CN104704381B - 层叠电池的阻抗测量装置 - Google Patents

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Abstract

层叠电池的阻抗测量装置向至少包括层叠电池的阻抗测量对象输出交流电流，基于阻抗测量对象的正极侧的电位与中间电位之间的正极侧交流电位差以及阻抗测量对象的负极侧的电位与中间电位之间的负极侧交流电位差中的至少一方的交流电位差、和施加于阻抗测量对象的交流电流来计算层叠电池的阻抗。在该装置中，具备对表示与用于阻抗计算的交流电位差相反极侧的交流电位差的交流信号去除该交流信号频率的信号的滤波器、以及将通过滤波器之后的信号与表示用于阻抗计算的交流电位差的交流信号相加的加法单元。

Description

层叠电池的阻抗测量装置
技术领域
本发明涉及一种测量层叠电池的阻抗的装置。
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阻抗。在日本JP2009-109375A中公开了测量层叠电池的阻抗的装置。在JP2009-109375A所记载的装置中，对与外部负载连接的电池施加交流电流来测量电池的阻抗。
发明内容
发明要解决的问题
然而，在如JP2009-109375A所记载那样的装置中，在检测出的交流电流中叠加有噪声，因此存在无法准确地测量层叠电池的阻抗的问题。然而，由于想要测量与所施加的交流信号对应的交流电压信号，因此一般使用使成为检测对象的交流电压信号通过的滤波器来作为这些的噪声对策。
本发明的目的是提供一种能够通过与上述一般的滤波处理不同的方式进行高精度的阻抗测量的装置。
在本发明的层叠电池的阻抗测量装置的某一方式中，向至少包括层叠电池的阻抗测量对象输出交流电流，基于阻抗测量对象的正极侧的电位与中间电位之间的正极侧交流电位差以及阻抗测量对象的负极侧的电位与中间电位之间的负极侧交流电位差中的至少一方的交流电位差、和施加于阻抗测量对象的交流电流来计算层叠电池的阻抗。在该层叠电池的阻抗测量装置中，具备：滤波器，其对表示与用于阻抗计算的交流电位差相反极侧的交流电位差的交流信号去除该交流信号频率的信号；以及加法单元，其将通过滤波器之后的信号与表示用于阻抗计算的交流电位差的交流信号相加。
附图说明
图1A是说明作为应用本发明的阻抗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是表示构成图1A所示的燃料电池的发电单体的构造的分解图。
图2是第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的电路图。
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、负极侧交流电位差检测部522、正极侧陷波滤波器561、负极侧陷波滤波器562以及加法器571、572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是详细说明阻抗运算部550的图。
图7是本发明的层叠电池的阻抗测量装置的第一实施方式中的控制单元6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阻抗测量装置的控制时的时序图。
图9是用于说明第二实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的作用效果的图。
图10是表示第二实施方式的具体的结构的图。
图11是表示本发明的层叠电池的阻抗测量装置的第二实施方式的电路图。
图12是第三实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的电路图。
图13是第三实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的控制器所执行的控制流程图。
图14是第四实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的电路图。
图15是表示本发明的层叠电池的阻抗测量装置的第五实施方式的图。
图16是第五实施方式的具体电路图。
图17是第六实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的电路图。
图18是第七实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的电路图。
图19是通过连接切换器580来依次切换中途点的结构图。
图20是表示变形方式的图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1A和图1B是说明作为应用本发明的阻抗测量装置的层叠电池的一例的燃料电池的图，图1A是外观立体图，图1B是表示发电单体的构造的分解图。
如图1A所示，燃料电池堆栈1具备层叠的多个发电单体10、集电板20、绝缘板30、端板40、以及四个拉杆50。
发电单体10是燃料电池的单位体。各发电单体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体10的结构。
集电板20分别配置在层叠的多个发电单体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取出各发电单体10所产生的电子e-并输出。
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)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体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、或者将含有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，发电单体10是在膜电极接合体(Membrane Electrode 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是第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的电路图。
阻抗测量装置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、阻抗运算部550、正极侧陷波滤波器561、负极侧陷波滤波器562、正极侧加法器571、以及负极侧加法器572。
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、负极侧交流电位差检测部522、正极侧陷波滤波器561、负极侧陷波滤波器562以及加法器571、572。
正极侧直流切断部511与燃料电池1的正极端子211连接。负极侧直流切断部512与燃料电池1的负极端子212连接。中途点直流切断部513与燃料电池1的中途端子213连接。在本实施方式中，中途端子213与燃料电池1的中间电位的点连接并且接地。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。
正极侧陷波滤波器561去除被正极侧直流切断部511切断直流后的信号中的、作为后述的正极侧交流电位差检测部521的检测对象的规定频率(例如5KHz)的交流信号。被正极侧直流切断部511切断直流后的信号中含有作为检测对象的交流信号并且含有噪声成分，因此通过正极侧陷波滤波器561的信号只是噪声成分。
负极侧陷波滤波器562去除被负极侧直流切断部512切断直流后的信号中的、作为后述的负极侧交流电位差检测部522的检测对象的规定频率(例如5KHz)的交流信号。被负极侧直流切断部512切断直流后的信号中含有作为检测对象的交流信号并且含有噪声成分，因此通过负极侧陷波滤波器562的信号只是噪声成分。
正极侧加法器571将被正极侧直流切断部511切断直流后的信号与通过负极侧陷波滤波器562的信号相加。如上所述，中途点213为燃料电池1的中间电位的点并且接地，因此被负极侧直流切断部512切断直流后的信号是相位与被正极侧直流切断部511切断直流后的信号的相位相差180度的信号。即，表示通过负极侧陷波滤波器562的噪声成分的信号是相位与被正极侧直流切断部511切断直流后的信号中含有的噪声成分的相位相差180度(相位反转)的信号。因而，通过将被正极侧直流切断部511切断直流后的信号与通过负极侧陷波滤波器562的信号相加，能够抵消噪声成分，因此正极侧加法器571的输出成为不含有噪声成分的作为检测对象的规定频率的交流信号。
负极侧加法器572将被负极侧直流切断部512切断直流后的信号与通过正极侧陷波滤波器561的信号相加。在这种情况下，被负极侧直流切断部512切断直流后的信号中含有的噪声成分与通过正极侧陷波滤波器561的噪声成分的信号也会相抵消，因此负极侧加法器572的输出成为不含有噪声成分的作为检测对象的规定频率的交流信号。
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并输出正极侧交流电位差。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并输出负极侧交流电位差。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调整输出电流Io的可变交流电流源。
如果使用该电路，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，流经层叠单体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，在下一级的阻抗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阻抗产生偏差，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详细说明阻抗运算部550。
阻抗运算部550包括AD变换器(ADC)551、以及微机芯片(CPU)552。
AD变换器551将作为模拟信号的交流电流(I1、I2)以及交流电压(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预先存储有计算阻抗Rn及层叠电池整体的阻抗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、或者响应于控制单元6的请求输出运算结果。此外，通过下式运算阻抗Rn及层叠电池整体的阻抗R。在本实施方式中，n＝2。
[数1]
R＝ΣRn…(1-2)
阻抗运算部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阻抗变化。
图7是本发明的层叠电池的阻抗测量装置的第一实施方式中的控制单元6所执行的控制流程图。
在步骤S1中，控制单元6判断正极交流电位Va是否大于规定值。如果判断结果为“否”，则控制单元6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，控制单元6判断正极交流电位Va是否小于规定值。如果判断结果为“否”，则控制单元6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，控制单元6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，控制单元6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，控制单元6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，控制单元6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”，则控制单元6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，控制单元6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”，则控制单元6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，控制单元6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，控制单元6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，控制单元6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，控制单元6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”，则控制单元6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，控制单元6基于上述的式(1-1)、(1-2)运算阻抗。
图8是控制单元6执行本发明的层叠电池的阻抗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的初期是正极侧的阻抗R1高、负极侧的阻抗R2低的状态(图8的(A))。在这样的状态下，控制单元6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8的(C))。在该状态下，控制单元6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8的(B))。
如果在时刻t1时正极交流电位Va达到了控制电平(图8的(C))，则控制单元6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8的(B))。
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8的(C))，则控制单元6以步骤S1→S2→S4→S6→S7→S9→S11→S12的顺序进行处理。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)运算正极侧阻抗R1和负极侧阻抗R2。然后，将正极侧阻抗R1和负极侧阻抗R2相加求出整体的阻抗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阻抗R2上升(图8的(A))。在这种情况下，控制单元6重复进行步骤S1→S2→S4→S6→S8→S11→S12。通过这样进行处理，来与负极侧阻抗R2的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阻抗。
在时刻t4以后，负极侧阻抗与正极侧阻抗变为一致(图8的(A))。在这种情况下，控制单元6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8的(C))，能够运算出阻抗。
在上述的说明中，将正极侧阻抗R1与负极侧阻抗R2相加来求出燃料电池整体的阻抗R，由于将中途点设为燃料电池的中间电位的点，因此正极侧阻抗R1与负极侧阻抗R2相等。因而，例如若只检测正极侧交流电位差和正极侧交流电流来求出正极侧阻抗R1，并使所求出的阻抗R1成为两倍，则能够求出燃料电池的阻抗R。在这种情况下，只设置负极侧陷波滤波器562和正极侧加法器571即可，能够省略正极侧陷波滤波器561和负极侧加法器572。同样地，通过只检测负极侧交流电位差和负极侧交流电流来求出负极侧阻抗R2并将所求出的阻抗R2变为2倍，也能够求出燃料电池的阻抗R。在这种情况下，只设置正极侧陷波滤波器561和负极侧加法器572即可，能够省略负极侧陷波滤波器562和正极侧加法器571。
以上，第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置向层叠电池输出交流电流，检测层叠电池的正极侧的电位与层叠电池的中间电位之间的正极侧交流电位差、以及层叠电池的负极侧的电位与层叠电池的中间电位之间的负极侧交流电位差中的至少一方的交流电位差，基于至少一方的交流电位差和施加于层叠电池的交流电流来计算层叠电池的阻抗。在该层叠电池的阻抗测量装置中，具备正极侧陷波滤波器561以及负极侧陷波滤波器562中的与检测出的交流电位差对应的滤波器、和正极侧加法器571以及负极侧加法器572中的对通过与检测出的交流电位差对应的滤波器之后的信号进行加法运算的加法器，其中，正极侧陷波滤波器561对表示正极侧交流电位差的交流信号去除该交流信号频率的信号，负极侧陷波滤波器562对表示负极侧交流电位差的交流信号去除该交流信号频率的信号，正极侧加法器571将通过第一滤波器561之后的信号与表示负极侧交流电位差的交流信号相加，负极侧加法器572将通过负极侧陷波滤波器562之后的信号与表示正极侧交流电位差的交流信号相加。通过正极侧陷波滤波器561对表示正极侧交流电位差的交流信号去除该交流信号频率的信号得到的信号是噪声信号。以层叠电池的中间电位为基准的表示正极侧交流电位差的信号与表示负极侧交流电位差的信号是相位相差180度(相位相反)的信号，因此通过将通过正极侧陷波滤波器561之后的信号与表示负极侧交流电位差的交流信号相加，能够抵消噪声信号，从而能够取出没有噪声的表示负极侧交流电位差的交流信号。同样地，通过将通过负极侧陷波滤波器562之后的信号与表示正极侧交流电位差的交流信号相加，能够抵消噪声信号，从而能够取出没有噪声的表示正极侧交流电位差的交流信号。由此，基于没有噪声的影响的交流电位差和交流电流，能够高精度地求出层叠电池的阻抗。
在使用使规定频带的信号通过的带通滤波器来去除噪声成分的情况下，用于使窄频率的信号通过的带通滤波器的价格高，因此成本增高。然而，在本实施方式中，通过使用价格低的陷波滤波器，相对于使用带通滤波器的结构能够以低成本去除噪声。
另外，在通过将想要去除的噪声信号的相位反转后的信号与原信号相加来去除噪声的有源噪声控制系统中，需要生成想要去除的噪声信号。但是，在本实施方式中，只通过使表示正极侧交流电位差的交流信号通过正极侧陷波滤波器561之后与表示负极侧交流电位差的交流信号相加，就能够从表示负极侧交流电位差的交流信号中去除噪声成分。同样地，只通过使表示负极侧交流电位差的交流信号通过负极侧陷波滤波器562之后与表示正极侧交流电位差的交流信号相加，就能够从表示正极侧交流电位差的交流信号中去除噪声成分。
(第二实施方式)
图9是用于说明第二实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的作用效果的图。
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，阻抗的检测精度提高。下面，说明其理由。
如图9的(A)所示，当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(2)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(3)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(4)表示。
[数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，针对各层叠单体群，需要通过四端子法进行连接。
因此，在本实施方式中，如图9的(B)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将想要检测的电压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(5)表示，小得可以忽略，从而能够视为Vi＝Vx。
[数5]
图10是表示第二实施方式的具体结构的图。
将构成燃料电池1的发电单体10的隔板(双极板)12的一部分延伸出，来设置连接部位。
图11是表示本发明的层叠电池的阻抗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(中间电位的点)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体群的阻抗。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。
在这样的电路结构中，也与第一实施方式同样地，从正极侧加法器571和负极侧加法器572输出噪声被抵消后的信号，因此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能够检测出没有噪声的交流电位差。
(第三实施方式)
图12是第三实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的电路图。在本实施方式中，交流电位差检测部只设置于正极侧。因而，加法器(571)也只设置于正极侧，陷波滤波器(562)只设置于负极侧。
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(中间电位的点)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13是第三实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的控制器所执行的控制流程图。
在步骤S101中，控制单元6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)，则控制单元6将处理转移到步骤S102，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S104。
在步骤S102中，控制单元6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S103中，控制单元6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S104中，控制单元6判断是否调整可变电阻Ra。如果判断结果为“是”，则控制单元6将处理转移到步骤S105，如果判断结果为“否”，则将处理转移到步骤S111。
在步骤S105中，控制单元6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S106中，控制单元6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S107中，控制单元6判断电位差Vn是否小于比较电位差Vp。如果判断结果为“否”，则控制单元6将处理转移到步骤S108，如果判断结果为“是”，则将处理转移到步骤S109。
在步骤S108中，控制单元6将调整量N的极性反转，暂时退出处理。
在步骤S109中，控制单元6判断电位差Vn是否变为最小。如果判断结果为“是”，则控制单元6将处理转移到步骤S110，如果判断结果为“否”，则暂时退出处理。
在步骤S110中，控制单元6用此时的电位差Vn更新比较电位差Vp。
在步骤S111中，控制单元6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S112中，控制单元6从正极交流电位Va减去负极交流电位Vb，计算电位差Vn。
在步骤S113中，控制单元6判断电位差Vn是否小于比较电位差Vp。如果判断结果为“否”，则控制单元6将处理转移到步骤S114，如果判断结果为“是”，则将处理转移到步骤S115。
在步骤S114中，控制单元6将调整量M的极性反转，并暂时退出处理。
在步骤S115中，控制单元6判断电位差Vn是否变为最小。如果判断结果为“是”，则控制单元6将处理转移到步骤S116，如果判断结果为“否”，则暂时退出处理。
在步骤S116中，控制单元6用此时的电位差Vn更新比较电位差Vp。
在步骤S117中，控制单元6根据上述式(1-1)、(1-2)运算阻抗。
当执行以上的流程图时如下进行动作。
最初设定初始值(S101→S102→S103)。
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(S105)，来计算电位差Vn(S106)，如果电位差不变小，则将调整量N的极性进行反转(S108)，如果电位差变小，则判断是否为最小值(S109)。在变为最小值之前重复进行同样的处理(S101→S104→S105→S106→S107→S108或S109)，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(S110)。
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(S111)，来计算电位差Vn(S112)，如果电位差不变小，则将调整量M的极性进行反转(S114)，如果电位差变小，则判断是否为最小值(S115)。在变为最小值之前重复进行同样的处理(S101→S104→S111→S112→S113→S114或S115)，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(S116)。
然后，根据上述式(1-1)、(1-2)运算阻抗(S117)。
如果像本实施方式那样，则各层叠单体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，由于流过阻抗测量对象(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阻抗，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阻抗。
并且，根据本实施方式，由于各层叠单体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。
在本实施方式中，也与第一实施方式同样地，从正极侧加法器571输出噪声被抵消后的信号，因此正极侧交流电位差检测部521能够检测出没有噪声的交流电位差。
(第四实施方式)
图14是第四实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的电路图。
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，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体群的交流电流，与交流电压检测线相连接的交流电位差检测部521、522检测层叠单体群两端的交流电压。
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。
在本实施方式中，也与第一实施方式同样地，从正极侧加法器571和负极侧加法器572输出噪声被抵消后的信号，因此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能够检测出没有噪声的交流电位差。
(第五实施方式)
图15是表示本发明的层叠电池的阻抗测量装置的第五实施方式的图。
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单体的不同的双极板连接。图16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之间的单体阻抗、双极板502与双极板502a之间的单体阻抗、双极板503与双极板5031a之间的单体阻抗、双极板503与双极板5032a之间的单体阻抗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、或单体间的阻抗偏差一致的情况下，能够基于检测范围的单体个数求出每一单体的平均单体阻抗来进行校正，因此没有问题。
在本实施方式中，也与第一实施方式同样地，从正极侧加法器571和负极侧加法器572输出噪声被抵消后的信号，因此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能够检测出没有噪声的交流电位差。
(第六实施方式)
图17是第六实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的电路图。
当用电路图表示本实施方式时，形成为与第三实施方式(图12)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单体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15的双极板5031a进行连接。不需要与图15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，各层叠单体群两端的交流电压振幅必然相同。因此，由于流过阻抗测量对象(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阻抗，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阻抗。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。
在本实施方式中，也与第一实施方式同样地，从正极侧加法器571输出噪声被抵消后的信号，因此正极侧交流电位差检测部521能够检测出没有噪声的交流电位差。
(第七实施方式)
图18是第七实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的电路图。
本实施方式基本上与第四实施方式(图14)相同。但是，在第四实施方式(图14)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单体的不同的双极板连接。
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体群的交流电流，与交流电压检测线连接的交流电位差检测部521、522检测层叠单体群两端的交流电压。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。
在本实施方式中，也与第一实施方式同样地，从正极侧加法器571和负极侧加法器572输出噪声被抵消后的信号，因此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能够检测出没有噪声的交流电位差。
(参考实施方式)
在上述的各实施方式中，将中途点设为燃料电池1的中间电位的点，但也研究了对不将中途点设为燃料电池1的中间电位的点的情况的电路设置陷波滤波器的结构。
例如，在将燃料电池1的正极端子与负极端子间分为1：2的点设为中途点并接地的情况下，在正极侧交流电位差检测部中检测出含有噪声的成为交流电位差信号1/3倍的信号，在负极侧交流电位差检测部中检测出含有噪声的成为交流电位差信号的2/3倍的信号。因而，如果将由正极侧交流电位差检测部检测出的信号扩大到两倍，则由正极侧交流电位差检测部测出的信号电平与由负极侧交流电位差检测部检测出的信号电平变得相同。如在上述各实施方式中说明的那样，通过使被调整为相同信号电平的信号通过陷波滤波器和加法器，能够消除噪声。
图19是设通过连接切换器580来依次切换中途点的结构图。在这种情况下，也根据切换的中途点的位置进行调整，使得由正极侧交流电位差检测部检测出的信号电平与由负极侧交流电位差检测部检测出的信号电平变得相同，之后通过陷波滤波器和加法器，由此能够消除噪声。
根据切换中途点的该结构，能够通过将当前的测量值和前一个测量值进行比较来计算当前连接着的单体的阻抗。因而，能够对各单体测量阻抗。由此，能够监视层叠方向上的阻抗分布、局部的单体的劣化等。
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20那样将层叠电池1-1以及与其相同的层叠电池1-2串联连接得到的结构设为阻抗测量对象。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。中途点成为包括层叠电池1-1与层叠电池1-2的阻抗测量对象的中间电位的点。据此，求出层叠电池1-1的阻抗值设为R1，求出层叠电池1-2的阻抗值设为R2。即使这样，也能够如上述的各实施方式那样，通过设置陷波滤波器和加法器来准确地求出层叠电池1-1及层叠电池1-2各自的阻抗值而不受噪声影响。
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。
在上述第一～第三、第五～第六实施方式中，说明了设置有交流调整部(540、540a)的结构，但由于将中途点设为燃料电池1的中间电位的点，因此也能够省略交流调整部(540、540a)。
中途点是燃料电池1的中间电位的点，但并不完全是中间电位的点，也可以是接近中间电位的位置。
本申请主张2012年10月9日向日本专利局申请的特愿2012-224266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 (3)

1.一种层叠电池的阻抗测量装置，其具备：
交流电源部，其向至少包括层叠电池的阻抗测量对象输出交流电流；
交流电位差检测单元，其检测上述阻抗测量对象的正极侧的电位与上述阻抗测量对象的中间电位之间的正极侧交流电位差、以及上述阻抗测量对象的负极侧的电位与上述阻抗测量对象的中间电位之间的负极侧交流电位差；
滤波器，其对表示上述正极侧交流电位差和上述负极侧交流电位差中的其中一个交流电位差的交流信号去除该交流信号的频率的信号；
加法单元，其将通过上述滤波器之后的信号与表示上述正极侧交流电位差和上述负极侧交流电位差中的另一个交流电位差的交流信号相加；以及
阻抗计算单元，其基于上述加法单元输出的信号和施加于上述阻抗测量对象的交流电流来计算上述层叠电池的阻抗。
2.一种层叠电池的阻抗测量装置，其具备：
交流电源部，其向至少包括层叠电池的阻抗测量对象输出交流电流；
交流电位差检测单元，其检测上述阻抗测量对象的正极侧的电位与上述阻抗测量对象的中间电位之间的正极侧交流电位差、以及上述阻抗测量对象的负极侧的电位与上述阻抗测量对象的中间电位之间的负极侧交流电位差；
第一滤波器，其对表示上述正极侧交流电位差的交流信号去除该交流信号的频率的信号；
第二滤波器，其对表示上述负极侧交流电位差的交流信号去除该交流信号的频率的信号；
第一加法单元，其将通过上述第一滤波器之后的信号与表示上述负极侧交流电位差的交流信号相加；
第二加法单元，其将通过上述第二滤波器之后的信号与表示上述正极侧交流电位差的交流信号相加；以及
阻抗计算单元，其基于上述第一加法单元输出的信号和上述第二加法单元输出的信号中的至少一方的信号和施加于上述阻抗测量对象的交流电流来计算上述层叠电池的阻抗。
3.根据权利要求1或2所述的层叠电池的阻抗测量装置，其特征在于，上述滤波器是陷波滤波器。
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