線に設けられているが、１本以上の配線に設けられていればよい。
【００１６】
図２は、本実施形態における、制御部５０内で電流測定に関係する構成の一例を示す概略構成図である。制御部５０は、デジタル化回路７０と算出部５５とを有している。デジタル化回路７０は、低分解能デジタル電流出力Ｄｌを生成する低分解能回路８０と、高分解能デジタル電流出力Ｄｈを生成する高分解能回路９０とを含む。高分解能回路９０は、低分解能回路８０より電流計測レンジが狭く、かつ、１ビット当りの電流値が小さい。高分解能回路９０は、低分解能回路８０のα倍（α＞１）の分解能を有する。本実施形態では、α＝２である。
【００１７】
低分解能回路８０および高分解能回路９０は、それぞれ増幅器８１、９１と、アナログ／デジタル変換器（以下、「ＡＤＣ」という）８２、９２とを備える。増幅器８１、９１は、電流センサ６０から出力されるアナログ電流出力Ｓｉを増幅する。低分解能回路８０の増幅器８１の増幅率Ｍｌは、高分解能回路９０の増幅器９１の増幅率Ｍｈの１／α倍に設定されている。ＡＤＣ８２、９２は、それぞれ増幅されたアナログ電流出力Ａｌ、Ａｈをデジタル電流出力Ｄｌ、Ｄｈに変換する。
【００１８】
二つの増幅器８１、増幅器９１の増幅率Ｍｌ、Ｍｈの比α（＝Ｍｈ／Ｍｌ）は、低分解能回路８０と高分解能回路９０の分解能の比に等しく、理想的には一定である。しかし、現実には回路内の抵抗値の精度バラツキや周囲温度の影響によって増幅率Ｍｌ、Ｍｈの比αが変動してしまい、電流値の測定精度が悪化する場合がある。そこで、算出部５５は、以下に詳述するように、高分解能デジタル電流出力Ｄｈが正しい電流値を示すものと見なして、高分解能デジタル電流出力Ｄｈと低分解能デジタル電流出力Ｄｌとの関係から、低分解能デジタル電流出力Ｄｌと電流値との関係を補正する。
【００１９】
図３は、本実施形態における、補正値算出処理の手順の一例を表わすフローチャートである。この処理は燃料電池システム１００の動作中、制御部５０により繰り返し実行されてもよいし、１度だけ実行されてもよい。
【００２０】
制御部５０は、まず、ステップＳ１００において、燃料電池システム１００が間欠運転中かどうかを判断する。「間欠運転」とは、燃料電池システム１００の運転を維持しながら燃料電池１０の発電を一時的に停止させる運転を意味する。また、セルの電圧が開回路電圧となるのを避けるために小さな電流を燃料電池１０から発生させる場合も、実質的に発電を行っていないので、「間欠運転」に含まれる。間欠運転中はインバータ３０の出力電流の変動がほとんど無い状態に設定し得るので、補正値の算出に適している。燃料電池システム１００が間欠運転中でない場合、制御部５０は、補正値算出処理を終了する。一方、燃料電池システム１００が間欠運転中の場合、制御部５０は、ステップＳ１１０に進み、モータ４０を複数の駆動状態で駆動して、複数の電流値に対するデジタル電流出力Ｄｌ、Ｄｈを取得する。
【００２１】
ステップＳ１１０でデジタル電流出力Ｄｌ、Ｄｈを取得した後、算出部５５は、ステップＳ１２０で、デジタル電流出力Ｄｌ、Ｄｈと電流値との関係を算出する。より具体的には、算出部５５は、高分解能デジタル電流出力Ｄｈが正しい電流値を示すものと見なして、高分解能デジタル電流出力Ｄｈと電流値との関係および、低分解能デジタル電流出力Ｄｌと電流値との関係を算出する。
【００２２】
図４は、デジタル電流出力Ｄｌ、Ｄｈと電流値Ｉとの関係を示すグラフである。このグラフの縦軸はデジタル電流出力Ｄｌ、Ｄｈを示し、横軸は、電流値Ｉを示している。ここでは、高分解能特性Ｇｈと、低分解能特性Ｇｌと、補正後の低分解能特性Ｇｌ＊と、を表す３つの直線が描かれている。
【００２３】
高分解能特性Ｇｈとは、高分解能デジタル電流出力Ｄｈが正しい電流値Ｉを示すものと見なして両者の関係を示した直線である。従って、測定された高分解能デジタル電流出力Ｄｈの点は、この直線上にある。低分解能特性Ｇｌは、高分解能デジタル電流出力Ｄｈが正しい電流値Ｉを示すものと見なして、低分解能デジタル電流出力Ｄｌと電流値Ｉとの関係をプロットし、線形化した直線である。本実施形態において、この線形化は原点を通る近似直線を求める処理である。補正後の低分解能特性Ｇｌ＊は、高分解能特性Ｇｈと、測定された低分解能特性Ｇｌにより求めた、望ましい低分解能特性である。低分解能特性Ｇｌ、Ｇｌ＊で計測できる最大電流値Ｉｌｍａｘは、高分解能特性Ｇｈで計測できる最大電流値Ｉｈｍａｘのα倍である。本実施形態において、α＝２であるため、最大電流値Ｉｌｍａｘは最大電流値Ｉｈｍａｘの２倍である。
【００２４】
次に、算出部５５は、図３に示すステップＳ１３０に進み、補正値を算出する。補正値とは、低分解能デジタル電流出力Ｄｌと電流値Ｉとの関係を補正するための係数である。本実施形態において、補正値は次の式（１）〜（３）で求めることができる。
【００２５】
β ＝ （ Ｋｈ ／ Ｋｌ ） ／ α …（１）
Ｄｌ ＝ Ｋｌ ・ Ｉ …（２）
Ｄｈ ＝ Ｋｈ ・ Ｉ …（３）
ここで、βは補正値、αは分解能比、Ｋｈは高分解能特性Ｇｈの係数、Ｋｌは低分解能特性Ｇｌの係数である。本実施形態において分解能比αは２である。
【００２６】
低分解能デジタル電流出力Ｄｌ、高分解能デジタル電流出力Ｄｈは測定値であり、係数Ｋｈは既知、係数Ｋｌは線形化により得られた傾きである。補正後の望ましい低分解能特性Ｇｌ＊は次の式（４）で与えられる。
【００２７】
Ｄｌ＊ ＝ Ｋｌ＊ ・ Ｉ
＝ （ Ｋｈ ／ α ） ・ Ｉ …（４）
【００２８】
補正後の低分解能デジタル電流出力Ｄｌ＊と測定されたデジタル電流出力Ｄｌの関係は次の式（５）の通りである。
【００２９】
（ Ｄｌ＊ ／ Ｄｌ ） ＝ （ Ｋｌ＊ ・ Ｉ ） ／ （ Ｋｌ ・ Ｉ ）
＝ （ Ｋｈ ／ α ・ Ｉ ） ／ （ Ｋｌ ・ Ｉ ）
＝ （ Ｋｈ ／ Ｋｌ ） ／ α
＝ β …（５）
【００３０】
上述した関係から、補正後の低分解能特性Ｇｌ＊を用いると、電流値Ｉは次の式（６）で与えられる。
【００３１】
Ｉ ＝ Ｄｌ＊ ／ （ Ｋｈ ／ α ） …（６）
【００３２】
最後に、算出部５５は、算出した補正値βをステップＳ１４０において保存する。補正値の保存先は、例えば制御部５０が備えるバックアップ用のＲＡＭである。
【００３３】
図５は、本実施形態における、補正出処理の手順の一例を表わすフローチャートである。この処理は燃料電池システム１００の動作中、制御部５０により繰り返し実行される。
【００３４】
まず、制御部５０はステップＳ２００において、電流値が高分解能回路９０の電流計測レンジに収まっているかどうか判断する。電流値が高分解能回路９０の電流計測レンジ内の場合、算出部５５は補正処理を終了する。一方、電流値が高分解能回路９０の電流計測レンジ外の場合、ステップＳ２１０に進み、算出部５５が電流値を補正する。より具体的には、次の式（７）によって低分解能デジタル電流出力Ｄｌを補正する。
【００３５】
Ｄｌ＊ ＝ Ｄｌ ・ β …（７）
算出部５５は、補正後の低分解能デジタル電流出力Ｄｌ＊を用いて、上述した式（６）に従って電流値Ｉを求める。
【００３６】
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部５０は、高分解能デジタル電流出力Ｄｈと低分解能デジタル電流出力Ｄｌとの関係から、低分解能デジタル電流出力Ｄｌと電流値Ｉとの関係を補正するので、低分解能回路８０においても検出した電流値Ｉと実際の電流値との誤差を低減できる。
【００３７】
Ｂ．その他の実施形態：
上記実施形態において、電流センサ６０はインバータ３０の出力電流値を検出している。この代わりに、例えば、燃料電池１０の出力電流値等の他の箇所の電流値を検出してもよい。
【００３８】
また、上記実施形態において、制御部５０は、間欠運転中に補正値算出処理を行っている。この代わりに、制御部５０は、間欠運転ではない通常運転中であって電流変動が小さい場合、例えば、燃料電池システム１００が搭載された燃料電池車両が平坦な高速道路を走行している場合に、補正値算出処理を行ってもよい。
【００３９】
また、上記実施形態において、算出部５５は、低分解能特性Ｇｌが原点を通るように算出している。このかわりに、算出部５５は、原点を通らないで、デジタル電流出力よりプロットした点のみを使って低分解能特性Ｇｌを算出してもよい。
【００４０】
また、上記実施形態において、制御部５０は、補正処理におけるステップＳ２００（図５）で電流値が高分解能回路９０の電流計測レンジに収まっているかどうか判断している。この代わりに、燃料電池システム１００における負荷で判断してもよい。例えば、モータ４０のトルク値によって補正処理を行うかどうか判断できる。
【００４１】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池
１１…第１コンバータ
２０…二次電池
２１…第２コンバータ
３０…インバータ
４０…モータ
５０…制御部
５１…ＥＣＵ
５５…算出部
６０…電流センサ
６２…配線
７０…デジタル化回路
８０…低分解能回路
８１、９１…増幅器
８２、９２…アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）
９０…高分解能回路
１００…燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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