JP2007012413A - 燃料電池システムおよび車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＤＣ／ＤＣコンバータの制御を複雑化することなく燃料電池のインピーダンス測定を行うことが可能な燃料電池システムおよび該燃料電池システムを備えた車両を提供する。
【解決手段】 目標電力決定部１１０は、例えばアクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づいて要求動力に応じた三相交流電力を決定し、電力指令信号としてインバータ６０に出力する。インバータ６０は、電力指令信号に従ってスイッチング制御を行う。これにより、モータ６１の回転数に比例したリップルが発生し、電圧センサ１４１によって検出されるＦＣ電圧Ｖｆや電流センサ１４２によって検出されるＦＣ電流Ｉｆに現れる。インピーダンス演算部１４０は、ＦＣ電圧Ｖｆ及びＦＣ電流Ｉｆに基づき、燃料電池４０のインピーダンスを求める。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムおよび車両に関し、特に交流インピーダンス法を用いて燃料電池のインピーダンス測定を行う燃料電池システムおよび該燃料電池システムを備えた車両に関する。

燃料電池の内部抵抗は、燃料電池内部の電解質膜の湿潤度に影響することが知られており、燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。

燃料電池を高効率で運転させるためには、燃料電池の内部水分量の管理を最適に行う必要がある。燃料電池の内部水分量は、燃料電池のインピーダンスと相関関係があり、現在では交流インピーダンス法により燃料電池のインピーダンスを測定し、間接的に燃料電池内部の水分状態を把握することが行われている。

例えば、下記特許文献１には、燃料電池の出力信号に任意の周波数を有する正弦波信号（インピーダンス測定用信号）を印加（重畳）し、その場合のインピーダンスを測定することで燃料電池の内部水分量をリアルタイムに把握する方法が開示されている。
特開２００３−８６２２０号公報

しかしながら、インピーダンスを測定する際には、上記の如くＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧に正弦波信号などを重畳する必要があり、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御が複雑化してしまうという問題がある。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、コンバータ（電圧変換装置）の制御を複雑化することなく、燃料電池のインピーダンスの測定が可能な燃料電池システムおよび該燃料電池システムを備えた車両を提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータから供給される交流電力によって駆動するモータと、前記モータの駆動に起因して発生するリップルを利用して前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、モータの回転数に応じて発生するリップル成分を利用してインピーダンス測定を行うため、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御を複雑化することなくインピーダンス測定を行うことが可能となる。

ここで、前記リップルには複数の周波数成分が含まれ、前記測定手段は、前記複数の周波数成分の中から少なくとも１つ以上の周波数成分を選択し、選択した周波数成分における前記インピーダンスを測定する態様が好ましい。また、前記測定手段は、２つ以上の周波数成分を選択しても良い。

さらに、前記インピーダンスの測定周波数に応じて前記モータの回転数を決定する回転数決定手段と、決定された回転数に従って前記モータの回転数を切り換える回転数切換手段とをさらに具備する態様が好ましい。

なお、前記モータの適用例としては、各種の電気アクチュエータに用いられるモータ、電動機（モータ）、車両の場合には車両駆動用モータが挙げられる。

本発明に係る車両は、上記燃料電池システムが適用された車両であって、前記モータが車輪駆動用のモータであり、前記回数数切換手段が当該車輪駆動用のモータと車輪との間に設けられる変速機とされたものである。

以上説明したように、本発明によれば、コンバータ（電圧変換装置）の制御を複雑化することなく、燃料電池のインピーダンスの測定が可能な燃料電池システムおよび該燃料電池システムを備えた車両を提供することを目的とする。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
Ａ．第１実施形態
図１は第１実施形態に係わる燃料電池システム１００を搭載した車両の概略構成である。なお、以下の説明では、車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば船舶、飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

この車両は、車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結された同期モータ６１を駆動力源として走行する。同期モータ６１の電源は電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、モータ６１に供給される。モータ６１は、インバータ６０から与えられる三相交流（電圧ないし電流）に応じて回転数などを変えて駆動する。モータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。

電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０などから構成される。燃料電池４０は供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する手段であり、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。

バッテリ（蓄電器）２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。その他、種々のタイプの二次電池を適用することができる。また、バッテリ２０に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列接続されている。

燃料電池４０とバッテリ２０とはインバータ６０に並列接続されており、燃料電池４０からインバータ６０への回路には、バッテリ２０からの電流または同期モータ６１において発電された電流が逆流するのを防ぐためのダイオード４２が設けられている。

このように、並列接続された燃料電池４０及びバッテリ２０の両電源の適切な出力分配を実現するためには両電源の相対的な電圧差を制御する必要がある。本実施形態では、かかる電圧差を制御するためにバッテリ２０とインバータ６０との間にＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）３０を設けている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、直流の電圧変換器であり、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を調整して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０またはモータ６１から入力されたＤＣ電圧を調整してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。このＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。

バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０との間には、車両補機５０およびＦＣ補機５１が接続され、バッテリ２０はこれら補機の電源となる。車両補機５０とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器をいい、照明機器、空調機器、油圧ポンプなどが含まれる。また、ＦＣ補機５１とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器をいい、燃料ガスや改質原料を供給するためのポンプ、改質器の温度を調整するヒータなどが含まれる。

上述した各要素の運転は、制御ユニット１０によって制御される。制御ユニット１０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御ユニット１０は、要求動力に応じた電力が供給されるよう、燃料電池４０及びＤＣ／ＤＣコンバータ３０の運転を制御する。この制御ユニット１０には、種々のセンサ信号が入力される。例えば、アクセルペダルセンサ１１、バッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ２１、燃料電池４０のガス流量を検出する流量センサ４１、車速を検出する車速センサ６２などから、種々のセンサ信号が制御ユニット１０に入力される。

また、制御ユニット１０は、インバータ６０のスイッチングを制御して、要求動力に応じた三相交流をモータ６１に出力する。本実施形態は、このモータ６１の回転数に応じて発生するリップル成分を利用してインピーダンス測定を行う点に特徴がある。以下、インピーダンス測定の詳細について説明する。

図２は、第１実施形態に係るインピーダンス測定を説明するための図である。

制御ユニット１０は、目標電力決定部１１０、インピーダンス演算部１４０、内部状態検出部１５０を備えている。

目標電力決定部１１０は、例えばアクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づいて要求動力に応じた三相交流電力を決定し、電力指令信号としてインバータ６０に出力する。インバータ６０は、電力指令信号に従ってスイッチング制御を行い、要求動力に応じた三相交流電力をモータ６１に供給する。かかるスイッチング制御により、モータ６１の回転数に比例したリップルが発生し、電圧センサ１４１によって検出される燃料電池４０の電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆや電流センサ１４２によって検出される燃料電池４０の電流（ＦＣ電流）Ｉｆに現れる。

インピーダンス演算部（測定手段）１４０は、電圧センサ１４１によって検出されるＦＣ電圧Ｖｆ及び電流センサ１４２によって検出されるＦＣ電流Ｉｆを所定のサンプリングレートでサンプリングし、フーリエ変換処理（ＦＦＴ演算処理やＤＦＴ演算処理）などを施す。インピーダンス演算部１４０は、フーリエ変換処理後のＦＣ電圧信号をフーリエ変換処理後のＦＣ電流信号で除するなどして燃料電池４０のインピーダンスを求める。

内部状態検出部１５０は、インピーダンス演算部１４０から供給される燃料電池４０のインピーダンスを解析し、燃料電池４０の内部状態を検出する。制御ユニット１０は、検出される燃料電池４０の内部状態に基づき酸化ガス等に含まれる水分量の調整等し、これにより、燃料電池４０の内部状態は適正に保持される。

以上説明したように、本実施形態によれば、モータの回転数に応じて発生するリップル成分を利用してインピーダンス測定を行うため、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御を複雑化することなくインピーダンス測定を行うことが可能となる。

Ｂ．第２実施形態
図３は、第２実施形態に係るインピーダンス測定を説明するための図である。図３に示す構成は、モータ６１と車輪６３Ｒ、６３Ｌとの間に変速機７０が設けられている点、および制御ユニット１０に変速制御部１２０が設けられている点を除けば図２に示す構成と同様である。よって対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明は割愛する。

変速機（回転数切換手段）７０は、モータ６１の回転数を切り換える手段であり、自動変速機や無段変速機により構成されている。変速制御部（回転数決定手段）１２０は、要求動力に応じてモータ６１の回転数を決定し、決定した回転数が得られるように変速機７０の動作を制御する一方、インピーダンス測定を行う際には、目的とする周波数（例えば２００Ｈｚ）のインピーダンス測定が行えるようにモータ６１の回転数を決定し、決定した回転数が得られるように変速機７０の動作を制御する。

図４はモータ６１の回転数の計時変化を示す図であり、図５は回転数ｒ１のときに発生するリップルの周波数成分と振幅強度の関係を示す図、図６は回転数ｒ２（＞ｒ１）のときに発生するリップルの周波数成分と振幅強度の関係を示す図である。

図５と図６を比較して明らかなように、モータ６１の回転によりモータの回転数に比例した周波数成分（主に１次成分）を含むリップルが発生する。かかる特性を利用して、変速制御部１２０は目的とする周波数のインピーダンス測定が行えるようにモータ６１の回転数を決定し、決定した回転数が得られるように変速機７０の動作を制御する。なお、この後の動作については上述した第１実施形態と同様であるため、説明を割愛する。以上説明したように、目的とする周波数のインピーダンス測定が行えるように、変速機７０を利用してモータ６１の回転数を制御しても良い。

なお、各リップルには１次成分のみならず０．５次、２次、３次、・・・といった複数の周波数成分が含まれるため（図５及び図６参照）、インピーダンス測定を行う際には１次成分のリップルを利用するだけでなく、振幅が大きい他の成分（例えば２次成分）のリップルを利用しても良い。また、複数の周波数成分の中から所望の周波数成分を２つ以上選択し、選択した周波数成分（例えば１次成分と２次成分など）におけるインピーダンス測定を同時に行うようにしても良い。もちろん、所望の周波数成分を１つだけ選択しても良い。

以上説明した各実施形態では、モータ６１のリップルを利用してインピーダンス測定を行ったが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のリップルを利用してインピーダンス測定を行っても良い。かかる場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のリップルを利用してインピーダンス測定を行っても良い。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のリップルを利用してインピーダンス測定を行っても良い。かかる場合には、所望の周波数（測定周波数）のインピーダンス測定を行うために、コンバータのキャリア周波数を適宜切り換えれば良い。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 同実施形態に係るインピーダンス測定を説明するための図である。 第２実施形態に係るインピーダンス測定を説明するための図である。 同実施形態に係るモータの回転数の計時変化を示す図である。 同実施形態に係るリップルの周波数成分と振幅強度の関係を示す図である。 同実施形態に係るリップルの周波数成分と振幅強度の関係を示す図である。

符号の説明

１０・・・制御ユニット、２０・・・バッテリ、３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、４０・・・燃料電池、５０・・・車両補機、６０・・・インバータ、６１・・・モータ、７０・・・変速機、１１０・・・目標電力決定部、１２０・・・変速制御部、１４０・・・インピーダンス演算部、１４１・・・電圧センサ、１４２・・・電流センサ、１５０・・・内部状態検出部。

Claims (5)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータから供給される交流電力によって駆動するモータと、
   前記モータの駆動に起因して発生するリップルを利用して前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記リップルには複数の周波数成分が含まれ、
   前記測定手段は、前記複数の周波数成分の中から少なくとも１つ以上の周波数成分を選択し、選択した周波数成分における前記インピーダンスを測定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記測定手段は、２つ以上の周波数成分を選択することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記インピーダンスの測定周波数に応じて前記モータの回転数を決定する回転数決定手段と、決定された回転数に従って前記モータの回転数を切り換える回転数切換手段とをさらに具備することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムが適用された車両であって、
   前記モータが車輪駆動用のモータであり、
   前記回数数切換手段が当該車輪駆動用のモータと車輪との間に設けられる変速機である車両。