CN105579855B - 层叠电池的阻抗测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

层叠电池的阻抗测量装置具备：多个发电元件层叠而成的层叠电池；连接在层叠电池的两端的负载；叠加电路，其使脉动电流或脉动电压叠加到层叠电池的输出中；阻抗测量电路，在脉动电流被叠加的情况下，该阻抗测量电路根据通过叠加脉动电流而产生的脉动电压和脉动电流来测量层叠电池的内阻，在脉动电压被叠加的情况下，该阻抗测量电路根据通过叠加脉动电压而产生的脉动电流和脉动电压来测量层叠电池的内阻；电阻成分，其设置于叠加电路与负载之间；以及电位差抑制电路，其用于抑制电阻成分的两端的脉动电位差。

Description

层叠电池的阻抗测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种对层叠电池的内阻进行测量的装置和测量方法。

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。

已知以下一种技术：为了检测电解质膜的湿润状态，通过外部电路对与外部负载连接的燃料电池施加交流电流来计测燃料电池的阻抗。然而，对于施加交流的外部电路而言，电池与同电池连接的负载成为并联电路，因此，在所施加的电流流过电池以外的负载的情况下，有可能无法准确地测量电池的内阻。在WO2012/077450A中公开了用于解决该问题的装置。

发明内容

在如上述那样通过外部电路对层叠电池施加交流电流时，在所施加的电流流过电池以外的负载的情况下，有可能无法准确地测量电池的内阻。

本发明的目的在于提供一种通过与WO2012/077450A所记载的方法不同的方法来高精度地测量层叠电池的阻抗的技术。

本发明的层叠电池的阻抗测量装置具备：多个发电元件层叠而成的层叠电池；连接在层叠电池的两端的负载；叠加单元，其使脉动电流或脉动电压叠加到层叠电池的输出中；以及阻抗测量单元，在脉动电流被叠加的情况下，该阻抗测量单元根据通过叠加脉动电流而产生的脉动电压和脉动电流来测量层叠电池的内阻，在脉动电压被叠加的情况下，该阻抗测量单元根据通过叠加脉动电压而产生的脉动电流和脉动电压来测量层叠电池的内阻。层叠电池的阻抗测量装置还具备：电阻成分，其设置于叠加单元与负载之间；以及电位差抑制电路，其用于抑制电阻成分的两端的脉动电位差。

下面，与所添附的附图一起详细说明本发明的实施方式。

附图说明

图1是表示第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的基本结构的图。

图2是表示第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的一部分的具体结构的图。

图3是表示第二实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的一部分的具体结构的图。

图4是表示第三实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的脉动电流产生电路的结构的图。

图5是表示第四实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的脉动电流产生电路的结构的图。

图6是表示代替脉动电流产生电路而设置有脉动电压产生电路的层叠电池的阻抗测量装置的结构的图。

具体实施方式

<第一实施方式>

图1是表示第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的基本结构的图。层叠电池2是层叠多个发电元件而成的电池，例如是将多个燃料电池单元层叠而成的燃料电池堆。

电力转换装置4设置于层叠电池2与负载5之间，将从层叠电池2供给的电力转换为向负载5供给的供给电力。例如，在负载5是三相交流电动机的情况下，电力转换装置4是逆变器，将从层叠电池2供给的直流电力转换为三相交流电力后供给到负载5。另外，在负载5是直流电动机的情况下，电力转换装置4是DC/DC转换器，将层叠电池2的直流电压转换为期望的直流电压后供给到负载5。

在层叠电池2与电力转换装置4之间设置有二极管3，该二极管3用于防止电流从电力转换装置4侧流向层叠电池2。即，二极管3的阳极与层叠电池2的输出端连接，阴极与电力转换装置4的输入端连接。

在层叠电池2与二极管3之间设置有脉动电流产生电路11、脉动电流检测器12以及脉动电压检测器13。但是，也可以将脉动电压检测器13设置于二极管3与电力转换装置4之间。

脉动电流产生电路11产生脉动电流。所产生的脉动电流被施加于层叠电池2，并叠加在层叠电池2的输出电流中。

脉动电流检测器12检测由脉动电流产生电路11产生的脉动电流。脉动电压检测器13与层叠电池2并联连接，对通过脉动电流在层叠电池2的两端产生的脉动电压进行检测。

阻抗运算电路14通过对由脉动电压检测器13检测出的脉动电压除以由脉动电流检测器12检测出的脉动电流来运算层叠电池的内阻。

脉动电流泄漏防止电路15是用于防止由脉动电流产生电路11产生的脉动电流经由二极管3流向负载5侧的电路。

图2是表示第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的一部分的具体结构的图。在图2中省略了层叠电池2、电力转换装置4以及负载5。

在图2所示的电路中，在脉动电压检测器13上串联连接有电容器Cc。电容器Cc仅使脉动电流流通，并且产生各电路(脉动电流产生电路11、脉动电流检测器12、脉动电压检测器13、阻抗运算电路14、脉动电流泄漏防止电路15)的动作基准电位(公共电压)。即，电容器Cc中蓄积有层叠电池2的直流电压部分的电荷，脉动电压检测器13与电容器Cc的连接点成为各电路的动作基准电位。

脉动电流产生电路11具备脉动信号源21以及NPN型晶体管22。NPN型晶体管22的发射极同脉动电压检测器13与电容器Cc的连接点连接，集电极与后述的脉动电流检测器12的电阻器23的一端连接。脉动信号源21例如是正弦波发生器，当由脉动信号源21产生的正弦波电流被施加于NPN型晶体管22的基极时，NPN型晶体管22被驱动，脉动电流Ie从集电极向发射极的方向、即沿图2的箭头的路径流动。

脉动电流检测器12具备电阻值为Ri的电阻器23以及运算放大器24。运算放大器24检测由于流通脉动电流Ie而在电阻器23的两端产生的电位差Vopi，输出根据以下的式(1)计算出的脉动电流值I。

[式1]

I＝Vopi/Ri …(1)

脉动电压检测器13具备电阻值为Rv(Ri＜＜Rv)的电阻器25以及运算放大器26。脉动电压检测器13与串联连接的脉动电流产生电路11及脉动电流检测器12并联连接，当脉动电流Ie向图2的箭头的朝向流动时，在电阻器25的两端产生与在串联连接的脉动电流产生电路11和脉动电流检测器12的两端产生的电压相同的电压。运算放大器26检测在电阻器25的两端产生的电位差Vopv，并将该电位差Vopv作为脉动电压值V(V＝Vopv)输出。作为运算放大器26的输出的脉动电压值V被输入到阻抗运算电路14和脉动电流泄漏防止电路15。

脉动电流泄漏防止电路15具备电压跟随放大器27。电压跟随放大器27具有将与输入电压相等的电压输出的特性，向电压跟随放大器27输入作为运算放大器26的输出的脉动电压值V，且该电压跟随放大器27将相同的电压V输出到二极管3的两端中的阴极侧。即，电压跟随放大器27在脉动电流流过时，将与在二极管3的阳极侧产生的脉动电压相同的电压施加于二极管3的阴极侧。由此，二极管3的阳极-阴极之间的脉动电压电位差成为0，因此二极管3中不流通脉动电流。即，能够防止脉动电流经由二极管3流向电力转换装置4和负载5。

此外，在直流电流从层叠电池2经由二极管3流向负载5的情况下，电压跟随放大器27的输出端子侧的电压有可能发生变动，但是电压跟随放大器27通过负反馈立即进行动作，使得输入电压与输出电压相等。由此，能够高精度地将二极管3的阳极-阴极之间的脉动电压电位差保持为0。

以上，第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置具备：层叠多个发电元件而成的层叠电池2；连接在层叠电池2的两端的负载5；脉动电流产生电路11，其使脉动电流叠加到层叠电池2的输出中；阻抗运算电路14，其根据通过叠加脉动电流产生的脉动电压和脉动电流来测量层叠电池2的内阻；作为电阻成分的二极管3，其设置于脉动电流产生电路11与负载5之间；以及脉动电流泄漏防止电路15，其用于抑制二极管3的两端的脉动电位差。通过利用脉动电流泄漏防止电路15来抑制电阻成分的两端的脉动电位差，能够抑制脉动电流经由电阻成分流向负载5侧，因此能够根据脉动电流和脉动电压来高精度地测量层叠电池2的内阻。

特别地，根据第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置，脉动电流泄漏防止电路15通过将脉动电压施加于二极管3的两端中的负载侧端来抑制在二极管3的两端产生脉动电位差。即，通过将与在二极管3的两端中的层叠电池侧端产生的脉动电压相同的电压施加于二极管3的负载侧端，能够有效地抑制二极管3的两端的脉动电压电位差。

<第二实施方式>

图3是表示第二实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的一部分的具体结构的图。在图3中也省略了层叠电池2、电力转换装置4以及负载5。另外，对与图2所示的第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的结构相同的结构部分附加相同的附图标记，并省略详细的说明。

脉动电流产生电路11具备脉动信号源21和变压器31。变压器31的初级线圈与脉动信号源21串联连接。另外，变压器31的次级线圈的一端与脉动电流检测器12的电阻器23的一端连接，变压器31的次级线圈的另一端同脉动电压检测器13与电容器Cc的连接点连接。当由脉动信号源21产生的正弦波电流流过变压器31的初级线圈时，次级线圈中也流过相同波形的电流，因此脉动电流Ie沿图3的箭头的路径流动。此外，通过变压器31的作用，脉动电流Ie成为包含正和负的电流成分的双极波形。

脉动电流泄漏防止电路15是具备运算放大器32的负反馈放大电路。即，运算放大器32的输出端子与反相输入端子连接。另外，运算放大器32的非反相输入端子与二极管3的阳极连接，运算放大器32的反相输入端子与二极管3的阴极连接。负反馈放大电路具有使运算放大器32的反相输入端子与非反相输入端子之间的电位差保持为0的特性(虚拟短路)，因此二极管3的阳极-阴极之间的脉动电压电位差成为0。由此，二极管3不流通脉动电流，因此能够防止脉动电流经由二极管3流向负载5侧。

以上，根据第二实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置，脉动电流泄漏防止电路15是具备与二极管3的两端中的层叠电池侧端连接的非反相输入端子、与二极管3的两端中的负载侧端连接的反相输入端子以及与反相输入端子连接的输出端子的负反馈放大电路。在负反馈放大电路中，具有使反相输入端子与非反相输入端子之间的电位差保持为0的特性，因此能够抑制在二极管3的两端之间产生脉动电压电位差，从而能够抑制脉动电流经由二极管3流向负载5侧。

另外，脉动电流产生电路11具备产生脉动电流的脉动信号源21和变压器31，该变压器31具有与脉动信号源21连接的初级线圈以及与流通层叠电池2的输出电流的电路连接的次级线圈。在这样的结构中，也能够使脉动电流叠加到层叠电池的输出中。

<第三实施方式>

在第三实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置中，脉动电流产生电路11的结构与第一实施方式、第二实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的脉动电流产生电路11的结构不同。

图4是表示第三实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置中的脉动电流产生电路11的结构的图。脉动电流产生电路11具备脉动信号源21和差动放大器41。

差动放大器41的两个输入端子分别与脉动信号源21的输出端子连接。即，差动放大器41将通过由脉动信号源21产生的正弦波电流在两个输入端子之间产生的电压差放大后输出。此时，根据差动放大器41的特性，脉动电流Ie如图4的箭头那样向两个方向流动。该脉动电流Ie的电流值I与由脉动信号源21产生的脉动电流的电流值成比例，由于能够事先掌握由脉动信号源21产生的脉动电流的电流值和差动放大器41的差动增益，因此能够通过运算求出脉动电流Ie的电流值I。即，根据本实施方式的结构，不需要通过脉动电流检测器12来检测脉动电流的电流值，因此能够设为省略了脉动电流检测器12的结构。

以上，根据第三实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置，脉动电流产生电路11具备产生脉动电流的脉动信号源21以及两个输入端子分别与脉动信号源21的两端连接的差动放大器41。由于从差动放大器41输出的脉动电流与由脉动信号源21产生的脉动电流的电流值成比例，因此能够通过运算求出脉动电流Ie的电流值I。由此，能够设为省略了用于检测脉动电流Ie的电流值的脉动电流检测器12的结构。

此外，在代替差动放大器41而使用电流互感器、具备两个晶体管的推挽电路的情况下，也能够获得同样的效果。例如在使用电流互感器的情况下，初级侧与脉动信号源21串联连接，与由脉动信号源21产生的脉动电流成比例的电流流过次级侧。由此，不需要通过脉动电流检测器12来检测脉动电流的电流值，因此能够设为省略了脉动电流检测器12的结构。另外，在使用具备NPN晶体管和PNP晶体管这两个晶体管的推挽电路的情况下，也能够与使用差动放大器41的情况同样地使脉动电流Ie如图4的箭头所示那样向两个方向流动。另外，能够将通过由脉动信号源21产生的正弦波电流在两个输入端子之间产生的电压差放大后输出，因此能够与使用差动放大器41的情况同样地设为省略了脉动电流检测器12的结构。

<第四实施方式>

在第四实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置中，脉动电流产生电路11的结构与第一实施方式～第三实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的脉动电流产生电路11的结构不同。

图5是表示第四实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的脉动电流产生电路11的结构的图。脉动电流产生电路11具备热电元件51。热电元件51是将热能转换为电能的元件，例如是塞贝克(日语：ゼーベック)元件、热敏电阻、热电偶、帕尔贴(日语：ペルチェ)元件。以下，作为热电元件51，列举使用自身的电阻值根据温度变化而变化的热敏电阻的情况为例进行说明。

热电元件51设置于电力转换装置4的电源开关元件(例如IGBT)的附近。当电力转换装置4的电源开关元件接通时产生热，因此当电源开关元件以与PWM信号相应的驱动周期(PWM周期)接通/断开时，与该驱动周期相应的温度的脉动(温度变化)被传递到热电元件51。作为热电元件51的热敏电阻的电阻也与该温度的脉动(温度变化)成比例地变化，因此将层叠电池2作为电压源且与温度的脉动成比例的电流、即脉动电流流过热电元件51。

塞贝克元件、热电偶以及帕尔贴元件具有产生与温度差相应的电动势的特性。在使用塞贝克元件、热电偶或帕尔贴元件作为热电元件51的情况下，与电力转换装置4的电源开关元件的驱动周期相应的温度的脉动被传递到热电元件51，热电元件51产生与该温度的脉动相应的电动势。与该电动势相应的脉动电流流过热电元件51。

在此，例如在将层叠电池的阻抗测量装置搭载于电动汽车、燃料电池汽车等车辆来使用的情况下，层叠电池的端子之间的电压为几百伏。在这种情况下，在电力转换装置4转换大的电力时，电源开关元件的损耗变大。在电源开关元件接通时，噪声变大，但是从电源开关元件传递到热电元件51的温度变化也变大，结果是，脉动电流Ie的振幅也变大，因此不使用用于改善SN比的外部装置等而SN比提高。

以上，根据第四实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置，脉动电流产生电路11具备热电元件51，该热电元件51通过同设置于脉动电流产生电路11与负载5之间的电力转换装置4所具备的开关元件的开闭相应的热变动来产生脉动电流。在这样的结构中，也能够使脉动电流叠加到层叠电池的输出中。另外，在如上述那样电力转换装置4转换大的电力的情况下，开关元件的接通时的噪声变大，但是从开关元件传递到热电元件51的温度变化也变大，因此脉动电流Ie的振幅也变大，不使用用于改善SN比的外部装置等也能够获得SN比提高这样的效果。

本发明并不限定于上述的实施方式。例如，也可以代替脉动电流产生电路11而设置用于产生如正弦波电压那样的脉动电压的脉动电压产生电路。图6是表示在图1所示的层叠电池的阻抗测量装置的结构中代替脉动电流产生电路11而设置有脉动电压产生电路61的结构的图。在该情况下，也能够将由脉动电压产生电路61产生的脉动电压叠加于层叠电池2的输出电压。另外，脉动电流检测器12检测通过由脉动电压产生电路61产生的脉动电压而流通的脉动电流，脉动电压检测器13检测脉动电压。

设脉动电流泄漏防止电路15是用于抑制设置于脉动电流产生电路11与负载5之间的二极管3的两端的脉动电位差的电路而进行了说明。但是，即使是在脉动电流产生电路11与负载5之间设置二极管3以外的电阻成分的结构，只要能够通过脉动电流泄漏防止电路15来抑制该电阻成分的两端的脉动电位差，就能够抑制脉动电流经由电阻成分流向负载5。

作为脉动电流的一例，列举正弦波电流进行了说明，但是脉动电流不限定于正弦波电流。同样地，脉动电压也不限定于正弦波电压。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是上述实施方式只是示出了本发明的应用例的一部分，而并非旨在将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。

本申请主张基于2013年8月29日向日本特许厅申请的特愿2013-177827的优先权，参照该申请的全部公开内容而将其引入到本说明书中。

Claims (9)

1.一种层叠电池的阻抗测量装置，具备：

多个发电元件层叠而成的层叠电池；

连接在所述层叠电池的两端的负载；

叠加单元，其使脉动电流或脉动电压叠加到所述层叠电池的输出中；

阻抗测量单元，在所述脉动电流被叠加的情况下，该阻抗测量单元根据通过叠加所述脉动电流而产生的脉动电压和所述脉动电流来测量所述层叠电池的内阻，在所述脉动电压被叠加的情况下，该阻抗测量单元根据通过叠加所述脉动电压而产生的脉动电流和所述脉动电压来测量所述层叠电池的内阻；

电阻成分，其设置于所述叠加单元与所述负载之间；以及

电位差抑制电路，其用于抑制所述电阻成分的两端的脉动电位差，

其中，所述电位差抑制电路通过将所述脉动电压施加于所述电阻成分的两端中的负载侧端，来抑制所述电阻成分的两端的脉动电位差。

2.根据权利要求1所述的层叠电池的阻抗测量装置，其特征在于，

所述叠加单元具备脉动产生单元和变压器，该脉动产生单元产生脉动电流或脉动电压，该变压器具有与所述脉动产生单元连接的初级线圈以及与流通所述层叠电池的输出电流的电路连接的次级线圈。

3.根据权利要求1所述的层叠电池的阻抗测量装置，其特征在于，

所述叠加单元具备脉动产生单元和差动放大电路，该脉动产生单元产生脉动电流或脉动电压，该差动放大电路的两个输入端子与所述脉动产生单元的两端连接。

4.根据权利要求1所述的层叠电池的阻抗测量装置，其特征在于，

还具备电力转换单元，该电力转换单元设置于所述叠加单元与所述负载之间，

所述叠加单元具备热电元件，该热电元件通过与所述电力转换单元所具备的开关元件的开闭相应的热变动，来产生所述脉动电流或脉动电压。

5.一种层叠电池的阻抗测量装置，具备：

多个发电元件层叠而成的层叠电池；

连接在所述层叠电池的两端的负载；

叠加单元，其使脉动电流或脉动电压叠加到所述层叠电池的输出中；

阻抗测量单元，在所述脉动电流被叠加的情况下，该阻抗测量单元根据通过叠加所述脉动电流而产生的脉动电压和所述脉动电流来测量所述层叠电池的内阻，在所述脉动电压被叠加的情况下，该阻抗测量单元根据通过叠加所述脉动电压而产生的脉动电流和所述脉动电压来测量所述层叠电池的内阻；

电阻成分，其设置于所述叠加单元与所述负载之间；以及

电位差抑制电路，其用于抑制所述电阻成分的两端的脉动电位差，

其中，所述电位差抑制电路是具备与所述电阻成分的两端中的层叠电池侧端连接的非反相输入端子、与所述电阻成分的两端中的负载侧端连接的反相输入端子以及与所述反相输入端子连接的输出端子的负反馈放大电路。

6.根据权利要求5所述的层叠电池的阻抗测量装置，其特征在于，

所述叠加单元具备脉动产生单元和变压器，该脉动产生单元产生脉动电流或脉动电压，该变压器具有与所述脉动产生单元连接的初级线圈以及与流通所述层叠电池的输出电流的电路连接的次级线圈。

7.根据权利要求5所述的层叠电池的阻抗测量装置，其特征在于，

所述叠加单元具备脉动产生单元和差动放大电路，该脉动产生单元产生脉动电流或脉动电压，该差动放大电路的两个输入端子与所述脉动产生单元的两端连接。

8.根据权利要求5所述的层叠电池的阻抗测量装置，其特征在于，

还具备电力转换单元，该电力转换单元设置于所述叠加单元与所述负载之间，

所述叠加单元具备热电元件，该热电元件通过与所述电力转换单元所具备的开关元件的开闭相应的热变动，来产生所述脉动电流或脉动电压。

9.一种层叠电池的阻抗测量方法，该层叠电池是由多个发电元件层叠而成的，在该层叠电池的两端连接有负载，在该层叠电池的阻抗测量方法中，

使用使脉动电流或脉动电压叠加到所述层叠电池的输出中的叠加单元，在所述脉动电流被叠加的情况下，根据通过叠加所述脉动电流而产生的脉动电压和所述脉动电流来测量所述层叠电池的内阻，在所述脉动电压被叠加的情况下，根据通过叠加所述脉动电压而产生的脉动电流和所述脉动电压来测量所述层叠电池的内阻，

在所述叠加单元与所述负载之间设置电阻成分，

通过将所述脉动电压施加于所述电阻成分的两端中的负载侧端，来抑制所述电阻成分的两端的脉动电位差。