DE112011106077B4

DE112011106077B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112011106077B4
Application number: DE112011106077.7T
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA JIDOSHA K. K. Kaneko Tomohiko
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: CN103430438A; US20130176759A1; DE112011106077T5; JPWO2013098999A1; US9124192B2; JP5454987B2; CN103430438B; WO2013098999A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: einen Wandler (30), der zwischen einer Brennstoffzelle und einer Last (80) angeordnet ist, um eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu erhöhen; und eine Steuereinheit (60), die den Wandler (30) mit einem vorgegebenen Tastverhältnis steuert, wobei die Steuereinheit (60) einen Schaltbefehlswert für den Wandler (30) aus einem feed-forward Wert und einem feed-back Wert bestimmt, wobei der feed-forward Wert unter Verwendung eines Sollwertes eines Drosselstromes, der durch eine Drosselspule (L) im Wandler (30) fließt, berechnet wird, und der feed-back Wert unter Verwendung des Sollwertes des Drosselstromes und einer Abweichung von einem aktuellen Messwert des Drosselstromes berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass, bei einem Niedriglastbetrieb, in welchem eine von der Brennstoffzelle benötigte Ausgangsleistung gleich oder geringer ist, als ein vorgegebener Wert, die Steuereinheit (60) einen Wert, der durch Multiplizieren eines mittleren Messwertes (Imes), der zu einem Zwischenzeitpunkt einer Einschaltzeitdauer gemessen wurde, mit einem vorgegebenen Koeffizienten erhalten wird, als Messwert des Drosselstromes, der einhergehend mit der Schaltsteuerung einer Schaltvorrichtung im Wandler (30) in einem vorgegebenen Tastverhältnis ansteigt und abfällt, setzt, wobei der vorgegebene Koeffizient definiert ist als: DFF·VH/(VH – VL),wobei VL und VH jeweils eine Eingangsspannung und eine Ausgangsspannung des Wandlers (30) darstellen und DFF den feed-forward Wert darstellt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Wandler, der eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle erhöht.
Stand der Technik
Ein bekanntes Beispiel für ein Brennstoffzellensystem, das an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert wird, umfasst: eine Last, beispielsweise einen Antriebsmotor; eine Brennstoffzelle, die der Last elektrische Leistung zuführt; und einen Wandler, der zwischen der Brennstoffzelle und der Last angeordnet ist, um eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu erhöhen, wobei der Wandler basierend auf einem Eingangsspannungswert und einem Ausgangsspannungswert des Wandlers, die vermittels zweier Spannungssensoren gemessen werden, die an einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Wandlers angeordnet sind, feed-back gesteuert bzw. geregelt wird.
Bei dieser Art von Brennstoffzellensystem wurden, da Sensorfehler der jeweiligen Spannungssensoren den akkuraten Betrieb des Wandlers beeinflussen können, Techniken, wie beispielsweise jene der JP 2011-087439 A , entwickelt, um die Eingangs- und Ausgangsspannung des Wandlers basierend auf einer Potentialdifferenz zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Wandlers zu steuern.
Aus der US 2010/0198421 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das einen Wandler aufweist, der in einem vorgegebenen Tastverhältnis angesteuert wird. Der Schaltbefehlswert für den Wandler wird dabei aus einem feed-forward Wert und einem feed-back Wert bestimmt, die unter Verwendung eines Sollwert eines Drosselstromes und/oder eines Messwertes des Drosselstromes berechnet werden.
Ein weitere Wandler, bei welchem in einem Niedriglastbetrieb eine Steuereinheit einen Wert, der durch Multiplizieren eines mittleren Messwertes mit einem vorgegebenen Koeffizienten erhalten wird, als Messwert eines Drosselstromes setzt, ist zudem Gegenstand der US 5 436 545 A
Kurzfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösendes Problem
Es ist bekannt, dass bei einem Brennstoffzellensystem mit Wandler, der elektrische Strom, der durch eine Drosselspule im Wandler fließt (nachfolgend als „Drosselstrom” bezeichnet) zusammen mit dem periodischen Einschalten/Ausschalten einer Schaltvorrichtung im Wandler wiederholt ansteigt und abfällt, wie beispielsweise in den 3 und 4 gezeigt ist. Berücksichtigt man die Tatsache, dass ein mittlerer Wert (midpoint value) des ansteigenden und abfallenden Drosselstromes dem Durchschnittswert des Drosselstromes entspricht, kann das Ansprechverhalten der Wandlersteuerung durch Abtasten (sampling) des mittleren Wertes und Verwendung desselben zur Steuerung des Wandlers verbessert werden.
In einem Niedriglastbetrieb (der beispielsweise einem Fahren im Leerlauf und einem Fahren bei einem Stau entspricht, wenn das Brennstoffzellensystem an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert ist) wird elektrische Leistung jedoch nicht in der Drosselspule des Wandlers gesammelt, und der Drosselstrom kann, wie beispielsweise in 3 gezeigt, ein so genanntes diskontinuierlicher Modus Verhalten zeigen, in welchem ein Zustand, bei dem kein Strom durch die Spule bzw. Drosselspule fließt, intermittierend auftritt.
In diesem diskontinuierlichen Modus gibt es einen Lücke zwischen dem mittleren Wert des Drosselstromes und dem augenblicklichen Durchschnittstromwert. Wenn der Drosselstrom ein als kontinuierlicher Modus bekanntes Verhalten zeigt, wie in 4 dargestellt, tritt keine solche Lücke auf und es kommt zu keinerlei Problem, gleichwohl bleibt dennoch Raum für Verbesserungen dahingehend, den mittleren Wert des Drosselstromes immer zu verwenden, um den Wandler ohne Berücksichtigung des Ausgabezustands der Brennstoffzelle zu steuern.
Das Ändern des Zeitpunkts der Abtastung des Drosselstromes abhängig vom Ausgabezustand der Brennstoffzelle kann eine Lösung sein; jedoch bleiben auch hier Probleme wie eine redundante oder komplexe Steuerung bestehen.
Die Erfindung wurde im Lichte der vorstehend beschriebenen Umstände gemacht und hat zur Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das geeignet ist, das Ansprechverhalten und die Steuergenauigkeit des Wandlers zu verbessern.
Mittel zur Lösung des Problems
Um diese Aufgabe zu lösen hat das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung: einen Wandler, der zwischen einer Brennstoffzelle und einer Last angeordnet ist, um eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu erhöhen; und eine Steuereinheit, die den Wandler mit einem vorgegebenen Tastverhältnis bzw. einer vorgegebenen Einschaltdauer (duty ratio) steuert; wobei die Steuereinheit einen Schaltbefehlwert für den Wandler aus einem feed-forward Wert bzw. Ausdruck und einem feed-back Wert bzw. Ausdruck bestimmt, die unter Verwendung eines Befehl- bzw. Sollwertes eines Drosselstromes, der durch eine Drosselspule im Wandler fließt, und/oder unter Verwendung eines Messwertes des Drosselstromes berechnet werden, und wobei, bei einem Niedriglastbetrieb, in welchem eine von der Brennstoffzelle benötigte Ausgabe- bzw. Ausgangsleistung gleich oder geringer ist, als ein vorgegebener Wert, die Steuereinheit einen Wert, der durch Multiplizieren eines mittleren Messwertes, der zu einem Zwischenzeitpunkt einer Einschaltzeitdauer gemessen wurde, mit einem vorgegebenen Koeffizienten erhalten wird, als Messwert des Drosselstromes, der einhergehend mit der Schaltsteuerung einer Schaltvorrichtung im Wandler in einem vorgegebenen Tastverhältnis ansteigt und abfällt, setzt.
Bei dieser Konfiguration wird, während der Mittelpunkt-Messwert bzw. mittlere Messwert als Messwert des Drosselstromes beibehalten wird, der mittlere Messwert mit einem vorgegebenen Koeffizienten multipliziert, und der resultierende Wert wird als Messwert des Drosselstromes verwendet, so dass, als Ergebnis, eine Lücke zwischen dem Drosselstrom-Messwert, der für die feed-back Steuerung bzw. die Regelung verwendet werden soll, und dem Durchschnitt des augenblicklichen Stromes verringert werden kann.
Bei der vorstehenden Konfiguration ist, gemäß Anspruch 1, der vorgegebene Koeffizient definiert als: D_FF·V_H/(V_H – V_L), wobei V_L und V_H jeweils eine Eingangsspannung und eine Ausgangsspannung des Wandlers darstellen und D_FF den feed-forward Wert darstellt.
Gemäß dieser Konfiguration können, nicht nur während des Niedriglastbetriebs sondern auch während anderer Betriebe, Messwerte, die durch eine gemeinsame Gleichung erhalten werden, als Messwerte für den Drosselstrom verwendet werden, der für die Regelung verwendet werden soll, so dass es möglich ist, eine gemeinsame Steuerlogik zu teilen.
Anders ausgedrückt: die Steuereinheit kann, selbst bei einem anderen Betrieb als dem Niedriglastbetrieb, einen Wert als den Messwert des Drosselstromes nutzen, der durch Multiplizieren des mittleren Messwertes mit D_FF·V_H/(V_H – V_L) erhalten wurde.
Zudem kann, statt des D_FF-Wertes ein endgültiger Soll- bzw. Befehlswert, verwendet werden, der erhalten wird durch das Abbilden der Regelung im D_FF-Wert (in anderen Worten der Soll- bzw. Schaltbefehlswert, der die Summe des feed-forward Wertes und des feed-back Wertes bzw. Rückführungswertes darstellt).
Anders ausgedrückt ist, gemäß dem nebengeordneten Anspruch 3, der vorgegebene Koeffizient definiert als: D·V_H/(V_H – V_L), wobei V_L und V_H jeweils eine Eingangsspannung und eine Ausgangsspannung des Wandlers darstellen und D den Schaltbefehlswert darstellt.
Gemäß dieser Konfiguration kann die Steuereinheit einen Wert, der durch Multiplizieren des mittleren Messwertes mit D·V_H/(V_H – V_L) erhalten wird, auch bei einem anderen Betrieb als dem Niedriglastbetrieb als Messwert des Drosselstromes nutzen.
Effekt der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Antwort- bzw. Ansprechverhalten und die Genauigkeit der Steuerung eines Wandlers zu verbessern.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein Funktionsblockschaubild eines elektrischen Systems für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt ein Schaltdiagramm eines Aufwärtswandlers (boost converter) für eine in 1 gezeigte Brennstoffzelle;
3 zeigt ein Schaubild eines Verhaltens (diskontinuierlicher Modus) des elektrischen Stromes, der durch die in 2 gezeigte Drosselspule fließt;
4 zeigt ein Schaubild eines anderen Verhaltens (kontinuierlicher Modus) des elektrischen Stromes, der durch die in 2 gezeigte Drosselspule fließt; und
5 zeigt eine erläuternde Ansicht, in welchem der Hauptteil aus 3 vergrößert dargestellt ist.
Ausführungsform der Erfindung
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
1 zeigt die Funktionsblöcke in einem elektrischen System eines Brennstoffzellenfahrzeugs, in welchem ein Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform installiert ist. Ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem daran montierten Brennstoffzellensystem 10 nutzt, als Hauptstrom- bzw. Hauptleistungsquelle, eine Brennstoffzelle 20, die elektrische Leistung vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen Oxidationsgas und Brenngas erzeugt, und nutzt weiter eine aufladbare/entladbare Batterie 70 als Hilfsstrom- bzw. Hilfsleistungsquelle, und führt einem Traktionsinverter bzw. Antriebsinverter 50 elektrische Leistung bzw. Strom zu, um einen Traktions- bzw. Antriebsmotor (Last) 80 anzutreiben.
Die Brennstoffzelle 20 ist beispielsweise eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur, in welcher eine Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt ist. Jede Einheitszelle hat: eine Luftelektrode, die an einer Fläche eines Elektrolyts, das durch eine Ionenaustauschmembran gebildet wird, angeordnet ist; eine Brennstoffelektrode, die an der anderen Fläche des Elektrolyts angeordnet ist; sowie in Paar Separatoren, welche die Luftelektrode und die Brennstoffelektrode sandwichartig zwischen sich aufnehmen.
Die Batterie 70 ist eine Stromspeichervorrichtung, die als Speicherquelle für überschüssige elektrische Leistung, als Speicherquelle für während eines regenerativen Bremsvorgangs erzeugte regenerative Leistung, und als Energiepuffer während einer Lastschwankung aufgrund einer Beschleunigung oder Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs dient, wobei ein geeignetes Beispiel hierfür eine Sekundärbatterie bzw. ein Akku (Nickel-Cadmium-Batterie, Nickel-Wasserstoff-Batterie, Lithium-Akku, etc.) ist.
Eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 wird durch einen Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler) 30 (nachfolgend als erster Wandler bezeichnet), der einen Gleichstromwandler für die Brennstoffzelle darstellt, auf eine vorgegebene Gleichstromspannung erhöht, und die erhöhte Spannung wird dem Antriebsinverter 50 zugeführt. Daneben wird eine Ausgangsspannung der Batterie 70 durch einen Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler) 40 (nachfolgend als zweiter Wandler bezeichnet), der einen Gleichstromwandler für die Batterie darstellt, auf eine vorgegebene Gleichstromspannung erhöht, und die erhöhte Spannung wird dem Antriebsinverter 50 zugeführt.
Der Antriebsinverter 50 wandelt die von der Brennstoffzelle 20 und/oder der Batterie 70 zugeführte Gleichstromleistung in Wechselstrom (z. B. einen 3-Phasen-Wechselstrom) um, um dadurch das Drehmoment des Antriebsmotors 80 zu steuern. Der Antriebsmotor 80 ist beispielsweise ein 3-Phasen-Wechselstrommotor und erzeugt eine Antriebskraft, wenn das Fahrzeug fährt, während er auch als Motor/Generator fungiert, wenn das Fahrzeug bremst, und kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt und regenerative Leistung sammelt.
Der zweite Wandler 40 senkt die Spannung der überschüssigen Leistung der Brennstoffzelle 20 oder der vom Antriebsmotor 80 gesammelten regenerativen Leistung, und speichert die resultierende Leistung bzw. den resultierenden Strom in der Batterie 70.
Eine Steuereinheit 60 stellt einen Controller dar, der eine CPU, ein ROM, ein RAM sowie ein Input/Output-Interface hat, und führt beispielsweise eine Betriebssteuerung der Brennstoffzelle 20 sowie eine Schaltsteuerung der fahrzeuggestützten Wandler (erster Wandler 30, zweiter Wandler 40, Antriebsinverter 50) aus.
Wenn die Steuereinheit 60 beispielsweise ein Zündsignal von einem Zündschalter erhält, startet sie den Betrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs und bestimmt die vom Brennstoffzellensystem 10 benötigte Leistung basierend auf Signalen, die von einem Beschleunigersensor bezüglich des Öffnungsgrades des Beschleunigers ausgegeben werden, sowie Signalen, die von anderen Sensoren ausgegeben werden. In 1 sind der Einfachheit halber derartige Sensoren kollektiv mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet. Die vom Brennstoffzellensystem 10 benötigte Leistung ist die Summe der Leistung zum Fahren des Fahrzeugs und der Leistung für Hilfsaggregate.
Die Leistung bzw. der Strom für die Hilfsaggregate umfasst beispielsweise die Leistung, die von fahrzeuggestützten Hilfsaggregaten (Befeuchter, Luftverdichter, Wasserstoffpumpe, Kühlwasserzirkulationspumpe, etc.) verbraucht wird, die Leistung, die von Aggregaten verbraucht wird, die zum Fahren des Fahrzeugs nötig sind (Getriebe, Radcontroller, Lenkvorrichtung, Aufhängung, etc.), und die Leistung, die von Aggregaten bzw. Vorrichtungen verbraucht wird, die im Fahrgastraum angeordnet sind (Klimaanlage, Beleuchtung, Audiosystem, etc.).
Die Steuereinheit 60 bestimmt eine Leistungsausgabeverteilung zwischen der Brennstoffzelle 20 und der Batterie 70, steuert die Menge des der Brennstoffzelle 20 zugeführtem Brenngas und Oxidationsgas derart, dass die durch die Brennstoffzelle 20 erzeugte Leistung einer Sollleistung entspricht, und steuert zudem den Betriebspunkt (Ausgangsspannung, Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle 20 durch Steuern des ersten Wandlers 30, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 zu regeln.
Um ein Sollmoment entsprechend dem Öffnungsgrad des Beschleunigers zu erhalten gibt die Steuereinheit 60 beispielsweise, als Schaltbefehle, entsprechende AC-Spannungs-Befehlswerte bzw. -Sollwerte für eine U-Phase, eine V-Phase und eine W-Phase an den Antriebsinverter 50 aus und steuert das Ausgangsmoment und die Drehzahl des Antriebsmotors 80.
2 zeigt ein Schaltdiagramm des ersten Wandlers 30. Hierbei wird ein Beispiel, bei welchem der erste Wandler 30 ein bekannter DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler (DC-Chopper) ist, beschrieben. Der erste Wandler 30 hat einen Transistor Tr als Schaltvorrichtung, die periodisch wiederholt entsprechend einer Trägerfrequenz einschaltet und ausschaltet; eine Drosselspule bzw. einen Induktor L; einen Glättungskondensator C; und eine Diode D als Gleichrichtvorrichtung.
Wenn der Transistor Tr eingeschalten wird, wird von der Brennstoffzelle 20 zugeführte Energie in der Drosselspule L gesammelt, und die gesammelte Energie wird dem Glättungskondensator C durch die Diode D zugeführt, wenn der Transistor ausgeschaltet wird. Durch wiederholen dieses Prozesses steigt die im Glättungskondensator C gesammelte Energie an, wodurch eine Ausgangsspannung V_H erhöht werden kann, so dass diese höher wird, als eine Eingangsspannung V_L.
Hierbei entspricht die Eingangsspannung V_L. einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20, und die Ausgangsspannung V_H wird dem Antriebsinverter 50 zugeführt. Im DC-Wandler dieser Konfiguration wird das Ausmaß, um das die Spannung erhöht wird, entsprechend dem Verhältnis (Tastverhältnis bzw. Einschaltdauer: duty ratio) zwischen einer Ein-Dauer und einer Aus-Dauer in einem Schaltzyklus des Transistors Tr bestimmt.
Die 3 und 4 zeigen Ansichten, die das Verhalten des Drosselstromes, der entsprechend der Schaltbetätigung des Transistors Tr durch die Drosselspule L fließt, zeigen. Hierbei zeigt 3 insbesondere das Verhalten des Drosselstromes in einem Niedriglastbetrieb (der beispielsweise einem Fahren bei Leerlauf oder eine Fahren bei einem Verkehrsstau entspricht); in anderen Worten: in Fällen, in welchen die von der Brennstoffzelle 20 benötigte Leistung gleich oder geringer ist, als ein vorgegebener Grenzwert, wobei nachfolgend ein Zustand, in welchem der Drosselstrom ein derartiges Verhalten zeigt, manchmal als diskontinuierlicher Modus bezeichnet wird,
4 zeigt dagegen das Verhalten des Drosselstromes in anderen Fällen als dem vorstehend genannten Niedriglastbetrieb, einschließlich einem Normalbetrieb, wobei nachfolgend ein Zustand, in welchem der Drosselstrom ein derartiges Verhalten zeigt, manchmal als kontinuierlicher Modus bezeichnet wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Wert bzw. eine Abgabe (duty) Dref (Abgabebefehlswert bzw. -sollwert), der/die von der Steuereinheit 60 an den ersten Wandler 30 ausgegeben wird, eine Summe eines feed-forward-Wertes (nachfolgend als D_FF bezeichnet) für eine feed-forward Steuerung bzw. Regelung des Drosselstromes, der durch die Drosselspule L fließt, und eines feed-back-Ausdrucks (nachfolgend als Abgabe D_FB bezeichnet) für eine feed-back Steuerung bzw. Regelung des Drosselstromes.
Der Ausdruck bzw. Wert D_FF wird durch die Steuereinheit 60 berechnet, oder wird unter Verwendung eines Drosselstrom-Befehlswertes bzw. -sollwertes Iref, der von einer der Steuereinheit 60 übergeordneten Steuereinheit zugeführt wird, berechnet, falls eine solche übergeordnete Steuereinheit existiert. Der Wert bzw. Ausdruck D_FB wird unter Verwendung des Drosselstrom-Befehlswertes bzw. -sollwertes Iref und einer Abweichung von einem aktuellen Messwert des Drosselstromes, der durch einen Stromsensor erfasst wird, berechnet.
In 3 ist I_mes ein Sensorwert des Stromsensors zum Messen des Drosselstromes (genauer gesagt ein Wert, der durch eine A/D-Wandlung der Sensorausgabe erhalten wird), der zu einem mittleren Zeitpunkt bzw. Zwischenzeitpunkt (nachfolgend als Mittelpunkt bezeichnet) einer Einschaltdauer erhalten wird, wobei dieser Wert nachfolgend auch manchmal als mittlerer Messwert des Drosselstromes bezeichnet wird.
I_ave ist der Durchschnittswert des Drosselstromes, der mit dem Umschalten zwischen Einschalt- und Ausschaltzuständen ansteigt und abfällt.
Die vorliegende Ausführungsform umfasst das Merkmal, dass anstelle von I_mes, der ein mittlerer Messwert des Drosselstromes ist und bei einem herkömmlichen Aufbau der Berechnung eines Wertes bzw. Ausdrucks D_FB für die feed-back Steuerung bzw. Regelung des Stromes verwendet wird, I_mes', der durch die untenstehende Gleichung (1) dargestellt ist, unabhängig vom Ausgabezustand der Brennstoffzelle 20 verwendet wird, oder anders ausgedrückt, unabhängig davon, ob der Drosselstrom im diskontinuierlichen Modus ist, der in 3 gezeigt ist, oder im kontinuierlichen Modus ist, der in 4 gezeigt ist.
Wie aus der vorstehende Gleichung (1) ersichtlich ist, ist das Verwenden von I_mes' anstelle von I_mes äquivalent zum Multiplizieren von I_mes mit einem vorgegebenen Wandlungskoeffizienten: V_H/(V_H – V_L)·D_FF und damit zum Umwandeln (Korrigieren) in I_mes'.
Wie weiter unten erklärt werden wird haben I_mes' und I_ave, die durch die Gleichung (3) dargestellt werden, unabhängig davon, ob der Drosselstrom im diskontinuierlichen Modus oder im kontinuierlichen Modus ist, den gleichen Wert. Anders ausgedrückt: gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann, unabhängig vom Modus des Drosselstromes, der mittlere Messwert des Drosselstromes, durch Verwenden einer gemeinsamen Logik, in den Durchschnittswert des Istwerts des Stromes umgewandelt werden, wodurch der Wandler mit hoher Genauigkeit und einem hohen Ansprech- bzw. Antwortverhalten basierend auf dem akkurat erhaltenen augenblicklichen bzw. aktuellen Stromwert gesteuert werden kann.
Der Grund dafür, dass I_mes' = I_ave ist wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
In der Schaltungsanordnung von 2 gilt die Gleichung: V_L = L·(dl/dt) elektromagnetisch, wobei dl/dt eine Ableitung des Drosselstromes nach der Zeit ist, und somit die Gleichung dl/dt = V_L/L erhalten werden kann.
Daneben gilt, bei dem in 3 gezeigten Verhalten des Drosselstromes, die Gleichung: I_mes = (dI/dt)·(Ton/2) geometrisch, wobei Ton eine Einschalt(zeit)dauer ist.
Hierbei gilt die Gleichung: Ton = D_FF·T = D_FF·(1/f), wobei T ein Schaltzyklus und f eine Schaltfrequenz des Transistors Tr ist, und daher I_mes durch die untenstehende Gleichung (2) dargestellt werden kann:
Der auf diese Weise erhaltene I_mes ist ein Mittelpunkt-Messwert des Drosselstromes, der durch die Steuereinheit 60 ermittelt wird.
In 5, in welcher der Hauptteil aus 3 vergrößert und schraffiert etc. dargestellt ist, wird ein Abschnitt verwendet, um I_ave zu erläutern, wobei die Zeit zwischen dem Punkt, zu dem der Drosselstrom während einer Ausschaltdauer größer ist als Null, als Tx definiert ist, ein Wert eines Zeitintegrals des Drosselstromes während Ton als S1 definiert ist, ein Wert eines Zeitintegrales des Drosselstromes während Tx als S2 definiert ist, und ein Spitzenwert des Drosselstromes als Ip definiert ist, und wobei die Gleichung: I_ave = (S1 + S2)/T geometrisch gilt.
Unter weiterer Berücksichtigung, dass während Ton die Gleichungen: S1 = (1/2)·Ip·Ton; Ip = (dI/dt)·Ton; und V_L = L·(dI/dt) gelten, und dass während Tx die Gleichungen: S2 = (1/2)·Ip·Tx; Ip = (dI/dt)·Tx; und V_H – V_L = L·(dI/dt) geometrisch oder elektromagnetisch gelten, kann I_ave durch die untenstehende Gleichung (3) ausgedrückt werden. Es sei angemerkt, dass dl/dt während Ton und dl/dt während Tx voneinander verschieden sind.
Der durch die Gleichung (3) dargestellte bzw. abgebildete I_ave kann auch durch die untenstehende Gleichung (4) unter Verwendung der Gleichung (2), die I_mes abbildet, dargestellt werden.
Da die rechte Seite der Gleichung (1) und die rechte Seite der Gleichung (4) gleich sind, ist verständlich, dass für den in 3 gezeigten diskontinuierlichen Modus I_mes' = I_ave gilt.
Für den in 4 gezeigten kontinuierlichen Modus kann, da die Gleichung D_FF = 1 – (V_L/V_H) gilt, I_ave = I_mes durch Substituieren der rechten Seite der vorstehenden Gleichung für D_FF in Gleichung (4) abgeleitet werden.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass selbst in dem in 4 gezeigten kontinuierlichen Modus der durch die Gleichung (1) dargestellte I_mes' statt I_mes verwendet werden kann, oder anders ausgedrückt, eine gemeinsame Steuerlogik verwendet werden kann.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wenn ein mittlerer Messwert des Drosselstromes im diskontinuierlichen Modus verwendet wird, der mittlere Messwert in den Durchschnittsstromwert umgewandelt werden, wodurch das Auftreten einer Lücke zwischen dem mittleren Messwert und dem Durchschnittsstromwert unterdrückt werden kann. Folglich können sowohl das Ansprechverhalten als auch die Genauigkeit der Wandlersteuerung gleichzeitig verbessert werden.
Da ferner eine gemeinsame Steuerlogik unabhängig vom Modus des Drosselstroms verwendet werden kann, besteht kein Bedarf, die Steuerlogik zwischen dem diskontinuierlichen Modus und dem kontinuierlichen Modus zu ändern. Daher kann die Redundanz sowie die Komplexität der Wandersteuerung verringert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt; vielmehr kann statt D_FF, wie bei der vorstehenden Ausführungsform, ein endgültiger Befehlswert, der durch Abbilden des feed-backs bzw. der Rückführung in den D_FF erhalten wird (oder in anderen Worten: ein Soll- bzw. Schaltbefehlswert, der die Summe des feed-forward Wertes und des feed-back Wertes bzw. Rückführungswertes darstellt), verwendet werden.
Insbesondere kann der vorgegebene Koeffizient definiert sein als: D·V_H/(V_H – V_L), wobei V_L und V_H jeweils eine Eingangsspannung und eine Ausgangsspannung des Wandlers darstellen und D den Schaltbefehlswert darstellt.
Im vorstehenden Fall kann die Steuereinheit, selbst bei einem anderen Betrieb als dem Niedriglastbetrieb, einen Wert als Messwert des Drosselstromes nutzen, der durch Multiplizieren des mittleren Messwertes mit D·V_H/(V_H – V_L) erhalten wird.
Beschreibung der Bezugszeichen

10 ... Brennstoffzellensystem; 20 ... Brennstoffzelle; 30 ... erster Wandler (Wandler); 60 ... Steuereinheit; 80 ... Antriebsmotor (Last); L ... Drosselspule; Tr ... Transistor (Schaltvorrichtung)

Claims

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: einen Wandler (30), der zwischen einer Brennstoffzelle und einer Last (80) angeordnet ist, um eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu erhöhen; und eine Steuereinheit (60), die den Wandler (30) mit einem vorgegebenen Tastverhältnis steuert, wobei die Steuereinheit (60) einen Schaltbefehlswert für den Wandler (30) aus einem feed-forward Wert und einem feed-back Wert bestimmt, wobei der feed-forward Wert unter Verwendung eines Sollwertes eines Drosselstromes, der durch eine Drosselspule (L) im Wandler (30) fließt, berechnet wird, und der feed-back Wert unter Verwendung des Sollwertes des Drosselstromes und einer Abweichung von einem aktuellen Messwert des Drosselstromes berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass, bei einem Niedriglastbetrieb, in welchem eine von der Brennstoffzelle benötigte Ausgangsleistung gleich oder geringer ist, als ein vorgegebener Wert, die Steuereinheit (60) einen Wert, der durch Multiplizieren eines mittleren Messwertes (I_mes), der zu einem Zwischenzeitpunkt einer Einschaltzeitdauer gemessen wurde, mit einem vorgegebenen Koeffizienten erhalten wird, als Messwert des Drosselstromes, der einhergehend mit der Schaltsteuerung einer Schaltvorrichtung im Wandler (30) in einem vorgegebenen Tastverhältnis ansteigt und abfällt, setzt, wobei der vorgegebene Koeffizient definiert ist als: D_FF·V_H/(V_H – V_L), wobei V_L und V_H jeweils eine Eingangsspannung und eine Ausgangsspannung des Wandlers (30) darstellen und D_FF den feed-forward Wert darstellt.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (60) einen Wert, der durch Multiplizieren des mittleren Messwertes (I_mes) mit D_FF·V_H/(V_H – V_L) erhalten wird, auch bei einem anderen Betrieb als dem Niedriglastbetrieb als Messwert des Drosselstromes nutzt.
Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: einen Wandler (30), der zwischen einer Brennstoffzelle und einer Last (80) angeordnet ist, um eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu erhöhen; und eine Steuereinheit (60), die den Wandler (30) mit einem vorgegebenen Tastverhältnis steuert, wobei die Steuereinheit (60) einen Schaltbefehlswert für den Wandler (30) aus einem feed-forward Wert und einem feed-back Wert bestimmt, wobei der feed-forward Wert unter Verwendung eines Sollwertes eines Drosselstromes, der durch eine Drosselspule (L) im Wandler (30) fließt, berechnet wird, und der feed-back Wert unter Verwendung des Sollwertes des Drosselstromes und einer Abweichung von einem aktuellen Messwert des Drosselstromes berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass, bei einem Niedriglastbetrieb, in welchem eine von der Brennstoffzelle benötigte Ausgangsleistung gleich oder geringer ist, als ein vorgegebener Wert, die Steuereinheit (60) einen Wert, der durch Multiplizieren eines mittleren Messwertes (I_mes), der zu einem Zwischenzeitpunkt einer Einschaltzeitdauer gemessen wurde, mit einem vorgegebenen Koeffizienten erhalten wird, als Messwert des Drosselstromes, der einhergehend mit der Schaltsteuerung einer Schaltvorrichtung im Wandler (30) in einem vorgegebenen Tastverhältnis ansteigt und abfällt, setzt, wobei der vorgegebene Koeffizient definiert ist als: D·V_H/(V_H – V_L), wobei V_L und V_H jeweils eine Eingangsspannung und eine Ausgangsspannung des Wandlers (30) darstellen und D den Schaltbefehlwert darstellt.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (60) einen Wert, der durch Multiplizieren des mittleren Messwertes (I_mes) mit D·V_H/(V_H – V_L) erhalten wird, auch bei einem anderen Betrieb als dem Niedriglastbetrieb als Messwert des Drosselstromes nutzt.