CN101218704B - 燃料电池系统与交流阻抗测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种能够测量交流阻抗的燃料电池系统，包括：发电稳定装置(103)，用于稳定燃料电池(100)内的发电；以及阻抗测量装置(104)，用于在燃料电池内的发电稳定之后测量交流阻抗。由于在燃料电池(100)的发电稳定之后测量低频范围的交流阻抗，所以在测量期间不会发生外部干扰，并且可高度精确地测量交流阻抗。因此，提供了可高度精确地测量交流阻抗的燃料电池系统和测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地涉及一种用于测量交流阻抗以检测燃料电池运行状况的技术的改进。
背景技术
已知燃料电池的输出受燃料电池的内部条件影响，例如电解液的湿度。电解液的湿度与燃料电池的复阻抗相对应，因此在相关领域内，已经提出通过向燃料电池的输出施加交流信号来监测燃料电池的运行状况，以检测振幅比和电流与电压之间的相位偏移，从而计算复阻抗。
例如，日本专利申请特开2003-86220描述了一种燃料电池系统，其中燃料电池的复阻抗通过向燃料电池的输入信号施加正弦波信号，同时将频率从高频变化为低频来确定，并且燃料电池的湿度状况从燃料电池的内部含湿量不足时增加的阻抗分量R1和内部含湿量过高时增加的阻抗分量R2来估计。阻抗分量R1通过施加高频正弦波信号来测量，阻抗分量R2通过施加低频正弦波信号来测量。日本专利申请特开2003-297408描述了使用类似技术的燃料电池系统，其中要检测的气体的含水量从电化学电池的电压或者电流来检测。
根据上述传统技术，通过测量燃料电池的阻抗可间接获知燃料电池的内部湿度状况。
发明内容
但是，在上述传统技术中，当施加低频正弦波信号时，测量精度往往会变差。其原因是附属设备(例如，泵或压缩机)作为燃料电池的负载，因此燃料电池的输出电流根据附属设备的运行状况而变化。换句话说，认为负载状况根据附属设备的操作变化，导致燃料电池输出电流的变化。电流是确定交流阻抗的要素，因此如果电流根据负载状况周期性地变化，那么测量的交流阻抗会获得不准确的值。
本发明的目的是通过提供一种燃料电池和测量方法解决上述问题，通过其可高度精确地测量交流阻抗。
为实现该目的，本发明为一种能够测量燃料电池内的交流阻抗的燃料电池系统，包括：发电稳定装置，用于将所述燃料电池内的发电保持在稳定状态；以及阻抗测量装置，用于当检测到所述燃料电池内的所述发电处于稳定状态时测量所述交流阻抗。
本发明还是一种交流阻抗测量方法，包括下列步骤：将燃料电池内的发电保持在稳定状态；以及在稳定了所述燃料电池内的发电之后，测量所述交流阻抗。
根据本发明，在测量交流阻抗之前进行燃料电池内稳定发电的处理，因此消除了交流阻抗测量期间燃料电池发电变化的起因。因此，在该情形下测量的交流阻抗对应于燃料电池的湿度状况，表示精确的复阻抗。
这里，例如，在低频范围内测量“交流阻抗”。“低频范围”为比较低的频率范围，可在该范围内测量交流阻抗，并包括频率ω＝0。在该频率范围内的交流阻抗能够根据燃料电池的发电状况变化。
“稳定发电状态”表示燃料电池的发电(功率、电流、电压)为定值的情形，也表示发电的变化抑制到或低于预定的发电区域(范围)。
另外，所述发电稳定装置优选将燃料电池的发电电流保持在恒定水平。
这里，“恒定水平”表示固定的电流值，还表示将电流变化抑制为或低于预定的电流区域(范围)。
在本发明中，所述发电稳定装置可包括：蓄电装置，其电连接到所述燃料电池；以及功率控制装置，用于控制所述燃料电池与所述蓄电装置之间的功率传递，使得所述燃料电池的输出稳定。当燃料电池内的发电稳定时，输出固定量的功率，但是当所需的负载功率小于输出功率时，产生过剩功率。根据上述构成，过剩的功率被充到蓄电装置，因此有效地利用了能量。注意，当电连接到燃料电池的负载装置(例如，驱动电机等)的消耗功率(负载功率)小于燃料电池产生的功率时，产生功率过剩。
另外，在本发明中，所述发电稳定装置可包括：蓄电装置，其电连接到所述燃料电池；以及功率控制装置，用于通过从所述蓄电装置放电来补偿由稳定所述燃料电池的输出而引起的功率不足。当燃料电池内的发电稳定时，输出固定量的功率，但是当所需的负载功率大于输出功率时，产生功率不足。根据上述构成，功率不足由蓄电装置供给，因此能够响应在交流阻抗测量期间发生所需负载功率增大的情形。注意，当电连接到燃料电池的负载装置(例如，驱动电机等)的消耗功率(负载功率)大于燃料电池产生的功率时，产生功率不足。
同样在本发明中，当所述功率不足超过通过从所述蓄电装置提供的补偿功率时，所述阻抗测量装置停止测量所述交流阻抗。当燃料电池稳定的发电量不足，使得从蓄电装置放电补偿不足，并且由于加速器的突然操作等引起所需负载功率突然增加时，可能无法通过从蓄电装置放电来获得所需的负载功率。根据上述构成，当所需的负载超过可从蓄电装置补充的功率时，暂时停止交流阻抗测量，因此能够响应突然的负载变化。
同样在本发明中，当可向所述蓄电装置充入或从所述蓄电装置放出的功率受限制时，所述阻抗测量装置优选停止测量所述交流阻抗。关于蓄电装置根据其容量可进行充电/放电，但是依赖于蓄电装置和相关装置的温度，可流过功率系统的电流有时候受限制。根据上述构成，当向蓄电装置施加的功率达到预定限制时，停止阻抗测量，结果，提高了系统的安全性和耐用性。
本发明还可构成为当所述燃料电池处于低输出操作模式时，在将所述燃料电池的发电量增大预定量之后，测量所述交流阻抗。交流阻抗测量参考电流相对于所施加的交流电压的相位延迟，因此除非供应确定的电流，否则测量的精度低。在低输出操作模式中，例如怠速操作模式，发电量小，因此发电量有时不适于交流阻抗测量。根据上述构成，在低输出操作模式中，在增加了发电量之后开始测量，因此可高度精确地进行阻抗测量。
注意，“低输出操作模式”为燃料电池的输出相对于相关输出或最大输出比较低的操作模式。
具体地，上面简述的本发明为能够测量交流阻抗的燃料电池系统，包括：蓄电装置，其能够从燃料电池充电和向负载装置放电；发电稳定装置，用于稳定所述燃料电池内的发电；阻抗测量装置，用于在所述燃料电池内的所述发电稳定之后测量所述交流阻抗；充电装置，用于当由于稳定的燃料电池的发电出现功率过剩时，将过剩功率充向所述蓄电装置；放电装置，用于当由于稳定的燃料电池的发电出现功率不足时，从所述蓄电装置放电来补偿功率不足；发电量增大装置，用于当所述燃料电池处于低输出操作模式时，在将所述燃料电池的发电量增大预定量之后测量所述交流阻抗；第一测量停止装置，用于当所述功率不足超过所述蓄电装置的可放电量时，停止交流阻抗测量；以及第二测量停止装置，用于当可充向所述燃料电池或从所述燃料电池放电的功率受限制时，停止所述交流阻抗测量。
附图说明
图1为根据实施例的混合燃料电池系统的方框图；
图2为本发明的功能框图；
图3为示出根据第一实施例的交流阻抗测量方法的流程图；以及
图4为示出根据第二实施例的交流阻抗测量方法的流程图。
具体实施方式
下面，参考附图描述本发明的优选实施例。
在本发明的实施例中，本发明应用于安装在电动汽车内的混合燃料电池系统中。下面要描述的实施例仅仅是可应用本发明的方式的实例，并不限制本发明。
(第一实施例)
第一实施例涉及在燃料电池的发电稳定之后测量低频范围内的交流阻抗的燃料电池系统，更具体地涉及燃料电池的发电稳定伴随的功率过剩或功率不足可给蓄电装置充电或从蓄电装置放电的实例。
图2为涉及由该混合燃料电池系统实现的本发明交流阻抗测量的功能框图。
如图2中所示，混合燃料电池系统包括燃料电池100、可从燃料电池100充电并且可向负载装置102放电的蓄电装置101。能量可从燃料电池100和蓄电装置101中的一个或两个供应到负载装置102，负载装置102再生的能量可充到蓄电装置101。该燃料电池系统的交流阻抗测量功能由控制单元3提供。
控制单元3包括下列功能块；
(1)发电稳定装置103，用于稳定燃料电池100内的发电；
(2)阻抗测量装置104，用于在燃料电池100的发电稳定之后测量交流阻抗；
(3)充电装置105，用于在稳定的燃料电池100发电期间产生功率过剩时，向蓄电装置101充电过剩功率；
(4)放电装置106，用于在稳定的燃料电池发电期间产生功率不足时，通过从蓄电装置101放电来补偿功率不足；
(5)第一测量停止装置108，用于在不足功率超过可从蓄电装置101放电的功率时停止交流阻抗测量；
(6)第二测量停止装置109，用于在可向燃料电池100充电或从燃料电池100放电的功率有限时停止交流阻抗测量；以及
(7)发电量增大装置107，用于在当燃料电池100处于低输出操作模式时，将燃料电池100的发电量增大预定量之后，测量交流阻抗。
作为组成要素(7)的发电量增大装置将在第二实施例中描述。在第一实施例中，将描述其余功能块实现的处理。
图1为详细示出混合燃料电池系统的方框图。
如图1中所示，混合燃料电池系统包括：阳极气体供给系统1，用于向燃料电池100供给作为阳极气体的氢气；阴气气体供给系统2，用于向燃料电池100供给作为阴极气体的空气；控制单元3，其执行根据本发明的交流阻抗测量方法；以及作为交流阻抗测量主题的动力系统4。
燃料电池100具有由多个堆叠单元(单个电池)形成的堆叠结构。各电池具有称为MEA(薄膜电极组件)的发电体夹在具有氢气、空气和冷却水通道的一对分离器之间的结构。MEA具有将聚合物电解液夹在两个电极(即阳极和阴极)之间的结构。阳极通过在多孔支撑层上设置燃料电极催化剂层形成，阴极通过在多孔支撑层上设置空气电极催化剂层形成。可替选地，可使用磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池或其它类型的燃料电池。
燃料电池100引起水电解逆反应。用作阳极气体的氢气从燃料气体供给系统1供给到阳极(负极)侧，用作阴极气体的含有氧气的空气从阴极气体供给系统2供给到阴极(正极)侧。在阳极侧发生如公式(1)中所示的反应，在阴极侧发生如公式(2)所示的反应。结果，产生电子循环，引起电流流动。
H2→2H++2e- (1)
2H++2e-+(1/2)O2→H2O (2)
阳极气体供给系统1包括用作氢气气体供给源的氢气罐10、阳极气体供给通道11和阳极废气排出通道12，其中氢气气体用作燃料气体。尽管图中未示出，但是阳极气体供给系统1还可设有用于使氢气气体流动的氢气泵，以及需要来管理和控制氢气气体的压缩阀(base valve)、调节阀、截流阀、止回阀、气液分离器等等。
氢气罐10充满高压氢气气体。除了高压氢气罐，使用氢气吸收合金的氢气罐、使用转化气体的氢气供给机构、液氢罐、液化燃料罐等等也可用作氢气供给源。阳极气体供给通道11为用于供给高压氢气气体的管道，图中未示出的压力调节阀(调节器)等可设在其上的中间点处。通过阳极气体供给通道11供给的氢气气体通过歧管供给到燃料电池100内各单个电池的阳极侧，在MEA的阳极内发生电化学反应之后，氢气气体作为阳极废气(氢废气)排出。阳极废气排出通道12为用于从燃料电池100排出阳极废气的通道，其可形成再循环通道。再循环通道可形成通过止回阀和喷射器将阳极废气返回到阳极气体供给通道11，图中未示出。
阴极气体供给系统2包括压缩机20、阴极气体供给通道21和阴极废气排出通道22。尽管图中未示出，但是阴极气体供给系统2还可设有用于控制用作阴极气体(即，氧化气体)的空气的湿度的增湿器、用于移除阴极废气(空气废气)的气液分离器、用于将阳极废气与阴极废气混合的稀释器、消音器等等。
压缩机20将从空气滤清器等获取的空气压缩、改变空气量和空气压力，并将空气供给到燃料电池100的阴极侧。通过阴极气体供给通道21供给的空气通过歧管供给到燃料电池100内各单个电池的阴极侧，类似于氢气气体，在MEA的阴极内发生电化学反应之后，空气作为阴极废气排出。从燃料电池100排出的阴极废气通过稀释器与阳极废气混合，然后排出。
动力系统4包括电池40、直流-直流变换器41、牵引逆变器42、牵引电机43、辅助逆变器44、高压辅助装置45、电池计算机46、电流传感器47、电压传感器48、防逆流二极管49等等。
电池40涉及本发明的蓄电装置101，由可充电/可放电的二次电池组成。各种形式的二次电池均可用作电池，例如镍氢电池。除了二次电池，也可使用例如电容的可充电/可放电的蓄电装置。通过堆叠和串联多个以固定电压产生电能的电池单元，电池40能够输出高电压。
电池计算器46设在电池40的输出终端上，能够与控制单元3通信。电池计算器46监测电池40的充电状态，以保持电池处于适当的充电范围内，防止过充和过放，当过充、过放等类似情况发生时通知控制单元3。
直流-直流变换器41通过增大/减小初级侧与次级侧之间的电压使能量流动。例如，直流-直流变换器41将电池40在初级侧上的输出电压增大到燃料电池100在次级侧上的输出电压，以向负载装置102(例如牵引电机43或高压辅助装置45)供电。相反地，直流-直流变换器41减小燃料电池100的功率过剩或者负载装置102在次级侧的再生能量的电压，并随之在主级侧上给电池40充电。
牵引逆变器42将直流电转换为三相电流，并将该三相电流供给到牵引电机43。牵引电机43为三相电机，例如，用作安装有燃料电池系统的汽车的主动力源。
辅助逆变器44用作用于驱动高压辅助装置45的直流-交流转换装置。高压辅助装置45对应于操作燃料电池系统所需的各种类型的电机，例如压缩机20、氢气泵和冷却系统的电机。
电流传感器47检测直流-直流变换器41的次级侧电流，并且能够将该电流供给到控制单元3，作为检测信号Si。电压传感器48检测次级侧电压，并且能够将该电压供给到控制单元3，作为检测信号Se。
控制单元3由包括CPU(中央处理单元)、RAM、ROM、接口电路等等的通用计算机组成。控制单元3主要按顺序执行存储在内部ROM内的软件程序，以控制整个燃料电池系统，包括阳极气体供给系统1、阴极气体供给系统2和动力系统4，并且还能够在燃料电池系统内执行本发明的交流阻抗测量方法。
更具体地，控制单元3分为下列操作块。具体涉及本发明的操作块为滤波器30、31，FFT处理单元32、33，修正处理单元34，阻抗分析单元35，确定单元36，存储装置37，交流信号发生器38以及交流信号加法器39。
交流信号发生器38为用于产生叠加在电力线路上的交流信号的振荡器，其优选构造成能够产生高频和低频的交流信号。在燃料电池中，交流阻抗的频率特征根据电解液的内部状况变化，例如湿度，因此通过在至少两个不同的频率测量交流阻抗，能够检测电解液是否过湿或干。例如，使用约300Hz的频率作为高频交流信号，使用不超过10Hz的频率作为低频交流信号，通过分析可推断燃料电池的内部状况。加法器39由功率晶体管等组成，例如，用来将从交流信号发生器38施加到基部的交流信号叠加在电力线路上。可替选地，交流信号发生器38的输出可叠加在直流-直流变换器41的指令电压上。
注意，本发明用于防止由于高压辅助装置等的操作引起电流变化而无法精确地测量交流阻抗的情形。
滤波器30和31为只允许对应于交流信号发生器38的发射频率的交流信号通过的带通滤波器。滤波器30只允许涉及电流传感器47检测的检测信号Si的交流阻抗测量的频率分量通过。滤波器31只允许涉及电压传感器48检测的检测信号Se的交流阻抗测量的频率分量通过。
FFT处理单元32和33对电流检测信号Si和电压检测信号Se进行快速傅立叶变换计算，并且将测量频率分量内的电流检测信号Si和电压检测信号Se分成实部和虚部，分别为(ai+jbi，ae+jbe)。阻抗分析单元35基于经历了FFT处理的电压检测信号和电流检测信号计算交流阻抗X(ax+bx)，确定距复平面原点的距离(有效值)r(＝√(ax 2+jbx 2))和相位角θ(＝tan-1(b/a))，并且确定所施加频率的交流信号内的交流阻抗。
这里，修正处理单元34根据滤波器30和31的滤波特征修正发生的相位延迟和增益变化。修正处理单元34基于滤波器30和31的预测量相位延迟和增益变化修正FFT处理单元32和33内的实部和虚部的系数(ai，bi，ae，be)。由于该修正处理，所以获得了不包括根据滤波器特征产生的相位延迟和增益变化的实际电压检测信号和电流检测信号。
确定单元36在存储装置37内存储由阻抗分析单元35确定的有效值和相位角，或者存储在复平面上两个不同频率f1和f2的实部和虚部(aXf1，bXf1)(aXf2，bXf2)。为了确定燃料电池的电阻过电压和扩散过电压，复平面上的阻抗曲线由基于复平面上两个点的几何计算确定，因此将无限频率处的电阻值设定为电解液的电阻，在零频率处的电阻值设定为活性化过电压和扩散过电压的电阻变换值。
通过确定和存储交流阻抗，同时改变交流信号发生器38的发射频率，无需特殊的几何计算就可确定阻抗曲线。
确定单元36在本发明的基础上构成，以在交流阻抗测量的前提下控制燃料电池系统的运行状况。下面对这点进行详细描述。
现在参考图3中的流程图详细描述由确定单元36执行的根据第一实施例的交流阻抗测量方法。该交流阻抗测量方法的具体特征为在燃料电池100的发电稳定之后测量低频范围内的交流阻抗。
首先，确定是否已设定为执行低频交流阻抗测量模式(S1)。低频交流阻抗测量是在受燃料电池的操作状况影响的频段内的交流阻抗测量，例如10Hz以下的频段。
当未设定低频交流阻抗测量模式时(S1：NO)，确定是否切换为交流阻抗测量模式。首先，由于本发明的第一特征，稳定了燃料电池100内的发电。更具体地，固定了燃料电池100内牵引电机43和高压辅助装置45的扭矩，以稳定负载条件，并固定供给到燃料电池100的氢气气体和空气的流率。这样，稳定了燃料电池的运行状况，从而固定了燃料电池100产生的电流(S2)。将此时固定的发电设为固定值Pc。
然后，从电池计算机46读取表示电池40充电状态的检测信号SSOC(S3)。通过参考检测信号SSOC，能够检测电池40是否处于适当的充电区域、过放区域或过充区域内。还参考表示电池40内部温度的检测信号St1和表示变换器41内部温度的检测信号St2。当电池40或变换器41的内部温度过高时，从元件保护等的观点来看，是不适于再产生任何电流流动的，因此通过参考温度，可获系统的电流极限。
然后，确定是否将交流阻抗测量模式转换为开(S4)。
首先，确定是否从前一交流阻抗测量经过了固定时间周期T。交流阻抗用于检查燃料电池系统的状况，因此应当设置适当的间隔T，在该间隔T期间，可能在系统状况中发生变化。
然后，确定燃料电池100内的发电是否稳定。稳定的发电表示供给到燃料电池100的燃料气体(氢气气体、空气)的状态保持在固定水平或者停止，例如，供给到牵引电机43和高压辅助装置45的能量主要来自电池40。做出该确定以防止由于高压辅助装置45操作的负载变化引起燃料电池100产生的电流变化，导致用作交流阻抗测量基础的电流检测信号的幅度(增益)发生变化的情形。
注意，除了如上所述，将燃料电池的负载状况稳定，并固定燃料气体供给量之外，还可通过参考电流传感器47和电压传感器48的检测信号来确定燃料电池100的输出功率是否稳定。如果由电流传感器47检测的电流值和由电压传感器48检测的电压值都在预定变化范围内保持至少固定的时间周期，那么可认为燃料电池的发电是稳定的。
另外，从电池开始，做出在系统内未出现电流极限的确认。例如，确定电池40是否处于过放或过充状态，以及电池40或变换器41的内部温度是否过高。这些确定的原因在于，当出现电流极限时，不适于从电池40增加电力供应，因此牵引电机43和高压辅助装置45的驱动功率必须由燃料电池100的发电来覆盖。
当满足这些条件时(S4：YES)，交流阻抗测量模式转换为开(S5)。如果有任一条件未满足(S4：NO)，那么处理终止，不将交流阻抗测量模式转换为开。
另一方面，当交流阻抗测量模式已转换为开时(S1：YES)，确定是否保持阻抗测量模式。
首先，读取燃料电池100所需的功率(S10)。燃料电池100所需的功率基于作为系统所需功率的加速器开度信号Sa和换档位置信号Ss来确定，以获得当前所需的操作状况。然后，读取电池计算机46的检测信号SSOC(S11)。
然后，确定用于继续交流阻抗测量的条件是否已满足(S12)。
首先，确定交流阻抗测量开始之后所需的功率的变化是否大于预定阈值Pth。阈值Pth根据每单位时间可从电池40供应的功率量来确定。该确定的原因在于，当系统所需功率的变化等于或大于固定值时，单独通过电池40的功率供应无法满足功率需求。
另外，确认电池和其它系统组件内未出现电流极限。例如，确定电池40是否处于过放或过充状况以及电池40或变换器41的内部温度是否过高。这些确定的原因在于，当出现电流极限时，不适于从电池等增加电力供应，因此牵引电机43和高压辅助装置45的驱动功率必须由燃料电池100的发电来覆盖。这样，无法进行交流阻抗测量。
当形成了这些条件中任意一个时(S12：YES)，暂时不适宜进行交流阻抗测量，因此交流阻抗测量模式转换为关(S18)，终止其处理。
另一方面，当步骤S12中这些条件都未形成时(S12：NO)，这意味着系统由单独从电池40供应的电力来操作，因此使用固定的功率值Pc来继续燃料电池100的发电(S13)。
当上述准备完成时，继续交流阻抗测量(S14)。在交流信号的各频率检测电压检测信号Se和电流检测信号Si，检测的电压检测信号和电流检测信号存储在存储装置37中。该交流阻抗测量方法可构成为每次程序开始时在新的频率进行检测，或者一次在多个频率进行检测。
当在与测量相关的所有频率的测量未完成时(S15：NO)，进行下面的测量，并且当所有频率的测量都完成时(S15：YES)，基于检测的电压检测信号和电流检测信号计算低频交流阻抗(S16)。换句话说，基于电压分量与电流分量之间的相位差和增益差确定交流阻抗。存储确定的交流阻抗，并更新为表示在该频率当前时间点的内部状况的参数(S17)。一旦更新了交流阻抗，那么交流阻抗测量模式就转换为关(S18)。
基于该流程图的描述为本发明的实例，对处理的细节和顺序并没有限制。只要在实际的交流阻抗测量开始之前稳定了燃料电池，当系统所需的功率大或系统内出现电流极限时停止交流阻抗测量，那么就可根据需要修改本发明。
根据上述第一实施例，在交流阻抗测量之前进行燃料电池内发电的稳定处理，从而消除了交流阻抗测量期间燃料电池发电变化的起因。因此，可高度精确地测量交流阻抗。
同样根据第一实施例，将燃料电池100发电稳定期间产生的过剩功率给电池40充电，因此能有效地使用能量。
同样根据第一实施例，通过从电池40放电，补充了燃料电池100发电稳定期间产生的功率不足，因此当测量期间所需的负载功率增大时，无需停止交流阻抗测量就可跟随负载变化。
同样根据第一实施例，当超过了通过从电池40放电提供的功率Pth时，停止交流阻抗测量(S12，S18)，使得能够响应于诸如加速器的突然操作的突然负载变化。
同样根据第一实施例，当能充入或从电池40放出的功率等受到限制时，停止交流阻抗测量(S12，S18)，结果，可提高系统的安全性和耐用性。
(第二实施例)
本发明的第二实施例涉及在低输出操作模式(例如怠速操作)内的交流阻抗测量方法。
图1的系统方框图和图2的功能框图也将应用到第二实施例的混合燃料电池系统，因此省略其描述。
现在基于图4的流程图描述根据第二实施例的交流阻抗测量处理。在根据第二实施例的交流阻抗测量期间，当燃料电池为低输出操作模式时，在燃料电池的发电量增大预定量之后，测量交流阻抗。该流程图涉及用于在燃料电池为低输出状态时测量交流阻抗的具体处理。现在详细描述该处理。
首先，确定是否设定用于进行低输出交流阻抗测量的模式(S20)。当未设定低输出交流阻抗测量模式时(S20：NO)，在确定是否转换到交流阻抗测量模式(S21)的前提下稳定燃料电池100的发电。更具体地，固定燃料电池100内牵引电机43和高压辅助装置45的扭矩，以稳定负载状况，并固定供给到燃料电池100的氢气气体和空气的流率。这样，稳定了燃料电池的运行状况，结果固定了燃料电池100产生的电流，使得产生的功率设定为固定值Pc。
然后，从电池计算机46读取表示电池40充电状态的检测信号SSOC(S22)，以检测电池40是否处于适当的充电区域、过放区域或过充区域内。还参考表示电池40内部温度的检测信号St1和表示变换器41内部温度的检测信号St2。
然后，确定是否将交流阻抗测量模式转换为开(S23)。
首先，确定从前一交流阻抗测量是否经过了固定时间周期T。然后，确定燃料电池100内的发电是否稳定。另外，从电池开始，做出在系统内未出现电流极限的确认。这些确定都与第一实施例相同。
另外，在该实施例中，确定燃料电池的输出电流是否小于交流阻抗测量所需的测量电流值Id(S25)。通过测量所施加的交流信号的电压和电流，并从电流相对于电压的延迟(提前)的相位和放大水平计算交流阻抗来测量交流阻抗。因此，如果检测的电流未达到一定的量级，那么交流阻抗测量会受误差和噪声的影响，使得无法精确地测量交流阻抗。这里，确定燃料电池是否处于这种低输出状态(换句话说，交流阻抗测量未在运行的正常操作状态)。
当满足所有这些条件时(S23：YES)，低输出交流阻抗测量模式转换为开(S24)。如果有任一条件未满足(S23：NO)，那么处理终止，不将交流阻抗测量模式转换为开。
当交流阻抗测量模式已转换为开时(S20：YES)，确定是否保持阻抗测量模式。
首先，读取燃料电池100所需的功率(S30)。燃料电池100所需的功率基于作为系统所需的功率的加速器开度信号Sa和换档位置信号Ss来确定，以获得当前所需的操作状况。然后，读取电池计算机46的检测信号SSOC(S31)。
然后，确定用于继续交流阻抗测量的条件是否满足(S32)。
首先，确定从燃料电池100所需功率计算的所需电流是否大于交流阻抗测量电流Id。当从系统所需功率计算的电流量大于测量电流值Id时，单独通过从电池40的电力供应无法满足功率需求。可根据功率值做出其确定，类似于第一实施例，而不是通过比较电流值。
另外，类似于第一实施例，确认电池和其它系统组件内未出现电流极限。例如，确定电池40是否处于过放或过充状况以及电池40或变换器41的内部温度是否过高。这些确定的原因在于，当出现电流极限时，不适于从电池等增加电力供应，因此牵引电机43和高压辅助装置45的驱动功率必须由燃料电池100的发电来覆盖。这样，无法进行交流阻抗测量。
当形成了这些条件中任意一个时(S32：YES)，暂时不适宜进行交流阻抗测量，因此交流阻抗测量模式转换为关(S38)，终止其处理。
另一方面，当步骤S32中这些条件都未形成时(S32：NO)，增加燃料电池输出以获得适于交流阻抗测量的测量电流值Id，并且当在测量电流值Id下已经产生功率时，保持该状态(S33)。因此，在稳定的测量电流值Id下持续燃料电池100内的发电。
然后，执行交流阻抗测量(S34)。在交流信号的各频率下检测电压检测信号Se和电流检测信号Si，检测的电压检测信号和电流检测信号存储在存储装置37中。该交流阻抗测量方法可构成为每次程序开始时在新的频率进行检测，或者一次在多个频率进行检测。
当在与测量相关的所有频率的测量未完成时(S35：NO)，进行下面的测量，当所有频率的测量都完成时(S35：YES)，基于检测的电压检测信号和电流检测信号计算低频交流阻抗(S36)。换句话说，基于电压分量与电流分量之间的相位差和增益差确定交流阻抗。存储确定的交流阻抗，并更新为表示在该频率当前时间点的内部状况的参数(S37)。一旦更新了交流阻抗，那么交流阻抗测量模式就转换为关(S38)。
基于该流程图的描述为本发明的实例，对处理的细节和顺序并没有限制。只要在实际的交流阻抗测量开始之前稳定了燃料电池，当系统所需的功率大或系统内出现电流极限时停止交流阻抗测量，和当系统所需的功率小时增大燃料电池的输出电流，那么就可根据需要修改本发明。
根据上述第二实施例，除了与第一实施例所具有的那些相类似的作用和效果之外，当设定为低输出操作模式时，在增大发电量之后开始测量，因此可高度精确地测量交流阻抗。
(其它实施例)
除了上述实施例之外，本发明还可进行各种修改。
例如，在上述实施例中，本发明是应用到交流阻抗测量，但是本发明的概念还可应用到根据负载装置(例如高压辅助装置)的操作检测变化的物理值的情形。换句话说，在测量物理值之前，可通过控制负载装置的运行状况来稳定燃料电池的输出，以应用本发明。
在上述实施例中，将作为移动体的车辆内安装的混合燃料电池系统用作实例，但是本发明不限于安装在汽车内的燃料电池系统，还可应用到安装在其它移动体内的混合燃料电池系统，例如船舶或飞行器。不用说，本发明还可应用到静止的混合燃料电池系统中。
根据本发明，在燃料电池内的发电设定为稳定状态之后测量交流阻抗。因此，在测量期间不会发生外界干扰，可高度精确地测量交流阻抗。
Claims (8)
1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；
功率检测装置，用于检测所述燃料电池的输出功率；
交流阻抗测量装置，用于基于所述燃料电池的输出电压来测量交流阻抗；
燃料气体供给装置，用于向所述燃料电池供给燃料气体；
氧化气体供给装置，用于向所述燃料电池供给氧化气体；
负载装置，用于消耗来自所述燃料电池或电连接到所述燃料电池的蓄电装置的功率；以及
控制装置，用于控制所述燃料气体和所述氧化气体向所述燃料电池的供给和所述负载装置的运行，
其特征在于，所述控制装置将通过所述燃料气体供给装置的所述燃料气体的供给、通过所述氧化气体供给装置的所述氧化气体的供给、以及所述负载装置的运行保持在稳定状态，
使用所述功率检测装置检测所述燃料电池的所述输出功率，并且
当所述检测的输出功率稳定时，使用所述交流阻抗测量装置测量所述交流阻抗。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
电连接到所述燃料电池的所述蓄电装置；以及
功率控制装置，用于控制所述燃料电池与所述蓄电装置之间的功率传递，使得所述燃料电池的电流保持恒定。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
电连接到所述燃料电池的所述蓄电装置；以及
功率控制装置，用于通过从所述蓄电装置放电来补偿由将所述燃料电池的电流保持恒定而引起的功率不足。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，当所述功率不足超过通过从所述蓄电装置放电而提供的补偿功率时，所述交流阻抗测量装置停止测量所述交流阻抗。
5.如权利要求2至4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，当能向所述蓄电装置充电或从所述蓄电装置放电的功率受到限制时，所述交流阻抗测量装置停止测量所述交流阻抗。
6.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，当所述燃料电池处于低输出运行模式时，在将所述燃料电池的发电量增大预定量之后，测量所述交流阻抗。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：
功率控制装置，用于控制所述燃料电池与所述蓄电装置之间的功率传递，
其中，所述控制装置构成为能够控制传递到所述蓄电装置或者从所述蓄电装置传递的功率，并且
当所述燃料电池的所述输出功率稳定时，所述控制装置
(a)当所述燃料电池的所述输出功率过多时，控制所述功率控制装置以将过剩功率充入所述蓄电装置；并且
(b)当所述燃料电池的所述输出功率不足时，控制所述功率控制装置以使所述蓄电装置补偿功率不足。
8.一种用于如权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统的交流阻抗测量方法，包括下列步骤：
在阻抗测量期间将所述燃料电池的电流保持恒定；以及
在稳定了所述燃料电池内的电流产生之后，测量所述交流阻抗。
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