(57)【要約】【課題】  、低コストかつ簡易な構成でありながら、高精度で安定したモータの駆動制御を実現することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  第２制御装置１６０にエアコンプレッサ７０の目標回転数（ＡＣＰ目標回転数）からインバータ入力電圧を推定する入力電圧推定関数を予め格納しておく。第２制御装置１６０は、第１制御装置１５０からＡＣＰ目標回転数が与えられると、これを入力電圧推定関数に代入することにより、インバータ入力電圧を推定する。第２制御装置１６０は、推定したインバータ入力電圧に基づき、エアコンプレッサモータ６０ａに対応するインバータ５０ａへの出力パルス幅を制御する。【選択図】  図１
2007042451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池へ供給するガス量を調整するためのモータと、
前記燃料電池へ供給する反応ガスのガス量を前記モータの駆動力により調整するポンプと、
前記燃料電池から供給される直流電力を交流電力に変換して前記モータへ供給するインバータと、
前記モータの回転数に基づいて、前記燃料電池から前記インバータへ入力される入力電圧を推定する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記モータの目標回転数を決定する決定手段と、前記モータの実回転数を検出する検出手段とをさらに備え、
前記制御手段は、前記決定手段によって決定される目標回転数、または前記検出手段によって検出される実回転数のいずれかに基づいて、前記入力電圧を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記入力電圧を推定するとともに、前記目標回転数と前記実回転数との偏差を求め、求めた偏差と推定した入力電圧に基づき、前記モータへ供給すべき交流電力を算出し、算出した交流電力を前記インバータへ指示することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記インバータは、パルス幅変調方式のインバータであり、
前記制御手段は、前記偏差と前記入力電圧に基づき前記モータへ供給すべきパルス幅を決定し、決定したパルス幅を前記インバータへ指示することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記モータは、前記燃料電池へ供給する酸化ガスのガス量を調整するポンプのモータであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記入力電圧を検出する電圧センサと、前記電圧センサの異常を検知する検知手段とをさらに備え、
前記制御手段は、前記電圧センサの異常が検知された場合に前記入力電圧を推定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
【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搭載されている各モータ（電動式アクチュエータ）の駆動は、パルス幅変調方式のインバータ（以下、ＰＷＭインバータ）などにより制御される。例えば、燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサを駆動するためのモータの回転数は、ＰＷＭインバータが制御装置から与えられる制御指令に従って出力パルス幅を変更することにより制御される。
【０００３】
ところで、燃料電池からＰＷＭインバータに入力される入力電圧は、システム要求電力などに応じて変動する。かかる入力電圧の変動に応じてモータの回転数は変動するため、該入力電圧の変動によらずモータの回転数を一定に保つためには、この入力電圧の変動分を補う形で出力パルス幅を変更する必要がある。また、この入力電圧の変動を検知してフィードフォワード制御することができれば、精度の高いモータの回転制御が可能となる。
【０００４】
このような事情に鑑み、上記入力電圧を検出する電圧センサを設け、この電圧センサによって検出される入力電圧の変動に応じてインバータの出力パルス幅を変更することにより、モータの回転数を一定に、かつ、精度良く制御する技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３５６０８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術においては、電圧センサを別途設ける必要があり、製造コストが高くなる等の問題がある。また、電圧センサに異常が発生した場合には、インバータの出力パルス幅を適切に制御することができず、モータの制御性能が低下してしまう等の問題もある。
【０００７】
本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、低コストかつ簡易な構成でありながら、高精度で安定したモータの駆動制御を実現することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池へ供給するガス量を調整するためのモータと、前記燃料電池へ供給する反応ガスのガス量を前記モータの駆動力により調整するポンプと、前記燃料電池から供給される直流電力を交流電力に変換して前記モータへ供給するインバータと、前記モータの回転数に基づいて、前記燃料電池から前記インバータへ入力される入力電圧を推定する制御手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、燃料電池へ供給する反応ガスのガス量をモータの駆動力により調整するポンプが設けられ、該モータの回転数に基づいて燃料電池からインバータへ入力される入力電圧を推定する。このため、電圧センサを別途設けることなく、インバータの出力パルス幅を適切に制御することができる。かかる制御により、高精度で安定したモータの駆動制御を実現することが可能となる。
【００１０】
ここで、上記構成にあっては、前記モータの目標回転数を決定する決定手段と、前記モータの実回転数を検出する検出手段とをさらに備え、前記制御手段は、前記決定手段によって決定される目標回転数、または前記検出手段によって検出される実回転数のいずれかに基づいて、前記入力電圧を推定する態様が好ましい。
【００１１】
また、前記制御手段は、前記入力電圧を推定するとともに、前記目標回転数と前記実回転数との偏差を求め、求めた偏差と推定した入力電圧に基づき、前記モータへ供給すべき交流電力を算出し、算出した交流電力を前記インバータへ指示する態様も好ましい。
【００１２】
また、前記インバータは、パルス幅変調方式のインバータであり、前記制御手段は、前記偏差と前記入力電圧に基づき前記モータへ供給すべきパルス幅を決定し、決定したパルス幅を前記インバータへ指示する構成であっても良い。また、前記モータは、前記燃料電池へ供給する酸化ガスのガス量を調整するポンプのモータであっても良い。
【００１３】
また、前記入力電圧を検出する電圧センサと、前記電圧センサの異常を検知する検知手段とをさらに備え、前記制御手段は、前記電圧センサの異常が検知された場合に前記入力電圧を推定する態様であっても良い。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、低コストかつ簡易な構成でありながら、高精度で安定したモータの駆動制御を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
Ａ．第１実施形態
図１は第１実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
【００１７】
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、水素タンクなどの水素供給源１０から燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、エアコンプレッサ７０によって空気などの酸化ガスが供給される。
【００１８】
バッテリ（蓄電器）２０は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリなど）により構成されている。もちろん、バッテリ２０に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。このバッテリ２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して燃料電池４０の放電経路に介挿されている。
【００１９】
燃料電池４０とバッテリ２０とは各インバータ５０ａ、５０ｂ、５０ｃに並列接続されている。燃料電池４０から各インバータ５０ａ、５０ｂ、５０ｃへ向かう経路には、バッテリ２０からの電流の逆流を防ぐためのダイオード４２が設けられている。
【００２０】
各インバータ５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換して各モータ６０ａ、６０ｂ、６０ｃへ供給する。
【００２１】
エアコンプレッサモータ（ガス調整用モータ）６０ａは、エアコンプレッサ（ポンプ）７０による酸化ガスの供給量を調整するためのモータであり、トラクションモータ６０ｂは、車輪８０Ｌ、８０Ｒを駆動するためのモータであり、水素ポンプモータ６０ｃは、燃料ガス循環通路に設けられた水素ポンプ９０を駆動するためのモータであり、水素ポンプ９０の上流には逆止弁９１が設けられている。これら各モータ６０ａ、６０ｂ、６０ｃの回転数は、対応する各インバータ５０ａ、５０ｂ、５０ｃによって制御される。なお、本発明はインバータ５０ａによるエアコンプレッサモータ６０ａの駆動制御に特徴があるため、以下ではこの点を中心に説明する。
【００２２】
第１制御装置１５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。また、第１制御装置（決定手段）１５０は、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ１５、バッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ２１、トラクションモータ６０ｂの回転数を検知するＴ／Ｃモータ回転数検知センサ（検出手段）６１ｂなどから入力される各センサ信号に基づいて、燃料電池４０の目標発電量を算出し、目標発電量に応じたエアコンプレッサ７０の目標回転数（以下、ＡＣＰ目標回転数）を決定する。そして、第１制御装置１５０は、決定したＡＣＰ目標回転数を第２制御装置１６０に指令する。
【００２３】
第２制御装置１６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、インバータ５０ａの電力変換動作を制御する。第２制御装置（制御手段）１６０は、第１制御装置１５０から指令されるＡＣＰ目標回転数と、ＡＣＰ実回転数検知センサ６１ａによって検知されるエアコンプレッサモータ６０ａの実回転数（以下、ＡＣＰ実回転数）との偏差を求め、かかる偏差に基づきインバータ５０ａの出力パルス幅（すなわち、インバータ５０ａへ供給すべき交流電力）を制御する。以下、第２制御装置１６０の制御動作について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
図２は、第２制御装置１６０によって実行されるパルス幅制御処理を示すフローチャートであり、図３は、第２制御装置１６０によって実行されるインバータ入力電圧推定処理を示すフローチャートである。
第２制御装置１６０は、第１制御装置１５０から目標発電量に応じたＡＣＰ目標回転数の指令を受け取った後（ステップＳ１）、ＡＣＰ実回転数検知センサ６１ａからＡＣＰ実回転数を示すセンサ信号を受け取ると（ステップＳ２）、ステップＳ３に進む。第２制御装置１６０は、ＡＣＰ目標回転数とＡＣＰ実回転数の偏差を求め、求めた偏差からＰＩ制御により目標となる燃料電池４０の出力電流（以下、目標電流）を算出した後、図３に示すインバータ入力電圧推定処理を実行する（ステップＳ３→ステップＳ４）。
【００２５】
第２制御装置１６０は、ステップＳ１において得られたＡＣＰ目標回転数を、図４に示す入力電圧推定関数ｆ１に代入することにより、インバータ入力電圧を推定する(ステップＳ４１；図３参照）。入力電圧推定関数ｆ１は、第２制御装置１６０のＲＯＭなどに格納されており、ＡＣＰ目標回転数とインバータ入力電圧（燃料電池４０の出力電圧）は１対１に対応している。この入力電圧推定関数ｆ１は、予め実験などにより求めておけば良く、例えば、図５に示すような関数ｆ２を利用してＡＣＰ目標回転数（酸化ガス供給量に比例）に対応する燃料電池４０の出力電流を求めた後、図６に示すような関数ｆ３を利用して燃料電池４０の出力電流に対応する出力電圧（すなわち、インバータ入力電圧）を求める。これらをまとめることで、図４に示すような入力電圧推定関数ｆ１を得る。なお、入力電圧推定関数ｆ１の代わりに（あるいはこれに加えて）図５及び図６に示すような関数ｆ２、ｆ３をＲＯＭなどに格納し、これらの関数を利用してインバータ入力電圧を推定しても良い。また、入力電圧推定関数ｆ１の代わりにＡＣＰ目標回転数とインバータ入力電圧が１対１に対応したテーブルをＲＯＭなどに格納しても良い。また、ＡＣＰ目標回転数の代わりに、ＡＣＰ実回転数を利用してインバータ入力電圧を推定しても良い。
【００２６】
第２制御装置１６０は、インバータ入力電圧を推定すると、このインバータ入力電圧とステップＳ３において求めた目標電流からインバータ５０ａの目標パルス幅を算出する（ステップＳ５）。ただし、燃料電池４０の目標電流と燃料電池４０の実際の出力電流（以下、実電流）との間にはずれが生じている。このため、本実施形態では、さらに電流センサ４３（図１参照）によって検知される燃料電池４０の実電流と目標電流との偏差を求め、求めた偏差からＰＩ制御によりインバータ５０ａの最終目標パルス幅を算出する（ステップＳ６）。第２制御装置１６０は、算出した最終目標パルス幅をパルス幅制御指令としてインバータ５０ａに送出し（ステップＳ７）、処理を終了する。
【００２７】
インバータ５０ａは、第２制御装置１６０から与えられるパルス幅制御指令に応じて出力パルス幅を変更（補正）し、これをエアコンプレッサモータ６０ａに供給する。この結果、インバータ５０ａの入力電圧の変動によらず、エアコンプレッサモータ６０ａの回転数を一定に、かつ、精度良く制御することが可能となる。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態によれば、ＡＣＰ実回転数からインバータ入力電圧を推定し、このインバータ入力電圧を利用してインバータの出力パルス幅を補正する。このため、従来に比して低コストかつ簡易な構成でありながら、高精度で安定したモータの駆動制御を実現することが可能となる。
【００２９】
Ｂ．第２実施形態
上述した第１実施形態では、電圧センサを別途設けることなくインバータ入力電圧を推定したが、電圧センサを別途設けた場合にも適用可能である。
図７は、第２実施形態に係るパルス幅制御処理を示すフローチャートであり、前掲図２に対応する図である。なお、図２と同様のステップについては同一符号を付し、詳細な説明は割愛する。
第２制御装置（検知手段）１６０は、ステップＳ３において燃料電池４０の目標電流を算出すると、ステップＳ３ａに進み、インバータ入力電圧を検出する入力電圧センサ（図示略）に異常が生じているか否かを判断する。具体的には、入力電圧センサによって検出されるインバータ入力電圧が設定された閾値範囲内（Ｖ０〜Ｖ２など）であるか否かを判断し、当該範囲外であれば入力電圧センサに異常が生じていると判断する一方、当該範囲内であれば入力電圧センサに異常が生じていないと判断する。なお、入力電圧センサに異常が生じているか否かの判断方法は、システム設計などに応じて任意に設定可能である。
【００３０】
第２制御装置１６０は、入力電圧センサに異常が生じていると判断すると（ステップＳ３ａ；ＹＥＳ）、ステップＳ４に進み、第１実施形態と同様、インバータ入力電圧推定処理（図３参照）を実行する。一方、第２制御装置１６０は、入力電圧センサに異常が生じていない（すなわち、入力電圧センサが正常である）と判断すると（ステップＳ３ａ；ＮＯ）、ステップＳ３ｂに進み、入力電圧センサの読み込みを行った後、ステップＳ５に進む。この後の処理については、第１実施形態と同様であるため、これ以上の説明は省略する。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態によれば、インバータ入力電圧を検出する電圧センサが故障した場合であっても、インバータ入力電圧を推定し、このインバータ入力電圧を利用してインバータの出力パルス幅を補正するため、常に高精度で安定したモータの駆動制御を実現することが可能となる。
【００３２】
以上説明した各実施形態では、ＰＷＭインバータを例に説明したが、他の方式のインバータにも同様に適用可能である。また、上記各実施形態では、酸化ガスの流量を調整するモータ６０ａの駆動を制御する場合について説明したが、例えば燃料ガスの流量を調整する調圧弁（図示略）の弁開度などをモータによって制御する場合についても同様に適用可能である。また、エアコンプレッサ７０の代わりにブロアを採用しても良いのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池の要部構成を示す図である。
【図２】同実施形態に係るパルス幅制御処理を示すフローチャートである。
【図３】同実施形態に係るインバータ入力電圧推定処理を示すフローチャートである。
【図４】同実施形態に係る入力電圧推定関数を示す図である。
【図５】同実施形態に係るＡＣＰ目標回転数と出力電流の関係を示す図である。
【図６】同実施形態に係る出力電圧と出力電流の関係を示す図である。
【図７】第２実施形態に係るパルス幅制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３４】
１０・・・水素供給源、４０・・・燃料電池、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ・・・インバータ、６０ａ・・・エアコンプレッサモータ、６０ｂ・・・トラクションモータ、６０ｃ・・・水素ポンプモータ、６１ａ・・・ＡＣＰ実回転数検知センサ、６１ｂ・・・Ｔ／Ｃモータ回転数検知センサ、１５・・・アクセルペダルセンサ、２１・・・ＳＯＣセンサ、７０・・・エアコンプレッサ、１５０・・・第１制御装置、１６０・・・第２制御装置、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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【図６】
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【図７】
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