[go: up one dir, main page]

JP2004349114A - Fuel cell output characteristic estimation device - Google Patents

Fuel cell output characteristic estimation device Download PDF

Info

Publication number
JP2004349114A
JP2004349114A JP2003144868A JP2003144868A JP2004349114A JP 2004349114 A JP2004349114 A JP 2004349114A JP 2003144868 A JP2003144868 A JP 2003144868A JP 2003144868 A JP2003144868 A JP 2003144868A JP 2004349114 A JP2004349114 A JP 2004349114A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
output
voltage
output characteristic
characteristic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2003144868A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4228201B2 (en
Inventor
Kiyomi Eimiya
清美 永宮
Akihiro Ueda
晃宏 上田
Shunji Suzuki
俊二 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2003144868A priority Critical patent/JP4228201B2/en
Publication of JP2004349114A publication Critical patent/JP2004349114A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4228201B2 publication Critical patent/JP4228201B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】比較的に短時間で燃料電池の出力特性を推定することのできる出力特性推定装置を提供する。
【解決手段】燃料電池の出力電流とその端子間電圧とを検出する電流電圧検出手段(54,56)と、検出された出力電流と端子間電圧と燃料電池の基本出力特性とに基づいて燃料電池の出力特性を推定する手段を備える燃料電池の出力特性推定装置(40)において、検出された出力電流と燃料電池の基本出力特性から推定電圧値を算出する手段(S36)と、この推定電圧値と検出された端子間電圧値との電圧偏差を算出する手段(S38)と、該電圧偏差を所定の割合で上記燃料電池の内部抵抗偏差と開回路電圧偏差とに分配する手段(S40)と、分配した電圧偏差を基に基本出力特性を補正する手段(S42)と、を備える。
【選択図】 図3
An output characteristic estimating device capable of estimating an output characteristic of a fuel cell in a relatively short time is provided.
A current-voltage detecting means (54, 56) for detecting an output current of a fuel cell and a voltage between terminals thereof, and a fuel based on a detected output current, a voltage between terminals, and a basic output characteristic of the fuel cell. A fuel cell output characteristic estimating device including means for estimating the output characteristic of the fuel cell; a means for calculating an estimated voltage value from the detected output current and the basic output characteristic of the fuel cell; Means (S38) for calculating a voltage deviation between the value and the detected inter-terminal voltage value, and means (S40) for distributing the voltage deviation to the internal resistance deviation and the open circuit voltage deviation of the fuel cell at a predetermined ratio. And means (S42) for correcting the basic output characteristics based on the distributed voltage deviation.
[Selection] Figure 3

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の出力特性を推定する出力特性推定装置およびこれを用いた燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、ビル設備、プラント、車両などの電源として使用されつつある。また、燃料電池と商用電源や二次電池とを併用した電源システムも提供されている。燃料電池は等価的に内部抵抗を有するため、燃料電池の出力電流が増大すると、内部抵抗における電圧降下の増大によってその出力端子電圧が減少する傾向を持つ。従って、接続されている電気機器の負荷増大あるいは接続機器の増加による燃料電池の出力電圧の降下分を予測し、この電圧降下分を補うような燃料電池の運転パラメータの制御が必要となる。また、機器動作の補償のために予想される供給電圧低下の把握も必要となる。また、燃料電池の出力特性は経時的に変化する傾向がある。
【0003】
このため、出願人は特開平14−231295号によって燃料電池の出力特性を推定する出力特性推定装置を提案している。この装置により推定された燃料電池の現在の出力特性を用いてシステムの出力制御を行うことができる。この出力特性推定装置は、予め記憶された燃料電池の出力電流対出力電圧特性(IV特性)をマップとして記憶し、実測電流値を参照してIV特性マップを修正することによって燃料電池のIV特性の経時的変化に対応することができる。
【0004】
【特許文献1】
特開平14−231295号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した出力特性推定装置は現在のIV特性モデルを同定(修正)するために、燃料電池の温度、燃料ガスの流量、開放回路電圧、燃料電池内部抵抗等の種々のパラメータの情報を取得しデータ処理するため、ある程度の時間を要することになる。負荷が変動する燃料電池、特に車両等に使用される燃料電池ではモータや各種電気機器の負荷が短時間で急激に変動するために短時間で燃料電池の出力特性を推定し、この推定結果を出力制御に生かすことが望まれる。
【0006】
よって、本発明は比較的に短時間で燃料電池の出力特性を推定することのできる出力特性推定装置を提供することを目的とする。
【0007】
また、本発明は比較的に簡易な構成によって出力特性推定装置を実現することを可能とした出力特性推定装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決する手段】
上記目的を達成するため本発明の燃料電池の出力特性推定装置は、燃料電池の出力電流とその端子間電圧とを検出する電流電圧検出手段と、検出された出力電流と端子間電圧と燃料電池の基本出力特性とに基づいて燃料電池の出力特性を推定する手段を備える燃料電池の出力特性推定装置において、検出された出力電流と燃料電池の基本出力特性から推定電圧値を算出する手段(S36)と、この推定電圧値と検出された端子間電圧値との電圧偏差を算出する手段(S38)と、該電圧偏差を所定の割合で上記燃料電池の内部抵抗偏差と開回路電圧偏差とに分配する手段(S40)と、分配した電圧偏差を基に基本出力特性を補正する手段(S42)と、を備える。
【0009】
かかる構成によって、燃料電池の出力電流と端子開放電圧と基本出力特性モデルに基づいて開回路電圧(電池の内部起電力)の変化分と内部抵抗の変化分を考慮した現在の燃料電池の基本出力特性を推定することが可能となる。基本出力特性は、例えば、出力電流対出力電圧(端子電圧)特性(IV特性)である。
【0010】
基本出力特性モデルは、例えば、電池出力端子電圧(V)=内部起電力(V)−内部抵抗(R)×電池出力電流(I)を使用することができる。ここで、内部起電力(V)は外部回路の燃料電池端子への接続を開放した場合(電池出力電流(I)=0)の開回路電圧に等しい。
【0011】
好ましくは、上記電圧偏差を内部抵抗偏差分と開回路電圧偏差分とに分配する所定の割合は検出された出力電流値に対応して可変に設定される。それにより、燃料電池の基本出力特性モデルの起電力の電圧偏差(IV特性曲線の上下方向の平行移動)を修正する。また、基本出力特性モデルの内部抵抗の出力端子間電圧に及ぼす影響(IV特性曲線の傾斜)を出力電流に依存するように修正する。燃料電池の基本出力特性モデルが現在の出力特性モデルに修正される。
【0012】
また、本発明の燃料電池システムは、上述した燃料電池の出力推定装置と、推定された燃料電池の出力特性を用いて燃料電池の目標出力を設定する手段(S304)と、設定された目標出力が燃料電池から出力されるように燃料電池の出力を調整する出力調整手段(S306)と、を備える。それにより、短時間で出力特性の推定が行われ、その結果が利用されるので燃料電池の制御精度が向上する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施例である車載された燃料電池システム20の構成の概略を示す構成図である。
【0014】
燃料電池システム20は、図示するように、水素タンク22からの水素とブロア24からの空気中の酸素とにより発電する例えば固体高分子型燃料電池として構成された燃料電池26と、燃料電池26の出力端子に接続された電力ライン28の電圧を調整すると共に補機33に電力を供給するバッテリ30の充放電を行なうDC/DCコンバータ32と、電力ライン28に接続されたインバータ34と、インバータ34のスイッチング素子のスイッチングにより駆動制御され駆動軸38と動力のやり取りを行なうモータ36と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット40とを備える。なお、駆動軸38は、減速ギヤ12を介して駆動輪14に接続されており、モータ36から駆動軸38に出力された動力は最終的には、駆動輪14に出力されるようになっている。
【0015】
電子制御ユニット40は、CPU42を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを不揮発に記憶する書き込み可能なフラッシュROM44と、一時的にデータを記憶するRAM46と、入出力ポート(図示せず)とを備える。この電子制御ユニット40には、水素タンク22から燃料電池26への供給管に取り付けられた圧力センサ50からの水素供給圧Phや燃料電池26に取り付けられた温度センサ52からの燃料電池温度Tfc,燃料電池26の出力端子間に取り付けられた電圧センサ54からの燃料電池26の出力電圧Vfc,燃料電池26の出力端子に取り付けられた電流センサ56からの燃料電池26の出力電流Ifc,インバータ34内に取り付けられた図示しない電流センサからのモータ36に印加している各相の電流,モータ36に取り付けられた図示しない角度センサからのモータ36の回転子の回転角,車速センサ58からの車速V,シフトレバー60の位置を検出するシフトポジションセンサ61からのシフトポジションSP,アクセルペダル62の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ63からのアクセルペダルポジションAP,ブレーキペダル64の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ65からのブレーキペダルポジションBPなどが入力ポートを介して入力されている。
【0016】
また、電子制御ユニット40からは、ブロア24への駆動信号やDC/DCコンバータ32への制御信号,インバータ34への制御信号,減速ギヤ12への制御信号などが出力ポートを介して出力されている。
【0017】
次に、実施例の燃料電池システム20の動作、特に燃料電池26の出力特性を推定する動作と出力制御の際の動作について説明する。実施例においては、燃料電池の基本出力特性モデル、具体的には燃料電池のIV特性を基本マップあるいは関数として記憶し、実際の運転における実測の出力電流及び端子電圧によって都度基本出力特性モデルを修正して修正出力特性モデルを得てこれを出力特性の推定に使用する。
【0018】
図2は、燃料電池26の出力特性を得る基本モデルの形成ルーチンの一例を示すフローチャートである。燃料電池26に擬似負荷を接続し、燃料電池26を動作させる。電子制御ユニット40のCPU42は、コンピュータシステムに組み込まれたテストプログラムによって燃料電池26の出力電流を0アンペアから400アンペアまで次第に増加させ、電圧計54及び電流計55の出力値を内部メモリ45に逐次記憶する(S22)。このIV特性が基本出力特性モデルとなる。このIV特性の測定を複数回行い、それ等の平均特性を基本出力特性モデルとしても良い。
【0019】
基本出力特性モデルであるIV特性は、一定間隔のサンプリング電流値(グリッド電流)群とこれに対応する出力電圧値(グリッド電圧)群とからなる基本マップとしてROM44に不揮発に記憶される。なお、IV特性は近似式、例えば、V=V−RIとして記憶しても良い。ここで、Vは端子電圧であり、Eは負荷回路を開路としたときの端子電圧Vであり、Rは特性曲線の傾斜として求められる。Iは出力電流である。このようにして基本特性モデルが予め決定され、記憶されている。基本特性モデルの例が図4中に実線の曲線Aで示されている(S24)。
【0020】
また、図5に示すように、予め実験によって当該燃料電池の出力電流対電圧偏差の分配特性を求めておく。電圧偏差の分配特性は、燃料電池の開放出力端電圧の偏差と内部抵抗電圧の偏差との比率を出力電流値に対応して示したものである。
【0021】
次に、基本特性モデルの修正について説明する。実際の燃料電池の運転状態においては、燃料電池の経時変化、高分子電解質膜の含水率の変化、等によって基本特性モデルからの特性の変動が生じ得る。そこで、予め記憶されている基本特性モデルを修正して燃料電池の出力特性を推定する。
【0022】
図3に示すように、電子制御ユニット40のCPU42は、一定のイベントの発生、例えば、燃料電池の運転中に一定周期でタイムアウト出力を発生するタイマのフラグや、運転条件の変更などを指令するフラグが設定されると、本出力特性修正処理ルーチンを実行する(S32)。
【0023】
まず、燃料電池26の出力端子電圧をモニタする電圧センサ54の出力V及び燃料電池の出力電流をモニタする電流センサ56の出力Iを読取る(S34)。上述した基本特性モデルAを読み出し、図4に示すように実測した出力電流Iに対応する推定出力電圧Vを求める(S36)。実測した出力電圧Vと推定出力電圧Vとの電圧偏差ΔVを求める(S38)。
【0024】
ここで、ΔV=V−V=V−R×I−((V−ΔV)−(R−ΔR)×I))=ΔV−ΔR×Iなる関係が成立する。従って、電圧偏差ΔVを起電力(開回路電圧)Vの偏差分ΔVと、燃料電池26の内部抵抗Rの抵抗偏差ΔRによる電圧偏差分ΔV(=ΔR×I)とに分けられる。
【0025】
次に、出力電流Iにおける電圧偏差ΔVの分配の比率αを上述した図5に示すグラフから読取る。起電力Vの偏差分ΔVは(1−α)×ΔVとして求められる。抵抗偏差ΔRによる電圧偏差ΔVはα×ΔVとして求められる。
【0026】
これ等の電圧偏差によって基本出力特性Aを修正する。まず、起電力の偏差分ΔVによって基本出力特性曲線Aを上下方向に平行移動し、起電力の偏差分ΔVを修正した曲線Bを得る。次に、特性曲線Bに抵抗偏差ΔR分の電圧降下ΔVの修正を加えることにより曲線Bの傾斜が変わり、座標上の現時点の実測点P(I,V)を通過する曲線Cが得られる(S42)。
【0027】
このようにして得られた現在の出力特性を示す修正出力特性曲線CをマップとしてROM44又はRAM46に記憶する(S44)。また、近似式V=(V−ΔV)−α(I)・ΔVをメモリに記憶するものであっても良い。ここで、Vは実測した出力電圧を、Iは実測した出力電流を、ΔVは実測した出力電圧と基本出力特性の出力値との差電圧を示している。α(I)は出力電流値Iにおける分配率を示している。α(I)は予め決定されて記憶されているグラフ(図5)から求められる。
【0028】
上述した手順によれぱ、基本出力特性曲線Aから修正出力特性曲線Cを得るために使用した燃料電他システムから抽出した情報は燃料電池の出力電圧及び出力電流のみであるので、燃料電池の温度や燃料ガス流量等の運転パラメータを参照しないても済み、出力特性曲線の修正に手間がかからず、短時間で行うことができる。
【0029】
以上説明した実施例の燃料電池システム20によれば、電子制御ユニット40のCPU42が実行する出力特性推定処理や出力特性補正処理を行なうことにより、経年使用される燃料電池26のより適正な出力特性を得ることができる。また、燃料電池の高分子電解質膜の水分変化などによる内部抵抗変化などにも素早く対応できる。実施例の燃料電池システム20では、こうして得られた燃料電池26の出力特性を用いてシステムの出力制御を行なっている。
【0030】
図8は、実施例の燃料電池システム20の電子制御ユニット40により実行される出力制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎(例えば、8msec毎)に繰り返し実行される。
【0031】
出力制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット40のCPU42は、まず、車速センサ58により検出される車速Vやアクセルペダルポジションセンサ63により検出されるアクセルペダルポジションAP,ブレーキペダルポジションセンサ65により検出されるブレーキペダルポジションBPなどの各種データを読み込む処理を実行する(ステップS300)。続いて、読み込んだアクセルペダルポジションAPやブレーキペダルポジションBP,車速Vに基づいて駆動軸38に出力すべき出力、即ちシステムへの要求出力P0を計算する(ステップS302)。要求出力P0の計算は、実施例では、アクセルペダルポジションAPとブレーキペダルポジションBPと車速Vと要求出力P0との関係を予め定めたマップをROM44に記憶しておき、アクセルペダルポジションAPやブレーキペダルポジションBP,車速Vが与えられると、マップから対応する要求出力P0を導出する。
【0032】
要求出力P0が計算されると、要求出力P0を、燃料電池26から出力する燃料電池出力Pfcとバッテリ30から出力するバッテリ出力Pbとに分配する(ステップS304)。要求出力P0の分配は、具体的には、図3の出力特性補正処理ルーチンにより推定または補正された燃料電池26の出力特性を用いて出力可能な範囲から燃料電池26を効率よく運転できる出力として燃料電池出力Pfcを設定し、要求出力P0に対して設定した燃料電池出力Pfcでは過不足する出力をバッテリ出力Pbに割り当てることにより行なわれる。
【0033】
こうして要求出力P0の分配が行なわれると、燃料電池出力Pfcに基づいて燃料電池26の運転ポイントVfc*,Ifc*を設定し(ステップS306)、電力ライン28の電圧が設定した運転ポイント電圧Vfc*となるようDC/DCコンバータ32を制御すると共に(ステップS308)、要求出力P0がモータ36から駆動軸38に出力されるようインバータ34を制御して(ステップS310)、本ルーチンを終了する。
【0034】
上述した手順のうち、「推定または補正された燃料電池26の出力特性を用いて出力可能な範囲から燃料電池26を効率よく運転できる出力として燃料電池出力Pfcを設定」する動作(ステップS304)は、「推定された前記燃料電池の出力特性を用いて前記燃料電池の目標出力を設定する手段」に対応する。また、「燃料電池出力Pfcに基づいて燃料電池26の運転ポイントVfc*,Ifc*を設定」する動作(ステップS306)は設定された目標出力が前記燃料電池から出力されるように前記燃料電池の出力を調整する出力調整手段に対応する。
【0035】
以上説明した実施例の燃料電池システム20によれば、より適正な燃料電池26の出力特性を用いて燃料電池出力Pfcを配分するから、燃料電池26を効率よく運転することができる。この結果、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。しかも、燃料電池出力Pfcでは要求出力P0に対して過不足する分はバッテリ30からの出力Pbにより賄うから、駆動軸38に要求出力P0を出力することができる。
【0036】
また、推定出力特性の設定、その修正を、燃料電池の温度、供給ガスの流量等を使用せずに比較的に簡易な方法及び装置で行うので短時間で現在の推定出力特性を修正(更新)することができる。車両のように運転条件が激しく変化する車載の燃料電池に用いて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の車載された燃料電池システムの例を説明する説明図である。
【図2】図2は、燃料電池の基本出力特性を得る手順を説明するフローチャートである。
【図3】図3は、燃料電池の基本出力特性を修正する手順を説明するフローチャートである。
【図4】図4は、燃料電池の基本出力特性を修正する手順を説明する説明図ある。
【図5】図5は、電圧偏差の配分を説明するグラフである。
【図6】図6は、出力特性の推定を行って燃料電池システムを制御する例を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
26 燃料電池、40 電子制御ユニット、54 電圧センサ、56 電流センサ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an output characteristic estimating device for estimating an output characteristic of a fuel cell and a fuel cell system using the same.
[0002]
[Prior art]
Fuel cells are being used as power sources for building equipment, plants, vehicles, and the like. Also, a power supply system using a fuel cell and a commercial power supply or a secondary battery together has been provided. Since the fuel cell equivalently has an internal resistance, when the output current of the fuel cell increases, the output terminal voltage tends to decrease due to an increase in the voltage drop in the internal resistance. Therefore, it is necessary to predict a drop in the output voltage of the fuel cell due to an increase in the load on the connected electric devices or an increase in the number of connected devices, and to control the operating parameters of the fuel cell so as to compensate for this voltage drop. Also, it is necessary to grasp the supply voltage drop expected for compensating the operation of the device. Further, the output characteristics of the fuel cell tend to change over time.
[0003]
For this reason, the applicant has proposed an output characteristic estimating apparatus for estimating the output characteristic of a fuel cell according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 14-231295. The output of the system can be controlled using the current output characteristics of the fuel cell estimated by this device. This output characteristic estimating device stores the output current versus output voltage characteristic (IV characteristic) of the fuel cell stored in advance as a map, and corrects the IV characteristic map by referring to the actually measured current value to thereby improve the IV characteristic of the fuel cell. Can change over time.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-14-231295
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to identify (correct) the current IV characteristic model, the output characteristic estimation device described above acquires information on various parameters such as the temperature of the fuel cell, the flow rate of the fuel gas, the open circuit voltage, and the internal resistance of the fuel cell. It takes a certain amount of time to process the data. Fuel cells with variable loads, especially fuel cells used in vehicles, estimate the output characteristics of the fuel cell in a short period of time because the load on the motor and various electric devices fluctuates rapidly in a short period of time. It is desired to make use of this in output control.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide an output characteristic estimating device capable of estimating the output characteristic of a fuel cell in a relatively short time.
[0007]
It is another object of the present invention to provide an output characteristic estimating device that can realize an output characteristic estimating device with a relatively simple configuration.
[0008]
[Means to solve the problem]
In order to achieve the above object, a fuel cell output characteristic estimating apparatus according to the present invention comprises a current voltage detecting means for detecting an output current of a fuel cell and a voltage between terminals thereof, a detected output current, a voltage between terminals, and a fuel cell. In the fuel cell output characteristic estimating apparatus including means for estimating the output characteristic of the fuel cell based on the basic output characteristic of the fuel cell, means for calculating an estimated voltage value from the detected output current and the basic output characteristic of the fuel cell (S36) ), Means for calculating a voltage deviation between the estimated voltage value and the detected inter-terminal voltage value (S38), and converting the voltage deviation into a predetermined ratio between the internal resistance deviation and the open circuit voltage deviation of the fuel cell. A means (S40) for distributing and a means (S42) for correcting basic output characteristics based on the distributed voltage deviation are provided.
[0009]
With this configuration, the current basic output of the fuel cell in which the change in the open circuit voltage (the internal electromotive force of the battery) and the change in the internal resistance are considered based on the output current, the terminal open voltage, and the basic output characteristic model of the fuel cell Characteristics can be estimated. The basic output characteristics are, for example, output current-output voltage (terminal voltage) characteristics (IV characteristics).
[0010]
As the basic output characteristic model, for example, battery output terminal voltage (V) = internal electromotive force (V 0 ) −internal resistance (R) × battery output current (I) can be used. Here, the internal electromotive force (V 0 ) is equal to the open circuit voltage when the connection to the fuel cell terminal of the external circuit is opened (battery output current (I) = 0).
[0011]
Preferably, the predetermined ratio for distributing the voltage deviation between the internal resistance deviation and the open circuit voltage deviation is set variably in accordance with the detected output current value. Thereby, the voltage deviation of the electromotive force of the basic output characteristic model of the fuel cell (vertical translation of the IV characteristic curve) is corrected. In addition, the effect of the internal resistance of the basic output characteristic model on the voltage between output terminals (the slope of the IV characteristic curve) is corrected so as to depend on the output current. The basic output characteristic model of the fuel cell is modified to the current output characteristic model.
[0012]
Further, the fuel cell system of the present invention includes the above-described fuel cell output estimating device, means for setting a target output of the fuel cell using the estimated output characteristics of the fuel cell (S304), and the set target output. Output adjusting means (S306) for adjusting the output of the fuel cell so that the output of the fuel cell is output from the fuel cell. As a result, the output characteristics are estimated in a short time and the result is used, so that the control accuracy of the fuel cell is improved.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system 20 mounted on a vehicle, which is one embodiment of the present invention.
[0014]
As shown in the figure, the fuel cell system 20 includes a fuel cell 26 configured as, for example, a polymer electrolyte fuel cell that generates power using hydrogen from the hydrogen tank 22 and oxygen in the air from the blower 24. A DC / DC converter 32 that adjusts the voltage of a power line 28 connected to the output terminal and charges and discharges a battery 30 that supplies power to an auxiliary device 33; an inverter 34 connected to the power line 28; A motor 36, which is driven and controlled by switching of the switching elements to exchange power with a drive shaft 38, and an electronic control unit 40 for controlling the entire system. The drive shaft 38 is connected to the drive wheel 14 via the reduction gear 12, and the power output from the motor 36 to the drive shaft 38 is finally output to the drive wheel 14. I have.
[0015]
The electronic control unit 40 is configured as a microprocessor mainly including a CPU 42, and has a writable flash ROM 44 for storing a processing program in a nonvolatile manner, a RAM 46 for temporarily storing data, and an input / output port (not shown). ). The electronic control unit 40 includes a hydrogen supply pressure Ph from a pressure sensor 50 attached to a supply pipe from the hydrogen tank 22 to the fuel cell 26 and a fuel cell temperature Tfc from a temperature sensor 52 attached to the fuel cell 26. The output voltage Vfc of the fuel cell 26 from the voltage sensor 54 attached between the output terminals of the fuel cell 26, the output current Ifc of the fuel cell 26 from the current sensor 56 attached to the output terminal of the fuel cell 26, The current of each phase applied to the motor 36 from a current sensor (not shown) attached to the motor 36, the rotation angle of the rotor of the motor 36 from the angle sensor (not shown) attached to the motor 36, and the vehicle speed V from the vehicle speed sensor 58 , A shift position SP from a shift position sensor 61 for detecting the position of the shift lever 60, The accelerator pedal position AP from the accelerator pedal position sensor 63 for detecting the amount of depression of the lever 62, the brake pedal position BP from the brake pedal position sensor 65 for detecting the amount of depression of the brake pedal 64, and the like are input via input ports. I have.
[0016]
From the electronic control unit 40, a drive signal to the blower 24, a control signal to the DC / DC converter 32, a control signal to the inverter 34, a control signal to the reduction gear 12, and the like are output through output ports. I have.
[0017]
Next, the operation of the fuel cell system 20 of the embodiment, particularly, the operation of estimating the output characteristics of the fuel cell 26 and the operation of the output control will be described. In the embodiment, the basic output characteristic model of the fuel cell, specifically, the IV characteristic of the fuel cell is stored as a basic map or a function, and the basic output characteristic model is corrected each time according to the measured output current and terminal voltage in actual operation. Then, a corrected output characteristic model is obtained and used for estimating the output characteristic.
[0018]
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a routine for forming a basic model for obtaining output characteristics of the fuel cell 26. The pseudo load is connected to the fuel cell 26 to operate the fuel cell 26. The CPU 42 of the electronic control unit 40 gradually increases the output current of the fuel cell 26 from 0 amps to 400 amps according to a test program incorporated in the computer system, and sequentially outputs the output values of the voltmeter 54 and the ammeter 55 to the internal memory 45. It is stored (S22). This IV characteristic becomes a basic output characteristic model. The measurement of the IV characteristic may be performed a plurality of times, and the average characteristic thereof may be used as the basic output characteristic model.
[0019]
The IV characteristic, which is a basic output characteristic model, is stored in the ROM 44 in a non-volatile manner as a basic map including a group of sampling current values (grid currents) at regular intervals and a group of output voltage values (grid voltages) corresponding thereto. The IV characteristic may be stored as an approximate expression, for example, V = V 0 −RI. Here, V is a terminal voltage, E is a terminal voltage V 0 when the load circuit is opened, and R is obtained as a slope of a characteristic curve. I is the output current. Thus, the basic characteristic model is determined and stored in advance. An example of the basic characteristic model is indicated by a solid curve A in FIG. 4 (S24).
[0020]
In addition, as shown in FIG. 5, the distribution characteristics of the output current versus the voltage deviation of the fuel cell are obtained in advance by experiments. The distribution characteristic of the voltage deviation indicates the ratio of the deviation of the open output terminal voltage of the fuel cell to the deviation of the internal resistance voltage corresponding to the output current value.
[0021]
Next, correction of the basic characteristic model will be described. In an actual operation state of the fuel cell, a characteristic change from the basic characteristic model may occur due to a change with time of the fuel cell, a change in the water content of the polymer electrolyte membrane, and the like. Therefore, the output characteristic of the fuel cell is estimated by modifying the basic characteristic model stored in advance.
[0022]
As shown in FIG. 3, the CPU 42 of the electronic control unit 40 instructs the occurrence of a certain event, for example, a flag of a timer that generates a timeout output at a certain cycle during the operation of the fuel cell, a change of an operating condition, and the like. When the flag is set, the output characteristic correction processing routine is executed (S32).
[0023]
First, read the output I 1 of the current sensor 56 which monitors the output current of the output V 1 and the fuel cell voltage sensor 54 for monitoring the output terminal voltage of the fuel cell 26 (S34). It reads the basic characteristic model A described above, obtaining the estimated output voltage V S corresponding to the output current I 1 that is measured as shown in FIG. 4 (S36). Obtaining a voltage deviation ΔV of the actually measured output voltages V 1 and the estimated output voltage V S (S38).
[0024]
Here, ΔV = V S -V 1 = V 0 -R × I 1 - ((V 0 -ΔV 0) - (R-ΔR) × I 1)) = ΔV 0 -ΔR × I 1 becomes relation established I do. Therefore, the voltage deviation ΔV is divided into a deviation ΔV 0 of the electromotive force (open circuit voltage) V 0 and a voltage deviation ΔV R (= ΔR × I 1 ) due to the resistance deviation ΔR of the internal resistance R of the fuel cell 26. .
[0025]
Next, read the ratio α of the distribution of the voltage deviation ΔV in the output current I 1 from the graph shown in FIG. 5 described above. The deviation ΔV 0 of the electromotive force V 0 is obtained as (1−α) × ΔV. Voltage deviation [Delta] V R by the resistance deviation ΔR is determined as alpha × [Delta] V.
[0026]
The basic output characteristics A are corrected by these voltage deviations. First, the basic output characteristic curve A translated vertically by deviations [Delta] V 0 of the electromotive force, to obtain a curve B that fixes deviations [Delta] V 0 of the electromotive force. Next, the slope of the curve B is changed by applying a correction of the voltage drop [Delta] V R of the resistance deviation ΔR min to the characteristic curve B, curve passes through the measured point P 1 of the current on the coordinates (I 1, V 1) C Is obtained (S42).
[0027]
The corrected output characteristic curve C indicating the current output characteristic thus obtained is stored in the ROM 44 or the RAM 46 as a map (S44). Further, the approximation formula V C = (V 0 -ΔV 0 ) to -α (I C) · ΔV 0 or may be stored in memory. Here, the V C output voltage actually measured, I C is the output current measured, [Delta] V 0 represents the voltage difference between the output value of the output voltage and the basic output characteristic was measured. α (I C ) indicates the distribution ratio at the output current value I C. α (I C ) is obtained from a previously determined and stored graph (FIG. 5).
[0028]
According to the procedure described above, the information extracted from the fuel cell and other systems used to obtain the corrected output characteristic curve C from the basic output characteristic curve A is only the output voltage and output current of the fuel cell. It is not necessary to refer to operating parameters such as the fuel gas flow rate and the like, and the output characteristic curve can be corrected in a short time without any trouble.
[0029]
According to the fuel cell system 20 of the embodiment described above, the output characteristic estimation processing and the output characteristic correction processing executed by the CPU 42 of the electronic control unit 40 perform the more appropriate output characteristic of the fuel cell 26 used over time. Can be obtained. In addition, it can quickly respond to changes in internal resistance due to changes in the water content of the polymer electrolyte membrane of the fuel cell. In the fuel cell system 20 of the embodiment, the output of the system is controlled using the output characteristics of the fuel cell 26 thus obtained.
[0030]
FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of an output control routine executed by the electronic control unit 40 of the fuel cell system 20 according to the embodiment. This routine is repeatedly executed every predetermined time (for example, every 8 msec).
[0031]
When the output control routine is executed, the CPU 42 of the electronic control unit 40 first detects the vehicle speed V detected by the vehicle speed sensor 58, the accelerator pedal position AP detected by the accelerator pedal position sensor 63, and the brake pedal position sensor 65. A process of reading various data such as the brake pedal position BP to be performed is executed (step S300). Subsequently, an output to be output to the drive shaft 38, that is, a required output P0 to the system is calculated based on the read accelerator pedal position AP, brake pedal position BP, and vehicle speed V (step S302). In the embodiment, the required output P0 is calculated by storing in the ROM 44 a map in which the relationship between the accelerator pedal position AP, the brake pedal position BP, the vehicle speed V, and the required output P0 is stored in the ROM 44, and the accelerator pedal position AP and the brake pedal are stored. Given the position BP and the vehicle speed V, the corresponding required output P0 is derived from the map.
[0032]
When the required output P0 is calculated, the required output P0 is distributed to the fuel cell output Pfc output from the fuel cell 26 and the battery output Pb output from the battery 30 (step S304). The distribution of the required output P0 is, specifically, an output that can operate the fuel cell 26 efficiently from a range that can be output using the output characteristic of the fuel cell 26 estimated or corrected by the output characteristic correction processing routine of FIG. This is performed by setting the fuel cell output Pfc and allocating an excess or deficiency in the fuel cell output Pfc set for the required output P0 to the battery output Pb.
[0033]
When the required output P0 is distributed in this manner, the operating points Vfc * and Ifc * of the fuel cell 26 are set based on the fuel cell output Pfc (step S306), and the operating point voltage Vfc * set by the voltage of the power line 28 is set. The DC / DC converter 32 is controlled so as to satisfy (Step S308), and the inverter 34 is controlled so that the required output P0 is output from the motor 36 to the drive shaft 38 (Step S310), and this routine ends.
[0034]
Among the above-described procedures, the operation of setting the fuel cell output Pfc as an output that can efficiently operate the fuel cell 26 from an output range using the estimated or corrected output characteristic of the fuel cell 26 (step S304) , “Means for setting a target output of the fuel cell using the estimated output characteristics of the fuel cell”. The operation of setting the operating points Vfc * and Ifc * of the fuel cell 26 based on the fuel cell output Pfc (step S306) is performed such that the set target output is output from the fuel cell. This corresponds to output adjustment means for adjusting the output.
[0035]
According to the fuel cell system 20 of the embodiment described above, the fuel cell output Pfc is distributed using the more appropriate output characteristics of the fuel cell 26, so that the fuel cell 26 can be operated efficiently. As a result, the energy efficiency of the entire system can be improved. Moreover, in the fuel cell output Pfc, the excess or deficiency of the required output P0 is covered by the output Pb from the battery 30, so that the required output P0 can be output to the drive shaft 38.
[0036]
In addition, since the estimated output characteristics are set and corrected by a relatively simple method and apparatus without using the temperature of the fuel cell, the flow rate of the supplied gas, etc., the current estimated output characteristics can be corrected (updated) in a short time. )can do. It is suitable for use in an on-vehicle fuel cell whose operating conditions change drastically like a vehicle.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an example of a fuel cell system mounted on a vehicle according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a procedure for obtaining basic output characteristics of a fuel cell.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a procedure for correcting a basic output characteristic of a fuel cell.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a procedure for correcting a basic output characteristic of a fuel cell.
FIG. 5 is a graph illustrating distribution of a voltage deviation.
FIG. 6 is a flowchart illustrating an example in which the output characteristics are estimated to control the fuel cell system.
[Explanation of symbols]
26 fuel cell, 40 electronic control unit, 54 voltage sensor, 56 current sensor

Claims (3)

燃料電池の出力電流とその端子間電圧とを検出する電流電圧検出手段と、
検出された出力電流と端子間電圧と前記燃料電池の基本出力特性とに基づいて燃料電池の出力特性を推定する手段を備える燃料電池の出力特性推定装置であって、
検出された出力電流と前記燃料電池の基本出力特性から推定電圧値を算出する手段と、
前記推定電圧値と検出された端子間電圧値との電圧偏差を算出する手段と、
該電圧偏差を所定の割合で内部抵抗偏差と開回路電圧偏差に分配する手段と、
分配した電圧偏差を基に前記基本出力特性を補正する手段と、
を備える燃料電池の出力特性推定装置。
Current-voltage detection means for detecting the output current of the fuel cell and the voltage between its terminals,
An output characteristic estimating device for a fuel cell, comprising: means for estimating an output characteristic of a fuel cell based on a detected output current, a terminal voltage, and a basic output characteristic of the fuel cell,
Means for calculating an estimated voltage value from the detected output current and basic output characteristics of the fuel cell,
Means for calculating a voltage deviation between the estimated voltage value and the detected inter-terminal voltage value,
Means for distributing the voltage deviation to an internal resistance deviation and an open circuit voltage deviation at a predetermined rate;
Means for correcting the basic output characteristics based on the distributed voltage deviation,
An output characteristic estimating device for a fuel cell comprising:
請求項1記載の燃料電池の出力特性推定装置であって、
前記所定の割合は検出された出力電流値に対応して設定される燃料電池の出力特性推定装置。
The fuel cell output characteristic estimating device according to claim 1,
An output characteristic estimating device for a fuel cell, wherein the predetermined ratio is set in accordance with a detected output current value.
請求項1又は2に記載の燃料電池の出力推定装置と、
推定された前記燃料電池の出力特性を用いて前記燃料電池の目標出力を設定する手段と、
設定された目標出力が前記燃料電池から出力されるように前記燃料電池の出力を調整する出力調整手段と、を備える燃料電池システム。
An output estimating device for a fuel cell according to claim 1 or 2,
Means for setting a target output of the fuel cell using the estimated output characteristics of the fuel cell,
A fuel cell system comprising: an output adjusting unit that adjusts an output of the fuel cell so that the set target output is output from the fuel cell.
JP2003144868A 2003-05-22 2003-05-22 Fuel cell output characteristics estimation device Expired - Fee Related JP4228201B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003144868A JP4228201B2 (en) 2003-05-22 2003-05-22 Fuel cell output characteristics estimation device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003144868A JP4228201B2 (en) 2003-05-22 2003-05-22 Fuel cell output characteristics estimation device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004349114A true JP2004349114A (en) 2004-12-09
JP4228201B2 JP4228201B2 (en) 2009-02-25

Family

ID=33532207

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003144868A Expired - Fee Related JP4228201B2 (en) 2003-05-22 2003-05-22 Fuel cell output characteristics estimation device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4228201B2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008152950A1 (en) * 2007-06-14 2008-12-18 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
JP2013073901A (en) * 2011-09-29 2013-04-22 Toto Ltd Solid oxide fuel cell
CN103413751A (en) * 2013-07-18 2013-11-27 复旦大学 Cascade mass spectrometry method performed in ion trap mass analyzer
JPWO2013027634A1 (en) * 2011-08-23 2015-03-19 日産自動車株式会社 Fuel cell power generation characteristic estimation device
KR101846674B1 (en) * 2016-05-27 2018-04-06 현대자동차주식회사 Air supply system and control method of fuel cell
WO2023181650A1 (en) * 2022-03-22 2023-09-28 株式会社豊田中央研究所 Condition-estimating device, fault-determining device, and condition-estimating/fault-determining device

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008152950A1 (en) * 2007-06-14 2008-12-18 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
JP2008311080A (en) * 2007-06-14 2008-12-25 Toyota Motor Corp Fuel cell system
US8530105B2 (en) 2007-06-14 2013-09-10 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
DE112008001579B4 (en) * 2007-06-14 2014-07-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha The fuel cell system
JPWO2013027634A1 (en) * 2011-08-23 2015-03-19 日産自動車株式会社 Fuel cell power generation characteristic estimation device
US9685669B2 (en) 2011-08-23 2017-06-20 Nissan Motor Co., Ltd. Power generation characteristic estimation device for fuel cell
US9983268B2 (en) 2011-08-23 2018-05-29 Nissan Motor Co., Ltd. Power generation characteristic estimation device for fuel cell
JP2013073901A (en) * 2011-09-29 2013-04-22 Toto Ltd Solid oxide fuel cell
CN103413751A (en) * 2013-07-18 2013-11-27 复旦大学 Cascade mass spectrometry method performed in ion trap mass analyzer
KR101846674B1 (en) * 2016-05-27 2018-04-06 현대자동차주식회사 Air supply system and control method of fuel cell
WO2023181650A1 (en) * 2022-03-22 2023-09-28 株式会社豊田中央研究所 Condition-estimating device, fault-determining device, and condition-estimating/fault-determining device

Also Published As

Publication number Publication date
JP4228201B2 (en) 2009-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5017760B2 (en) Fuel cell output characteristic estimation apparatus and output characteristic estimation method, fuel cell system and vehicle equipped with the same, fuel cell output control method, and storage medium
JP5146898B2 (en) FUEL CELL POWER CONTROL DEVICE, FUEL CELL SYSTEM, AND FUEL CELL POWER CONTROL METHOD
CN102422473B (en) Fuel cell system
CN101682064B (en) Fuel cell system
JP4294884B2 (en) Fuel cell power supply
US20090105895A1 (en) Fuel Cell Vehicle
KR20080056322A (en) Fuel cell system
JP2003086211A (en) Fuel cell power supply
KR20120060505A (en) Cold Start Control Apparatus and Method of Fuel Cell System
KR20180126126A (en) Controlling method and system for fuel cell vehicle
JP4228201B2 (en) Fuel cell output characteristics estimation device
JP4614182B2 (en) FUEL CELL SYSTEM, CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM, COMPUTER PROGRAM THEREOF, AND RECORDING MEDIUM RECORDING THE SAME
US7808204B2 (en) Controller for fuel cell system
US9991535B2 (en) Fuel cell system and maximum power calculation method
US20180294498A1 (en) Control method and system for stop mode of fuel cell
US20160133974A1 (en) Fuel cell system and control method of fuel cell system
JP2006048483A (en) Power supply device, power balance correction method thereof, and current-voltage characteristic estimation method of power supply
US20020016662A1 (en) Method and arrangement for automatically correcting current setpoints for operating at least one drive unit fed from a power supply system by including the current consumption of other consumers supplied by the power supply system
JP2004220794A (en) Fuel cell control device
JP4396173B2 (en) Fuel cell control device and computer program
JP4335303B2 (en) Fuel cell power supply
JP2005085504A (en) Fuel cell output characteristic management device and management method
JP2004241272A (en) Fuel cell control device, method therefor, and vehicle equipped with the device
JP2007242529A (en) Voltage detector
JP2000223140A (en) Fuel cell control device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20051202

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080425

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080507

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080704

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20080704

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20081105

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20081118

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 4228201

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111212

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111212

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121212

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131212

Year of fee payment: 5

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees