CN104614680A - 层叠电池的内阻测量装置 - Google Patents

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Abstract

层叠电池的内阻测量装置包括：交流电源部，其与至少包括层叠多个发电元件而成的层叠电池的内阻测量对象连接，向内阻测量对象输出交流电流；交流调整部，其调整交流电流以使正极侧交流电位差与负极侧交流电位差相一致，该正极侧交流电位差是从内阻测量对象的与正极侧的负载装置连接的部分的电位减去中途部分的电位而求出的电位差，该负极侧交流电位差是从内阻测量对象的与负极侧的负载装置连接的部分的电位减去中途部分的电位而求出的电位差；以及电阻运算部，其根据调整后的交流电流和交流电位差来运算层叠电池的电阻。

Description

层叠电池的内阻测量装置
本申请是申请日为2011年11月9日、申请号为201180060003.9、发明名称为“层叠电池的内阻测量装置”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及对层叠多个发电元件而成的层叠电池的内阻进行测量的装置以及方法。
背景技术
在层叠多个发电元件而成的层叠电池中，期望尽可能准确地检测内阻。例如在燃料电池中，如果获知内阻，则获知电解质膜的湿度。如果内阻高，则电解质膜的湿度低，有点干燥。如果内阻低，则电解质膜的湿度高。在燃料电池中，运转效率根据电解质膜的湿度而改变。因此，通过与根据内阻估计出的电解质膜的湿度相应地控制运转，能够始终最佳地维持电解质膜的湿润状态。
在JP-2009-109375-A中公开了测量燃料电池的内阻的装置。
发明内容
然而，JP-2009-109375-A的装置需要从电池流出的负荷电流(直流)，如果电池未运转则无法进行测量。另外，由于在控制直流的大电流的电子负载装置中也控制(通电限制)微小交流电流，因此要求非常大的动态范围。因此，所使用的部件、电路设计价格较高。
本发明是着眼于这样的现有的问题点而完成的。本发明的目的在于提供一种即使电池未运转也能够测量内阻且廉价的内阻测量装置以及内阻测量方法。
本发明的某个方式的层叠电池的内阻测量装置包括交流电源部，该交流电源部与至少包括层叠多个发电元件而成的层叠电池的内阻测量对象连接，向内阻测量对象输出交流电流。并且，还包括：交流调整部，其调整交流电流以使正极侧交流电位差与负极侧交流电位差相一致，该正极侧交流电位差是从上述内阻测量对象的与正极侧的负载装置连接的部分的电位减去中途部分的电位而求出的电位差，该负极侧交流电位差是从上述内阻测量对象的与负极侧的负载装置连接的部分的电位减去上述中途部分的电位而求出的电位差；以及电阻运算部，其根据上述调整后的交流电流和交流电位差来运算上述层叠电池的电阻。
下面与添附的附图一起详细说明本发明的实施方式、本发明的优点。
附图说明
图1A是说明作为应用本发明的内阻测量装置的层叠电池的一例的燃料电池的外观立体图。
图1B是表示作为应用本发明的内阻测量装置的层叠电池的一例的燃料电池的发电单元的结构的分解图。
图2是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第一实施方式的电路图。
图3是详细说明正极侧直流切断部511、负极侧直流切断部512、中途点直流切断部513、正极侧交流电位差检测部521以及负极侧交流电位差检测部522的图。
图4是详细说明正极侧电源部531以及负极侧电源部532的图。
图5是详细说明交流调整部540的图。
图6是详细说明电阻运算部550的图。
图7是本发明的层叠电池的内阻测量装置的第一实施方式中的控制器所执行的控制流程图。
图8是控制器执行本发明的层叠电池的内阻测量装置的控制时的时序图。
图9是用于说明第一实施方式的作用效果的图。
图10A是说明通过本发明的层叠电池的内阻测量装置的第二实施方式得到的作用效果的机理的图。
图10B是说明通过本发明的层叠电池的内阻测量装置的第二实施方式得到的作用效果的机理的图。
图11是表示第二实施方式的具体结构的图。
图12是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第二实施方式的电路图。
图13是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第三实施方式的电路图。
图14是本发明的层叠电池的内阻测量装置的第三实施方式中的控制器所执行的控制流程图。
图15是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第四实施方式的电路图。
图16是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第五实施方式的图。
图17是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第六实施方式的图。
图18是第六实施方式的具体电路图。
图19是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第七实施方式的电路图。
图20是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第八实施方式的电路图。
图21A是表示第一变形方式的图。
图21B是表示第二变形方式的图。
具体实施方式
(第一实施方式)
图1A是说明作为应用本发明的内阻测量装置的层叠电池的一例的燃料电池的外观立体图。图1B是表示作为应用本发明的内阻测量装置的层叠电池的一例的燃料电池的发电单元的结构的分解图。
如图1A所示，燃料电池堆栈1具备层叠的多个发电单元10、集电板20、绝缘板30、端板40、以及四个拉杆50。
发电单元10是燃料电池的单位单元。各发电单元10产生1伏特(V)左右的电动势电压。稍后详细记述各发电单元10的结构。
集电板20分别配置在层叠的多个发电单元10的外侧。集电板20由不透气体性的导电性部件、例如致密碳形成。集电板20具备正极端子211和负极端子212。另外，在正极端子211和负极端子212之间设置有中途端子213。燃料电池堆栈1通过正极端子211和负极端子212取出各发电单元10所产生的电子e-而进行输出。
绝缘板30分别配置在集电板20的外侧。绝缘板30由绝缘性的部件、例如橡胶等形成。
端板40分别配置在绝缘板30的外侧。端板40由具有刚性的金属材料、例如钢等形成。
在一方的端板40(在图1A中左侧的端板40)上设置有阳极供给口41a、阳极排出口41b、阴极供给口42a、阴极排出口42b、冷却水供给口43a、以及冷却水排出口43b。在本实施方式中，阳极排出口41b、冷却水排出口43b以及阴极供给口42a设置在图中右侧。另外，阴极排出口42b、冷却水供给口43a以及阳极供给口41a设置在图中左侧。
拉杆50分别配置在端板40的四角附近。燃料电池堆栈1形成有贯通于内部的孔(未图示)。在该贯通孔中贯通插入拉杆50。拉杆50由具有刚性的金属材料、例如钢等形成。拉杆50在表面进行了绝缘处理以防止发电单元10之间的电短路。螺母(由于在里面，因此未图示)螺纹接合于该拉杆50。拉杆50和螺母将燃料电池堆栈1在层叠方向上拧紧。
作为向阳极供给口41a供给作为阳极气体的氢气的方法，例如有从氢气储藏装置直接供给氢气的方法、或者将含氢的燃料改性而供给改性后的含氢气体的方法等。此外，作为氢气储藏装置，有高压气罐、液化氢气罐、氢吸附合金罐等。作为含氢的燃料，有天然气、甲醇、汽油等。另外，作为向阴极供给口42a供给的阴极气体，一般利用空气。
如图1B所示，发电单元10是在膜电极接合体(MembraneElectrode Assembly；MEA)11的两面配置阳极隔板(阳极双极板)12a以及阴极隔板(阴极双极板)12b的结构。
MEA 11在由离子交换膜构成的电解质膜111的两面形成电极催化剂层112。在该电极催化剂层112之上形成气体扩散层(Gas Diffusion Layer；GDL)113。
电极催化剂层112例如由承载有铂的炭黑粒子形成。
GDL 113由具有充足的气体扩散性以及导电性的部件、例如碳纤维形成。
从阳极供给口41a供给的阳极气体流经该GDL 113a而与阳极电极催化剂层112(112a)发生反应，并从阳极排出口41b排出。
从阴极供给口42a供给的阴极气体流经该GDL 113b而与阴极电极催化剂层112(112b)发生反应，并从阴极排出口42b排出。
阳极隔板12a隔着GDL 113a以及密封层14a叠加于MEA 11的一面(图1B的背面)。阴极隔板12b隔着GDL 113b以及密封层14b叠加于MEA 11的一面(图1B的表面)。密封层14(14a、14b)例如是硅橡胶、乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer；EPDM)、氟橡胶等橡胶状弹性材料。阳极隔板12a和阴极隔板12b例如将不锈钢等金属制的隔板基体冲压成型而在一面上形成反应气体流路，在其反面与反应气体流路交替并列地形成冷却水流路。如图1B所示那样将阳极隔板12a和阴极隔板12b叠加，并形成冷却水流路。
在MEA 11、阳极隔板12a以及阴极隔板12b上分别形成有孔41a、41b、42a、42b、43a、43b，将这些孔叠加而形成阳极供给口(阳极供给总管)41a、阳极排出口(阳极排出总管)41b、阴极供给口(阴极供给总管)42a、阴极排出口(阴极排出总管)42b、冷却水供给口(冷却水供给总管)43a以及冷却水排出口(冷却水排出总管)43b。
图2是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第一实施方式的电路图。
内阻测量装置5包括正极侧直流切断部511、负极侧直流切断部512、中途点直流切断部513、正极侧交流电位差检测部521、负极侧交流电位差检测部522、正极侧电源部531、负极侧电源部532、交流调整部540、以及电阻运算部550。
参照图3详细说明正极侧直流切断部511、负极侧直流切断部512、中途点直流切断部513、正极侧交流电位差检测部521以及负极侧交流电位差检测部522。
燃料电池1是内阻测量对象。正极侧直流切断部511与燃料电池1的正极端子211连接。并且正极端子211经由连接线4连接于负载装置3的正极。负极侧直流切断部512与燃料电池1的负极端子212连接。并且负极端子212经由连接线4连接于负载装置3的负极。中途点直流切断部513与燃料电池1的中途端子213连接。此外，中途点直流切断部513也可以不像图2中虚线所示的那样进行设置。这些直流切断部虽然将直流切断，但是使交流流过。直流切断部例如是电容器、互感器。
将燃料电池1的正极端子211的交流电位Va和中途端子213的交流电位Vc输入正极侧交流电位差检测部521并输出交流电位差。将燃料电池1的负极端子212的交流电位Vb和中途端子213的交流电位Vc输入负极侧交流电位差检测部522并输出交流电位差。正极侧交流电位差检测部521和负极侧交流电位差检测部522例如是差动放大器(测量放大器)。
参照图4详细说明正极侧电源部531和负极侧电源部532。
正极侧电源部531例如能够通过如图4所示的运算放大器(OP放大器)所形成的电压电流变换电路实现。根据该电路，输出与输入电压Vi成比例的电流Io。此外，Io＝Vi/Rs，Rs是电流感应电阻。即，该电路是能够以输入电压Vi来调整输出电流Io的可变交流电流源。
如果使用该电路，则即使不实际测量输出电流Io也能够通过输入电压Vi÷比例常数Rs求出输出电流Io。另外，由于输出是电流，因此即使在电流路径中插入有如电容器那样的产生相位角的元件，流经层叠单元群的交流电流与电流源的输出也是相同的相位。并且，与输入电压Vi也是相同的相位。因而，在下一级的电阻计算中不需要考虑相位差，从而电路很简单。并且，即使电流路径中的电容器的电阻产生偏差，也不会受到相位变化的影响。从这种情况来看，使用如图4所示的电路来作为正极侧电源部531较佳。负极侧电源部532也相同。
参照图5详细说明交流调整部540。
交流调整部540例如能够通过如图5所示的PI控制电路实现。交流调整部540包括正极侧检波电路5411、正极侧减法器5421、正极侧积分电路5431、正极侧乘法器5451、负极侧检波电路5412、负极侧减法器5422、负极侧积分电路5432、负极侧乘法器5452、基准电压544、以及交流信号源546。
正极侧检波电路5411从与层叠电池1的正极端子211相连接的正极侧电源部531的配线上的交流电位Va去除不需要的信号并变换为直流信号。
正极侧减法器5421检测该直流信号与基准电压544之差。正极侧积分电路5431使从正极侧减法器5421输出的信号平均化或者对其进行灵敏度调节。
正极侧乘法器5451以正极侧积分电路5431的输出来对交流信号源546的振幅进行调制。
交流调整部540通过这样生成对正极侧电源部531的指令信号。另外，同样地，交流调整部540生成对负极侧电源部532的指令信号。根据像这样生成的指令信号对正极侧电源部531和负极侧电源部532的输出进行增减，由此来将交流电位Va和Vb都控制为规定的电平。由此，交流电位Va和Vb形成相等的电位。
此外，在本例中，以模拟运算IC为例示出了电路结构，但是也可以在将交流电位Va(Vb)通过AD变换器进行数字变换之后由数字控制电路构成。
参照图6详细说明电阻运算部550。
电阻运算部550包括AD变换器551、以及微机芯片552。
AD变换器551将作为模拟信号的交流电流(I1、I2)及交流电压(V1、V2)变换为数字数值信号，并传送到微机芯片552。
微机芯片552预先存储有计算内阻Rn及层叠电池整体的内阻R的程序。微机芯片552以规定的微小时间间隔依次进行运算、或者响应于控制器6的请求输出运算结果。此外，通过下式运算内阻Rn及层叠电池整体的内阻R。
[数1]
电阻运算式 Rn = Vn In ( n = 1,2 , . . . , n ) . . . ( 1 - 1 )
整体的电阻值 R＝ΣRn    ···(1-2)
电阻运算部550也可以通过使用了模拟运算IC的模拟运算电路实现。根据模拟运算电路，能够输出在时间上连续的电阻值变化。
图7是本发明的层叠电池的内阻测量装置的第一实施方式中的控制器所执行的控制流程图。
在步骤S1中，控制器判断正极交流电位Va是否大于规定值。如果判断结果为否，则控制器将处理转移到步骤S2，如果判断结果为是，则将处理转移到步骤S3。
在步骤S2中，控制器判断正极交流电位Va是否小于规定值。如果判断结果为否，则控制器将处理转移到步骤S4，如果判断结果为是，则将处理转移到步骤S5。
在步骤S3中，控制器降低正极侧电源部531的输出。由此，正极交流电位Va下降。
在步骤S4中，控制器维持正极侧电源部531的输出。由此，正极交流电位Va被维持。
在步骤S5中，控制器提高正极侧电源部531的输出。由此，正极交流电位Va提高。
在步骤S6中，控制器判断负极的交流电位Vb是否大于规定值。如果判断结果为否，则控制器将处理转移到步骤S7，如果判断结果为是，则将处理转移到步骤S8。
在步骤S7中，控制器判断负极的交流电位Vb是否小于规定值。如果判断结果为否，则控制器将处理转移到步骤S9，如果判断结果为是，则将处理转移到步骤S10。
在步骤S8中，控制器降低负极侧电源部532的输出。由此，负极交流电位Vb下降。
在步骤S9中，控制器维持负极侧电源部532的输出。由此，负极交流电位Vb被维持。
在步骤S10中，控制器提高负极侧电源部532的输出。由此，负极交流电位Vb提高。
在步骤S11中，控制器判断正极交流电位Va和负极交流电位Vb是否为规定值。如果判断结果为是，则控制器将处理转移到步骤S12，如果判断结果为否，则退出处理。
在步骤S12中，控制器根据上述的式(1-1)、(1-2)运算电阻值。
图8是控制器执行本发明的层叠电池的内阻测量装置的控制时的时序图。
此外，为了容易理解与流程图之间的对应，而一并记载步骤序号。
图8的初期是正极侧的内阻值R1高、负极侧的内阻值R2低的状态(图8A)。在这样的状态下，控制器开始进行控制。
在时刻t0，正极交流电位Va、负极交流电位Vb都未达到控制电平(图8C)。在该状态下，控制器重复步骤S1→S2→S5→S6→S7→S10→S11。由此，正极侧交流电流I1和负极侧交流电流I2增大(图8B)。
如果在时刻t1时正极交流电位Va达到了控制电平(图8C)，则控制器重复步骤S1→S2→S4→S6→S7→S10→S11。由此，正极侧交流电流I1被维持，并且负极侧交流电流I2增大(图8B)。
如果在时刻t2时负极交流电位Vb也达到控制电平而变为与正极交流电位Va相同的电平(图8C)，则控制器以步骤S1→S2→S4→S6→S7→S9→S11→S12进行处理。由此，正极侧交流电流I1和负极侧交流电流I2被维持。然后，根据式(1-1)运算正极侧内阻值R1和负极侧内阻值R2。然后，将正极侧内阻值R1和负极侧内阻值R2相加求出整体的内阻R。
在时刻t3以后，由于燃料电池的湿润状态发生变化等而负极侧内阻值R2上升(图8A)。在这种情况下，控制器重复进行步骤S1→S2→S4→S6→S8→S11→S12。通过这样进行处理，来与负极侧内阻值R2上升相应地降低负极侧交流电流I2，因此负极交流电位被维持为与正极交流电位相同的电平。因而，在该状态下也能够运算出内阻。
在时刻t4以后，负极侧内阻值与正极侧内阻值变为一致(图8A)。在这种情况下，控制器重复进行步骤S1→S2→S4→S6→S7→S9→S11→S12。通过这样进行处理，正极侧交流电位和负极侧交流电位被维持在相同的电平(图8C)，能够运算出内阻。
图9是用于说明第一实施方式的作用效果的图。
层叠电池(燃料电池)在输出过程中，正极和负极的电位产生差别(直流电位差Vdc)。并且，在本实施方式中，根据交流调整部540的指令，从正极侧电源部531盒负极侧电源部532输出交流电流。
从正极侧电源部531输出的交流电流通过正极侧直流切断部511，被输出到层叠电池(燃料电池)的正极，通过中途端子213和中途点直流切断部513流向正极侧交流电位差检测部521。此时，产生与内阻和供给电流相应的交流电位差V1(V1＝Va-Vc)。正极侧交流电位差检测部521检测出该交流电位差V1。
从负极侧电源部532输出的交流电流通过负极侧直流切断部512，被输出到层叠电池(燃料电池)的负极，通过中途端子213和中途点直流切断部513流向负极侧交流电位差检测部522。此时，产生与内阻和供给电流相应的交流电位差V2(V2＝Vb-Vc)。负极侧交流电位差检测部522检测出该交流电位差V2。
交流调整部540调节正极侧电源部531和负极侧电源部532，使得层叠电池(燃料电池)的正极侧交流电位差V1与负极侧交流电位差V2之差(V1-V2；等于Va-Vb)始终变小。
此外，层叠电池(燃料电池)在输出过程中，如图9所示那样在正极和负极的直流电位中叠加有交流成分，但是该交流成分被交流调整部540调整成相同，因此直流电位差Vdc不发生变动，是固定的。
并且，在电阻运算部550中，对正极侧交流电位差检测部521的输出V1和负极侧交流电位差检测部522的输出V2、以及正极侧电源部531的交流电流I1和负极侧电源部532的交流电流I2应用欧姆定律来计算燃料电池1的正极侧的内阻R1和负极侧的内阻R2。
像这样，根据本实施方式，正极端子211和负极端子212的交流电位变得相同。因此，即使在正极端子211和负极端子212连接了负载装置(行驶用马达等)，也能够抑制交流电流泄漏到该负载装置。
由此，由于流过内阻测量对象(燃料电池)的交流电流值和从电源输出的交流电流值是一致的，因此能够准确地检测流向测量对象的交流电流。根据该交流电流，求出层叠电池的正极侧内阻值R1和负极侧内阻值R2，因此能够不受负载装置的状态的影响地、准确地测量正在工作的层叠电池的正极侧内阻值R1和负极侧内阻值R2，进而能够准确地测量层叠电池整体的内阻值R。
另外，在本实施方式中，由于使用电源部，因此即使层叠电池(燃料电池)停止了，也能够测量内阻。
(第二实施方式)
图10A和图10B是说明通过本发明的层叠电池的内阻测量装置的第二实施方式得到的作用效果的机理的图。
在第一实施方式中，将交流电位差检测部521、522以及电源部531、532通过一个路径与燃料电池1进行连接，但是在本实施方式中，分别通过不同的路径与燃料电池1进行连接。由此，内阻的检测精确度提高。下面，说明其理由。
如图10A所示，当将交流电位差检测部以及电源部通过一个路径进行连接时，燃料电池1的电位Vx用下式表示。
[数2]
Vx＝Rx×Ix···(2)
对于此，由交流电位差检测部521检测出的电压Vi用下式表示。
[数3]
Vi＝Vx+(Rc+Rw)×Ix···(3)
这样，对于由交流电位差检测部521检测出的电压Vi，是将与配线电阻Rw及连接点的接触电阻Rc和交流电流相应的误差电压加上原本想要检测出的电位Vx得到的。因而，测量误差err用下式表示。
[数4]
err = Vi Vx = Rx + Rc + Rw Rx . . . ( 4 )
如果是小型电池等，则一般来说测量对象电阻Rx较大，因此能够忽略接触电阻Rc和配线电阻Rw，在实用上没有问题，但是如果是大型电池，则一般来说形成[配线电阻Rw>测量对象电阻Rx]的关系。在这种情况下，针对各层叠单元群，需要通过四端子法进行连接。
因此，在本实施方式中，如图10B所示那样将交流电位差检测部以及电源部分别通过不同的路径进行连接。如果像这样构成，则交流电压检测线501a的接触电阻Rc以及配线电阻Rw发挥作用，以通过交流电位差检测部521的输入电阻Ri对想要检测的电压Vx进行分压。一般来说，交流电位差检测部521的输入电阻Ri相对于配线电阻Rw、接触电阻Rc非常大(Ri＞＞(Rw+Rc))。因而，通过像这样构成，测量误差err用下式表示，小得可以忽略，从而能够视为Vi＝Vx。
[数5]
err = Vi Vx = Ri Rc + Rw + Ri . . . ( 5 )
图11是表示第二实施方式的具体结构的图。
将构成燃料电池1的发电单元10的隔板(双极板)12的一部分延伸出，来设置连接部位。
图12是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第二实施方式的电路图。
正极侧交流电位差检测部521通过电容器511a与燃料电池1的正极侧的隔板(双极板)连接。正极侧电源部531通过电容器511，以与正极侧交流电位差检测部521的路径501a不同的路径501连接与正极侧交流电位差检测部521所连接的相同的隔板(双极板)。
负极侧交流电位差检测部522通过电容器512a与燃料电池1的负极侧的隔板(双极板)连接。负极侧电源部532通过电容器512，以与负极侧交流电位差检测部522的路径502a不同的路径502连接与负极侧交流电位差检测部522所连接的相同的隔板(双极板)。
接地线503通过电容器513与燃料电池1的中途点的隔板(双极板)进行连接。另外，正极侧交流电位差检测部521和负极侧交流电位差检测部522通过电容器513a，以与接地线503不同的路径503a连接与接地线503所连接的相同的隔板(双极板)。
另外，在本实施方式中，着眼于交流调整部540的指令信号与正极侧电源部531和负极侧电源部532的输出信号存在比例关系，根据该指令信号得到交流电流值(I1、I2)。
根据本实施方式，能够大幅地降低由于配线电阻、接触电阻的大小、或者温度、端子表面氧化等引起的电阻变动的影响。因此，层叠电池侧与信号配线的设计自由度高，能够廉价地、准确地检测各层叠单元群的内阻。
另外，由于不需要实际测量交流电流值(I1、I2)，因此能够简化电路。
(第三实施方式)
图13是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第三实施方式的电路图。
在本实施方式中，交流电源部570通过电容器513与燃料电池1的中途点的隔板(双极板)连接。另外，正极侧交流电位差检测部521通过电容器513a，以与交流电源部570的路径503不同的路径503a连接与交流电源部570所连接的相同的隔板(双极板)。
正极侧交流电流检测部531a通过可变电阻Ra、可变电容器Ca以及电容器511，以与正极侧交流电位差检测部521的路径501a不同的路径501连接与正极侧交流电位差检测部521所连接的相同的隔板(双极板)。
负极侧交流电流检测部532a通过固定电阻Rf以及电容器512，以与电容器512a的路径502a不同的路径502连接与电容器512a所连接的相同的隔板(双极板)。此外，作为交流电流检测部531a、532a，能够使用由OP放大器形成的电流电压变换电路、电流互感方式(CT)的交流电流传感器等。
交流调整部540a的一端连接在电容器511a与正极侧交流电位差检测部521之间。另外，另一端与电容器512a连接。由此，交流调整部540a能够输入燃料电池1的正极交流电位Va和负极交流电位Vb。然后，交流调整部540a调整可变电阻Ra以及可变电容器Ca。
图14是本发明的层叠电池的内阻测量装置的第三实施方式中的控制器所执行的控制流程图。
在步骤S1中，控制器判断初始值设定是否已完成。如果判断结果为否(初始值设定没有完成)，则控制器将处理转移到步骤S2，如果判断结果为是(初始值设定已完成)，则将处理转移到步骤S4。
在步骤S2中，控制器设定可变电阻Ra的调整量N以及可变电容器Ca的调整量M。在此，作为一例，分别设定为1。
在步骤S3中，控制器从正极交流电位Va减去负极交流电位Vb，计算出比较电位差Vp。
在步骤S4中，控制器判断是否调整可变电阻Ra。如果判断结果为是，则控制器将处理转移到步骤S5，如果判断结果为否，则将处理转移到步骤S11。
在步骤S5中，控制器将调整量N与可变电阻的电阻值Ra相加，来更新可变电阻值Ra。
在步骤S6中，控制器从正极交流电位Va减去负极交流电位Vb，计算出电位差Vn。
在步骤S7中，控制器判断电位差Vn是否小于比较电位差Vp。如果判断结果为否，则控制器将处理转移到步骤S8，如果判断结果为是，则将处理转移到步骤S9。
在步骤S8中，控制器将调整量N的极性反转，暂时退出处理。
在步骤S9中，控制器判断电位差Vn是否变为最小。如果判断结果为是，则控制器将处理转移到步骤S10，如果判断结果为否，则暂时退出处理。
在步骤S10中，控制器用此时的电位差Vn更新比较电位差Vp。
在步骤S11中，控制器将调整量M与可变电容器的容量Ca相加，来更新可变电容器容量Ca。
在步骤S12中，控制器从正极交流电位Va减去负极交流电位Vb，计算出电位差Vn。
在步骤S13中，控制器判断电位差Vn是否小于比较电位差Vp。如果判断结果为否，则控制器将处理转移到步骤S14，如果判断结果为是，则将处理转移到步骤S15。
在步骤S14中，控制器将调整量M的极性反转，并暂时退出处理。
在步骤S15中，控制器判断电位差Vn是否变为最小。如果判断结果为是，则控制器将处理转移到步骤S16，如果判断结果为否，则暂时退出处理。
在步骤S16中，控制器用此时的电位差Vn更新比较电位差Vp。
在步骤S17中，控制器根据上述的式(1-1)、(1-2)运算电阻值。
当执行以上的流程图时如下进行动作。
最初设定初始值(S1→S2→S3)。
在下一个循环中，首先调整可变电阻Ra。通过调整可变电阻值Ra(S4)，来计算电位差Vn(S5)，如果电位差不变小，则将调整量N的极性进行反转(S8)，如果电位差变小，则判断是否为最小值(S9)。在变为最小值之前重复进行同样的处理(S1→S4→S5→S6→S7→S8或S9)，由此将可变电阻值Ra调整为最小值。然后，如果可变电阻值Ra被调整为最小值，则用此时的电位差Vn更新比较电位差Vp(S10)。
在下一个循环中，调整可变电容器容量Ca。通过调整可变电容器容量Ca(S11)，来计算电位差Vn(S12)，如果电位差不变小，则将调整量M的极性进行反转(S14)，如果电位差变小，则判断是否为最小值(S15)。在变为最小值之前重复进行同样的处理(S1→S4→S11→S12→S13→S14或S15)，由此将可变电容器容量Ca调整为最小值。然后，如果可变电容器容量Ca被调整为最小值，则用此时的电位差Vn更新比较电位差Vp(S16)。
然后，根据上述的式(1-1)、(1-2)运算电阻值(S17)。
如果像本实施方式那样，则各层叠单元群两端的交流电压振幅必然相同。因此，能够获得与第一实施方式、第二实施方式相同的效果。即，由于流过内阻测量对象(燃料电池)的交流电流值与从电源输出的交流电流值一致，因此能够准确地检测流向测量对象的交流电流。然后，根据该交流电流求出层叠电池的内阻，因此能够不受负载装置的状态影响地准确地测量正在工作的层叠电池的内阻。
并且，根据本实施方式，由于各层叠单元群两端的交流电压振幅必然相同，因此交流电位差检测部设置在正极侧及负极侧中的任一方即可。此外，在本实施方式中，在正极侧设置有交流电位差检测部521。因而，能够使电路变得简单。
(第四实施方式)
图15是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第四实施方式的电路图。
在本实施方式中，与第三实施方式同样地，交流电源部570通过电容器513与燃料电池1的中途点的隔板(双极板)连接。另外，正极侧交流电位差检测部521和负极侧交流电位差检测部522通过电容器513a，以与交流电源部570的路径503不同的路径503a连接与交流电源部570所连接的相同的隔板(双极板)。
正极侧极性反转放大器540b通过电容器511，以与正极侧交流电位差检测部521的路径501a不同的路径501连接与正极侧交流电位差检测部521所连接的相同的隔板(双极板)。
负极侧极性反转放大器540c通过电容器512，以与负极侧交流电位差检测部522的路径502a不同的路径502连接与负极侧交流电位差检测部522所连接的相同的隔板(双极板)。此外，作为极性反转放大器540b、540c，能够应用OP放大器所形成的反转放大电路、自举电路、自主降噪电路等。
如果像这样构成，则在层叠电池输出端检测出的交流电压的极性被反转后返回到各自的层叠电池输出端子，因此层叠电池输出端的交流电压振幅被强制抵消(变为零)。由此，层叠电池两端的交流电压振幅都变为零而变为相等的电位。
另外，交流电流检测部531a、532a检测流过各个层叠单元群的交流电流，与交流电压检测线相连接的交流电位差检测部521、522检测层叠单元群两端的交流电压。
因而，根据本实施方式，由于不需要交流调整部540的电压比较功能，因此能够简化电路。
(第五实施方式)
图16是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第五实施方式的图。
在上述各实施方式中，连接在了一个中途点上。对于此，在本实施方式中，依次切换中途点。即，通过连接切替器580依次切换中途点。
这样，通过将当前的测量值与前一个测量值进行比较，能够计算当前连接的单元的电阻。因而，能够针对各单元按每个单元测量内阻。由此，能够监视层叠方向的内阻分布、局部单元的劣化等。
(第六实施方式)
图17是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第六实施方式的图。
在上述各实施方式中，将交流电位差检测部和电源部(或者交流电流检测部)连接在了相同的隔板(双极板)上。相对于此，在本实施方式中，与隔开至少一个发电元件的不同的双极板连接。图18示出具体的电路图。
正极侧电源部531通过电容器511与燃料电池1的正极侧的双极板501连接。正极侧交流电位差检测部521通过电容器511a连接与双极板501不同的双极板501a。另外，正极侧交流电位差检测部521通过电容器5131a，连接与接地线所连接的双极板503不同的双极板5031a。
负极侧电源部532通过电容器512与燃料电池1的负极侧的双极板502连接。负极侧交流电位差检测部522通过电容器512a连接与双极板502不同的双极板502a。另外，负极侧交流电位差检测部522通过电容器5132a连接与接地线所连接的双极板503不同的双极板5032a。
根据本实施方式，也能够获得与第二实施方式相同的作用效果。由于能够使连接端子的占有空间变小，因此能够实现小型化。此外，在本实施方式的情况下，双极板501与双极板501a之间的单元电阻、双极板502与双极板502a之间的单元电阻、双极板503与双极板5031a之间的单元电阻、双极板503与双极板5032a之间的单元电阻都在交流电压检测的范围外，无法检测出。然而，在如大型层叠电池等那样层叠个数多的情况、或单元间的电阻偏差一致的情况下，能够基于检测范围的单元个数求出每一单元的平均单元电阻来进行校正，因此没有问题。
(第七实施方式)
图19是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第七实施方式的电路图。
当用电路图表示本实施方式时，形成为与第三实施方式(图13)相同。但是，在第三实施方式中将交流电位差检测部及电源部(或者交流电流检测部)连接在了相同的隔板(双极板)上，但在本实施方式中，与隔开至少一个发电元件的不同的双极板连接。此外，在本实施方式中，交流电位差检测部仅设置在正极侧，将该正极侧交流电位差检测部与图17的双极板5031a进行连接。不需要与图17的双极板5032a进行连接的交流电位差检测部。
通过这样，与第三实施方式同样地，各层叠单元群两端的交流电压振幅必然相同。因此，由于流过内阻测量对象(燃料电池)的交流电流值与从电源输出的交流电流值一致，因此能够准确地检测流向测量对象的交流电流。然后，根据该交流电流求出层叠电池的内阻，因此能够不受负载装置的状态影响地准确地测量正在工作的层叠电池的内阻。另外，能够使连接端子的占有空间变小，因此能够实现小型化。
(第八实施方式)
图20是表示本发明的层叠电池的内阻测量装置的第八实施方式的电路图。
本实施方式基本上与第四实施方式(图15)相同。但是，在第四实施方式(图15)中，相对于将交流电位差检测部及电源部(或者交流电流检测部)连接在相同的隔板(双极板)上，在本实施方式中，与隔开至少一个发电元件的不同的双极板连接。图20示出具体的电路图。
正极侧极性反转放大器540b通过电容器511与燃料电池1的正极侧的双极板501连接。正极侧交流电位差检测部521通过电容器511a连接与双极板501不同的双极板501a。另外，正极侧交流电位差检测部521通过电容器5131a连接与接地线所连接的双极板503不同的双极板5031a。
负极侧极性反转放大器540c通过电容器512与燃料电池1的负极侧的双极板502连接。负极侧交流电位差检测部522通过电容器512a连接与双极板502不同的双极板502a。另外，负极侧交流电位差检测部522通过电容器5132a连接与接地线所连接的双极板503不同的双极板5032a。
通过这样，与第四实施方式同样地，在层叠电池输出端检测出的交流电压的极性被反转后返回到各自的层叠电池输出端子，因此层叠电池输出端的交流电压振幅被强制抵消(变为零)。由此，层叠电池两端的交流电压振幅都变为零而变为相等的电位。另外，交流电流检测部531a、532a检测流过各个层叠单元群的交流电流，与交流电压检测线连接的交流电位差检测部521、522检测层叠单元群两端的交流电压。因而，根据本实施方式，不需要交流调整部540的电压比较功能，因此能够简化电路。另外，由于能够使连接端子的占有空间变小，因此能够实现小型化。
以上说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式只不过示出了本发明的应用例的一部分，并不是为将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。
也可以例如图21A那样将在层叠电池1上进一步串联连接电阻2得到的设为内阻测量对象。如果是这样的情况，则将图21A的电阻2的端部视为上述实施方式的正极、将图21A的层叠电池1的正极视为上述实施方式的中途点、将图21A的层叠电池1的负极视为上述实施方式的负极。据此，求出图21A的层叠电池整体的内阻值设为R2。即使这样，也能够准确地测量出层叠电池整体的内阻值。
另外，也可以如图21B那样将在层叠电池1-1上进一步串联连接层叠电池1-2得到的设为内阻测量对象。如果是这样的情况，则将层叠电池1-1的正极视为上述实施方式的正极、将层叠电池1-1与层叠电池1-2的中途点视为上述实施方式的中途点、将层叠电池1-2的负极视为上述实施方式的负极。据此，求出层叠电池1-1的内阻值设为R1，求出层叠电池1-2的内阻值设为R2。即使这样，也能够准确地测量出层叠电池1-1及层叠电池1-2各自的内阻值。
并且，在上述说明中，列举了燃料电池作为层叠电池的一例，但是也可以是锂离子电池等电池。即，只要是层叠多个发电元件而成的电池就能够应用。即使是那样的电池，只要能够测量内阻，也能够期望进行有效的运转。
并且，在如图17那样的结构中，也可以如第五实施方式那样依次切换中途点。通过这样也能够获得与第五实施方式相同的作用效果。
另外，上述实施方式能够适当地进行组合。
本申请主张2010年12月10日向日本专利局申请的特愿2010-275638的优先权，该申请的所有内容以参照的方式被引入到本说明书中。

Claims (12)

1.一种层叠电池的内阻测量装置，其包括：
交流电源部，其与由层叠多个发电元件而成的层叠电池构成的内阻测量对象连接，向内阻测量对象输出交流电流；
正极侧部分，其与上述内阻测量对象的正极连接；
负极侧部分，其与上述内阻测量对象的负极连接；
中途部分，其与上述内阻测量对象的中途连接；
交流调整部，其调整向上述内阻测量对象的正极和负极输出的交流电流；以及
电阻运算部，其根据调整后的交流电流和交流电位差来运算上述层叠电池的电阻。
2.一种层叠电池的内阻测量装置，其包括：
交流电源部，其与由层叠多个发电元件而成的层叠电池构成的内阻测量对象连接，向内阻测量对象输出交流电流；
正极侧部分，其与上述内阻测量对象的正极连接；
负极侧部分，其与上述内阻测量对象的负极连接；
中途部分，其与上述内阻测量对象的中途连接；
交流调整部，其调整向上述内阻测量对象的正极和负极输出的交流电流；以及
电阻运算部，其根据调整后的交流电流、从上述正极侧部分的电位减去上述中途部分的电位而求出的电位差即正极侧交流电位差以及从上述负极侧部分的电位减去上述中途部分的电位而求出的电位差即负极侧交流电位差来运算上述层叠电池的电阻。
3.根据权利要求2所述的层叠电池的内阻测量装置，其特征在于，
上述交流电源部包括：
正极侧电源部，其通过直流切断部与上述内阻测量对象的正极侧连接部分连接，向内阻测量对象输出交流电流；以及负极侧电源部，其通过直流切断部与上述内阻测量对象的负极侧连接部分连接，向内阻测量对象输出交流电流，
其中，上述交流调整部调整上述正极侧电源部和上述负极侧电源部以使上述正极侧交流电位差与上述负极侧交流电位差相一致。
4.根据权利要求3所述的层叠电池的内阻测量装置，其特征在于，
在上述正极侧连接部分上，以与上述正极侧电源部连接的路径不同的路径通过直流切断部连接检测上述正极侧交流电位差的正极侧交流电位差检测器，
在上述负极侧连接部分上，以与上述负极侧电源部连接的路径不同的路径通过直流切断部连接检测上述负极侧交流电位差的负极侧交流电位差检测器，
在上述中途部分上，通过直流切断部连接接地线，并且以与其连接路径不同的路径通过直流切断部连接上述正极侧交流电位差检测器和上述负极侧交流电位差检测器。
5.根据权利要求3所述的层叠电池的内阻测量装置，其特征在于，
在相对于上述正极侧连接部分隔开至少一个发电元件的部分上，通过直流切断部连接检测上述正极侧交流电位差的正极侧交流电位差检测器，
在相对于上述负极侧连接部分隔开至少一个发电元件的部分上，通过直流切断部连接检测上述负极侧交流电位差的负极侧交流电位差检测器，
在上述中途部分上通过直流切断部连接接地线，
在相对于上述中途部分隔开至少一个发电元件的正极侧的部分上，通过直流切断部连接上述正极侧交流电位差检测器，
在相对于上述中途部分隔开至少一个发电元件的负极侧的部分上，通过直流切断部连接上述负极侧交流电位差检测器。
6.根据权利要求2所述的层叠电池的内阻测量装置，其特征在于，还包括：
可变电阻及可变电容器，通过直流切断部与上述内阻测量对象的正极侧连接部分及负极侧连接部分中的一方连接；
固定电阻，其通过直流切断部与上述内阻测量对象的正极侧连接部分及负极侧连接部分中的另一方连接；以及
交流电位差检测器，其通过直流切断部与上述正极侧连接部分及上述负极侧连接部分中的任一方和上述中途部分连接，检测上述正极侧交流电位差或上述负极侧交流电位差，
其中，上述交流电源部通过直流切断部与上述中途部分连接并向中途部分输出交流电流，
上述交流调整部调整上述可变电阻及可变电容器以使上述正极侧部分的交流电位与上述负极侧部分的交流电位相一致。
7.根据权利要求6所述的层叠电池的内阻测量装置，其特征在于，
在上述正极侧连接部分上，通过直流切断部连接如下路径以将上述正极侧部分的交流电位输出到上述交流调整部，该路径是与连接上述可变电阻及上述固定电阻中的一方的路径不同的路径，
在上述负极侧连接部分上，通过直流切断部连接如下路径以将上述负极侧部分的交流电位输出到上述交流调整部，该路径是与连接上述可变电阻及上述固定电阻中的另一方的路径不同的路径，
在上述中途部分上，以与连接上述交流电源部的路径不同的路径通过直流切断部连接上述交流电位差检测器。
8.根据权利要求6所述的层叠电池的内阻测量装置，其特征在于，
在相对于上述正极侧连接部分隔开至少一个发电元件的部分上，通过直流切断部连接将上述正极侧部分的交流电位输出到上述交流调整部的路径，
在相对于上述负极侧连接部分隔开至少一个发电元件的部分上，通过直流切断部连接将上述负极侧部分的交流电位输出到上述交流调整部的路径，
在相对于上述中途部分隔开至少一个发电元件的部分上，通过直流切断部连接上述交流电位差检测器。
9.根据权利要求2所述的层叠电池的内阻测量装置，其特征在于，
上述交流电源部通过直流切断部与上述中途部分连接并向中途部分输出交流电流，
上述交流调整部包括：正极侧调整部，其通过直流切断部与上述内阻测量对象的正极侧连接部分连接，将内阻测量对象的正极侧连接部分的电位设为零；以及负极侧调整部，其通过直流切断部与上述内阻测量对象的负极侧连接部分连接，将内阻测量对象的负极侧连接部分的电位设为零。
10.根据权利要求9所述的层叠电池的内阻测量装置，其特征在于，
在上述正极侧连接部分上，以与连接上述正极侧调整部的路径不同的路径通过直流切断部连接检测上述正极侧交流电位差的正极侧交流电位差检测器，
在上述负极侧连接部分上，以与连接上述负极侧调整部的路径不同的路径通过直流切断部连接检测上述负极侧交流电位差的负极侧交流电位差检测器，
在上述中途部分上，以与连接上述交流电源部的路径不同的路径通过直流切断部连接上述正极侧交流电位差检测器及上述负极侧交流电位差检测器。
11.根据权利要求9所述的层叠电池的内阻测量装置，其特征在于，
在相对于上述正极侧连接部分隔开至少一个发电元件的部分上，通过直流切断部连接检测上述正极侧交流电位差的正极侧交流电位差检测器，
在相对于上述负极侧连接部分隔开至少一个发电元件的部分上，通过直流切断部连接检测上述负极侧交流电位差的负极侧交流电位差检测器，
在相对于上述中途部分隔开至少一个发电元件的正极侧的部分上，通过直流切断部连接上述正极侧交流电位差检测器，
在相对于上述中途部分隔开至少一个发电元件的负极侧的部分上，通过直流切断部连接上述负极侧交流电位差检测器。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的层叠电池的内阻测量装置，其特征在于，
还包括连接切换变更器，该连接切换变更器依次切换上述中途部分。
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