JP2009176491A - 燃料電池電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池と蓄電手段とを備え、燃料電池又は蓄電手段の劣化状態を精度良く判定することができる燃料電池電源装置を提供する。
【解決手段】記燃料電池１の端子間電圧Ｖfcを検出する燃料電池電圧検出手段と、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６を介してバッテリ３からモータ１１に電力供給すると共に、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の作動を制御して燃料電池１からの電流出力を停止させた状態における燃料電池１の検出電圧Ｖfcoと、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の作動を制御して燃料電池１の出力電流をＩfc_cとした状態における燃料電池１の端子間電圧の検出値Ｖfc_cと、Ｉfc_cとに基いて、燃料電池１の内部抵抗３１の抵抗値ｒ1を算出する内部抵抗算出手段２１と、内部抵抗算出手段２１により算出された燃料電池１の内部抵抗３１の抵抗値ｒ1の変化によって、燃料電池１の劣化レベルを判定する劣化レベル判定手段２２とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池及び蓄電手段を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して燃料電池及び蓄電手段から電気負荷に電力を供給する燃料電池電源装置に関する。
燃料電池の劣化判定機能を備えた燃料電池電源装置として、例えば、燃料電池と二次電池を並列に接続して構成され、燃料電池の出力電流に対する出力電力の変化に基いて、燃料電池の劣化レベルを判定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載された燃料電池電源装置においては、燃料電池の初期状態及び燃料電池が劣化した状態における、燃料電池の出力電流と出力電力との関係（Ｉ−Ｐ特性）のデータを予め記憶部に保持し、燃料電池の出力電流と出力電力の検出値を該データに適用して、燃料電池の劣化レベルの判定を行なっている。
そして、特許文献１に記載された燃料電池電源装置による場合には、予め設定した燃料電池の初期状態及び劣化が進行した状態における燃料電池のＩ−Ｐ特性に基いて、燃料電池の劣化レベルを判定するため、燃料電池のＩ−Ｐ特性の個体ばらつきの影響により、燃料電池の劣化レベルを精度良く検出することができないという不都合があった。
特開２００６−３３１８４９号公報
本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、燃料電池又は蓄電手段の劣化レベルを精度良く判定することができる燃料電池電源装置を提供することを目的とする。
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明の第１の態様から第３の態様は、燃料電池と、第１の入出力部が電気負荷と接続されると共に、第２の入出力部が前記燃料電池と接続された第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電手段と、第１の入出力部が前記電気負荷と接続されると共に、第２の入出力部が前記蓄電手段と接続された双方向性の第２のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた燃料電池電源装置に関する。
そして、本発明の第１の態様は、前記燃料電池の端子間電圧を検出する燃料電池電圧検出手段と、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記蓄電手段から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の電流出力を停止させた状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を前記第１の所定電流値とした状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、前記第１の所定電流値とに基いて、前記燃料電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗算出手段と、該内部抵抗算出手段により算出された前記燃料電池の内部抵抗値の変化によって、前記燃料電池の劣化レベルを判定する劣化レベル判定手段とを備えたことを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記内部抵抗算出手段により、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記蓄電手段から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の電流出力を停止させた状態とすることによって、前記蓄電手段から前記電気負荷への電力供給を確保して前記電気負荷を作動させながら、前記燃料電池電圧検出手段により前記燃料電池の開放電圧を検出することができる。また、前記内部抵抗算出手段により、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を前記第１の所定電流値とした場合、前記第１の所定電流値による前記燃料電池の内部抵抗での電圧降下は、この時の燃料電池の端子間電圧と開放電圧との差となる。そのため、前記内部抵抗算出手段は、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の電流出力が停止した状態としたときの前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧（前記燃料電池の開放電圧）と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を前記第１の所定電流値としたときの前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、前記第１の所定電流値とに基いて、前記燃料電池の内部抵抗値を算出することができる。
そして、燃料電池は劣化が進むに従って内部抵抗値が高くなるため、前記劣化レベル判定手段は、前記内部抵抗算出手段により検出された前記燃料電池の内部抵抗値の変化によって、前記燃料電池の個体ばらつきの影響を抑制して前記燃料電池の劣化レベルを精度良く判定することができる。
また、本発明の第２の態様は、前記燃料電池と前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータ間を、導通状態と遮断状態とに切換える開閉手段と、前記燃料電池の端子間電圧を検出する燃料電池電圧検出手段と、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記蓄電手段から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記開閉手段により前記燃料電池と前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータ間を遮断した状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を第１の所定電流値とした状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、該第１の所定電流値とに基いて、前記燃料電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗算出手段と、該内部抵抗算出手段により算出された前記燃料電池の内部抵抗値の変化によって、前記燃料電池の劣化レベルを判定する劣化レベル判定手段とを備えたことを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記内部抵抗算出手段により、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記蓄電手段から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記開閉手段により前記燃料電池と前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータ間を遮断して前記燃料電池の電流出力を停止させた状態とすることによって、前記蓄電手段から前記電気負荷への電力供給を確保して前記電気負荷を作動させながら、前記燃料電池電圧検出手段により前記燃料電池の開放電圧を検出することができる。また、前記内部抵抗算出手段により、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を前記第１の所定電流値とした場合、該第１の所定電流値による前記燃料電池の内部抵抗での電圧降下は、この時の燃料電池の端子間電圧と開放電圧との差となる。そのため、前記内部抵抗算出手段は、前記開閉手段により前記燃料電池と前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータ間を遮断して前記燃料電池の電流出力が停止した状態としたときの前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧（前記燃料電池の開放電圧）と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を前記第１の所定電流値としたときの前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、前記第１の所定電流値とに基いて、前記燃料電池の内部抵抗値を算出することができる。
そして、燃料電池は劣化が進むに従って内部抵抗値が高くなるため、前記劣化レベル判定手段は、前記内部抵抗算出手段により算出された前記燃料電池の内部抵抗値の変化によって、前記燃料電池の個体ばらつきの影響を抑制して前記燃料電池の劣化レベルを精度良く判定することができる。
また、前記本発明の第１の態様及び第２の態様において、前記蓄電手段の端子間電圧を検出する蓄電手段電圧検出手段を備え、前記内部抵抗算出手段は、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記燃料電池から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段からの電流出力を停止させた状態における前記蓄電手段電圧検出手段の検出電圧と、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の出力電流を第２の所定電流値とした状態における前記蓄電手段電圧検出手段の検出電圧と、該第２の所定電流値とに基いて、前記蓄電手段の内部抵抗値を算出し、前記劣化レベル判定手段は、前記内部抵抗算出手段により算出された前記蓄電手段の内部抵抗値の変化によって、前記蓄電手段の劣化レベルを判定することを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記内部抵抗算出手段により、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記燃料電池から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の電流の入出力を停止させた状態とすることによって、前記燃料電池から前記電気負荷への電力供給を確保して前記電気負荷を作動させながら、前記蓄電手段電圧検出手段により前記蓄電手段の開放電圧を検出することができる。また、前記内部抵抗算出手段により、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の入出力電流を前記第２の所定電流値とした場合、前記第２の所定電流値による前記蓄電手段の内部抵抗での電圧降下は、この時の前記蓄電手段の端子間電圧と開放電圧との差となる。そのため、前記内部抵抗算出手段は、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の電流の入出力が停止した状態としたときの前記蓄電手段電圧検出手段の検出電圧（前記蓄電手段の開放電圧）と、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の入出力電流を前記第２の所定電流値としたときの前記蓄電手段電圧検出手段の検出電圧と、前記第２の所定電流値とに基いて、前記蓄電手段の内部抵抗値を算出することができる。
そして、蓄電手段の劣化が進むに従って蓄電手段の内部抵抗値が高くなるため、前記劣化レベル判定手段は、前記内部抵抗算出手段により算出された前記蓄電手段の内部抵抗値の変化によって、前記蓄電手段の個体ばらつきの影響を抑制して前記蓄電手段の劣化レベルを精度良く判定することができる。
次に、本発明の第３の態様は、前記蓄電手段の端子間電圧を検出する蓄電手段電圧検出手段と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記燃料電池から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の電流の入出力を停止させた状態における前記蓄電手段電圧検出手段の検出電圧と、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の入出力電流を第２の所定電流値とした状態における前記燃料電池検出手段の検出電圧と、該第２の所定電流値とに基いて、前記蓄電手段の内部抵抗値を算出する内部抵抗算出手段と、該内部抵抗算出手段により算出された前記蓄電手段の内部抵抗値の変化によって、前記蓄電手段の劣化レベルを判定する劣化レベル判定手段とを備えたことを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記内部抵抗算出手段により、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記燃料電池から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の電流の入出力を停止させた状態とすることによって、前記燃料電池から前記電気負荷への電力供給を確保して前記電気負荷を作動させながら、前記蓄電手段電圧検出手段により前記蓄電手段の開放電圧を検出することができる。また、前記内部抵抗算出手段により、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の入出力電流を前記第２の所定電流値とした場合、前記第２の所定電流値による前記蓄電手段の内部抵抗での電圧降下は、この時の前記蓄電手段の端子間電圧と開放電圧との差となる。そのため、前記内部抵抗算出手段は、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の入出力電流が停止した状態としたときの前記蓄電手段電圧検出手段の検出電圧（前記蓄電手段の開放電圧）と、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の入出力電流を前記第２の所定電流値としたときの前記蓄電手段電圧検出手段の検出電圧と、前記第２の所定電流値とに基いて、前記蓄電手段の内部抵抗値を算出することができる。
そして、蓄電手段は劣化が進むに従って内部抵抗値が高くなるため、前記劣化レベル判定手段は、前記内部抵抗算出手段により算出された前記蓄電手段の内部抵抗値の変化によって、前記蓄電手段の個体ばらつきの影響を抑制して前記蓄電手段の劣化レベルを精度良く判定することができる。
次に、本発明の第４の態様は、燃料電池と、第１の入出力部がインバータを介してモータと接続されると共に、第２の入出力部が前記燃料電池と接続された第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電手段と、第１の入出力部が前記インバータを介して前記モータと接続されると共に、第２の入出力部が前記蓄電手段と接続された双方向性の第２のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた燃料電池電源装置に関する。
そして、前記燃料電池の端子間電圧を検出する燃料電池電圧検出手段と、前記モータを回生運転させて、前記モータの回生電力を前記インバータ及び前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記蓄電手段に回収すると共に、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の電流出力を停止させた状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を第１の所定電流値とした状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、該第１の所定電流値とに基いて、前記燃料電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗算出手段と、該内部抵抗算出手段により算出された前記燃料電池の内部抵抗値の変化によって、前記燃料電池の劣化レベルを判定する劣化レベル判定手段とを備えたことを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記内部抵抗算出手段により、前記インバータ及び前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して、前記モータの回生電力を前記蓄電手段に回収すると共に、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池からの電流出力を停止させた状態とすることによって、前記モータの回生電力を前記蓄電手段に回収しながら、前記燃料電池電圧検出手段により前記燃料電池の開放電圧を検出することができる。また、前記内部抵抗算出手段により、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を前記第１の所定電流値とした場合、該第１の所定電流値による前記燃料電池の内部抵抗での電圧降下は、この時の前記燃料電池の端子間電圧と開放電圧との差となる。そのため、前記内部抵抗算出手段は、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の電流出力が停止した状態としたときの前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧（前記燃料電池の開放電圧）と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を前記第１の所定電流値としたときの前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、前記第１の所定電流値とに基いて、前記燃料電池の内部抵抗値を算出することができる。
そして、燃料電池は劣化が進むに従って内部抵抗値が高くなるため、前記劣化レベル判定手段は、前記内部抵抗算出手段により算出された前記燃料電池の内部抵抗値の変化によって、前記燃料電池の個体ばらつきの影響を抑制して前記燃料電池の劣化レベルを精度良く判定することができる。
また、前記第１の態様から前記第４の態様において、前記燃料電池と並列に接続されたキャパシタと、該キャパシタの端子間電圧を検出するキャパシタ電圧検出手段とを備え、前記内部抵抗算出手段は、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記キャパシタの電流の入出力を停止させた状態における前記キャパシタ電圧検出手段の検出電圧と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記キャパシタの入出力電流を第３の所定電流値とした状態における前記キャパシタ電圧検出手段の検出電圧と、該第３の所定電流値とに基いて、前記キャパシタの内部抵抗値を算出し、前記劣化レベル判定手段は、前記内部抵抗算出手段により算出された前記キャパシタの内部抵抗値の変化によって、前記キャパシタの劣化レベルを判定することを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記内部抵抗算出手段により、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記キャパシタの電流の入出力を停止させた状態とすることによって、前記キャパシタ電圧検出手段により前記キャパシタの開放電圧を検出することができる。また、前記内部抵抗算出手段により、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記キャパシタの入出力電流を前記第３の所定電流値とした場合、前記第３の所定電流値による前記キャパシタの内部抵抗での電圧降下は、この時の前記キャパシタの端子間電圧と開放電圧との差となる。そのため、前記内部抵抗算出手段は、前記第１のＤＣ／ＤＣの作動を制御して前記キャパシタの電流の入出力を停止した状態としたときの前記キャパシタ電圧検出手段の検出電圧（前記キャパシタの開放電圧）と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記キャパシタの入出力電流を前記第３の所定電流値としたときの前記キャパシタ電圧検出手段の検出電圧と、前記第３の所定電流値とに基いて、前記キャパシタの内部抵抗値を算出することができる。
そして、キャパシタの劣化が進むに従ってキャパシタの内部抵抗値が高くなるため、前記劣化レベル判定手段は、前記内部抵抗算出手段により算出された前記キャパシタの内部抵抗値の変化によって、前記キャパシタの個体ばらつきの影響を抑制して前記キャパシタの劣化レベルを精度良く判定することができる。
本発明の実施の形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１は本実施の形態における燃料電池電源装置の構成図、図２は図１に示した燃料電池の内部抵抗値を算出する際のタイミングチャート、図３は図１に示したリチウムイオンバッテリの内部抵抗値を算出する際のタイミングチャート、図４は図１に示したキャパシタの内部抵抗値を算出する際のタイミングチャートである。
図１を参照して、本実施の形態の燃料電池電源装置は、燃料電池車両に搭載されるものである。そして、該燃料電池電源装置は、燃料電池１、燃料電池１と並列に接続された電気二重層キャパシタ２（本発明のキャパシタに相当する。以下、単にキャパシタ２という）、リチウムイオンバッテリ（本発明の蓄電手段に相当する。以下、単にバッテリ３という）、第１の入出力部５ａが第１のインバータ１０を介してモータ１１（本発明の電気負荷及びモータに相当する）と接続されると共に、第２の入出力部５ｂがダイオード８を介して燃料電池１と接続された第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５、第１の入出力部６ａが第１のインバータ１０と接続されると共に、第２の入出力部６ｂがバッテリ３と第２のインバータ１２に接続された第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６、燃料電池１と第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５間を導通状態と遮断状態とに切換えるコンタクタ７（本発明の開閉手段に相当する）、及び第２のインバータ１２と接続されて燃料電池１に反応ガス（酸素）を供給するコンプレッサ１３を備えている。
また、燃料電池電源装置は、マイクロコンピュータ（図示しない）等により構成された電子ユニットであって燃料電池電源装置の全体的な作動を制御するコントローラ２０を備えている。そして、該マイクロコンピュータが燃料電池電源装置の制御用プログラムを実行することにより、コントローラ２０は、燃料電池１とキャパシタ２とバッテリ３の内部抵抗値を算出する内部抵抗算出手段２１と、内部抵抗値の変化に応じて燃料電池１とキャパシタ２とバッテリ３の劣化レベルを判定する劣化レベル判定手段２２として機能する。
ここで、コントローラ２０には、燃料電池１に備えられた各種センサによる検出信号（燃料電池１の温度、端子間電圧、出力電流、反応ガスの供給圧力等の検出信号）Ｆc_s、キャパシタ２に備えられた各種センサによる検出信号（キャパシタ２の温度、端子間電圧、入出力電流等の検出信号）Ｕc_s、バッテリ３に備えられた各種センサによる検出信号（バッテリ３の温度、端子間電圧、入出力電流等の検出信号）Ｂt_s、インバータ１０に備えられた各種センサによる検出信号（モータ１１への供給電流・電圧、モータ１１の回生電流・電流等の検出信号）Ｐd_sが入力される。
なお、燃料電池１に備えられて燃料電池１の端子間電圧Ｖfcを検出するセンサが本発明の燃料電池電圧検出手段に相当する。また、キャパシタ２に備えられてキャパシタ２の端子間電圧Ｖucを検出するセンサが本発明のキャパシタ電圧検出手段に相当する。また、バッテリ３に備えられてバッテリ３の端子間電圧を検出するセンサが本発明の蓄電手段電圧検出手段に相当する。
また、コントローラ２０から出力される制御信号Ｆc_cにより、コンプレッサ１３による反応ガスの供給量等が調節されて、燃料電池１の発電量が制御される。また、制御信号Ｄc1_cにより第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の通電量と出力電圧が制御され、制御信号Ｄc2_cにより第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６の通電量と出力電圧が制御される。さらに、制御信号Ｐd_cにより、インバータ１０とモータ１１間の通電量が調節されてモータ１１の力行トルク及び回生トルクが制御される。
次に、図２に示したタイミングチャートを参照して、内部抵抗算出手段２１による燃料電池１の内部抵抗３１の抵抗値ｒ1（以下、内部抵抗値ｒ1という）の算出処理について説明する。
図２の上段は、縦軸を電圧（Ｖ）とし、横軸を時間（ｔ）として、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の第１の入出力部５ａの電圧Ｖoと、燃料電池１の端子間電圧Ｖfcと、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ５の第２の入出力部５ｂの電圧Ｖxの推移を示したものである。
図２の中段は、縦軸を電流（Ｉ）とし、横軸を時間（ｔ）として、キャパシタ２の入出力電流Ｉucと、燃料電池１の出力電流Ｉfcの推移を示したものである。また、図２の下段は、縦軸をコンタクタ７のＯＮ（導通）／ＯＦＦ（遮断）設定、横軸を時間（ｔ）として、コンタクタ７の開閉状態の推移を示したものである。
内部抵抗算出手段２１は、以下のＳＴＥＰ１１〜ＳＴＥＰ１５の工程を実行して、燃料電池１の内部抵抗値ｒ1を算出する。
［ＳＴＥＰ１１］図２のｔ10〜ｔ11は、モータ１１が力行運転をしている状態であり、ｔ11でモータ１１が回生運転に切換わって第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の第１の入出力部５ａの電圧Ｖoが上昇している。そして、内部抵抗算出手段２１は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５をスイッチング動作させて、モータ１１から第１のインバータ１０及び第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５を介して供給される回生電流と、燃料電池１の出力電流Ｉfcとにより、キャパシタ２を充電する。これにより、ｔ11〜ｔ12において第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の第１の入出力部５ｂの電圧Ｖx（＝キャパシタ２の端子間電圧Ｖuc）が次第に上昇している。
［ＳＴＥＰ１２］ｔ12で燃料電池１の端子間電圧Ｖfcが第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の第２の入出力部５ｂの電圧Ｖxまで上昇して、燃料電池１の出力電流Ｉfcがゼロ（燃料電池１の電流出力が停止）となっている。この時、内部抵抗算出手段１２は、コンタクタ７をＯＦＦ（遮断状態）とし、これにより、燃料電池１は、反応ガス（水素及び酸素）が供給されて電流出力を停止した状態を維持する。
なお、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の制御のみによって、燃料電池１の電流出力を停止させた状態としてもよく、また、コンタクタ７をＯＦＦ（遮断）することのみによって、燃料電池１の電流出力を停止させた状態としてもよい。
［ＳＴＥＰ１３］内部抵抗算出手段２１は、燃料電池１の電流出力が停止したｔ14で、燃料電池１の端子間電圧Ｖfcを燃料電池１の開放電圧Ｖfcoとして検出する。
［ＳＴＥＰ１４］内部抵抗算出手段２１は、ｔ15で第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の昇圧動作を開始して、キャパシタ２を放電させる（Ｉuc＞０）。これにより、ｔ15からＤＣ／ＤＣコンバータ５の第２の入出力部５ｂの電圧Ｖx（＝キャパシタ２の端子間電圧Ｖuc）が次第に低下し、ｔ16でＶxが燃料電池１の端子間電圧Ｖfcに達して、キャパシタ２の放電電流Ｉucが減少する。
［ＳＴＥＰ１５］次に、内部抵抗算出手段２１は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の昇圧動作を制御して、燃料電池１の出力電流ＩfcがＩfc_c（例えば、０．１×Ｉfc_max（燃料電池１の最大定格電流値）程度に設定される）となるようにする。なお、ｔ11〜ｔ17におけるモータ１１の回生電力は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６を介してバッテリ３に回収される。
［ＳＴＥＰ１６］次に、内部抵抗算出手段２１は、ｔ17で燃料電池１の出力電流ＩfcがＩfc_cに制御された状態における燃料電池１の端子間電圧Ｖfc（以下、Ｖfc_cとする）を検出する。このとき、燃料電池１の内部抵抗値ｒ1について以下の式（１）が成り立つ。
Figure 2009176491
但し、Ｖfco：燃料電池１の開放電圧、Ｉfc_c：燃料電池１の制御電流値、ｒ1：燃料電池１の内部抵抗値、Ｖfc_c：出力電流がＩfc_cであるときの燃料電池１の端子間電圧。
そのため、内部抵抗算出手段２１は、上記式（１）に、ＳＴＥＰ１３で検出した燃料電池１の開放電圧Ｖfcoと、ＳＴＥＰ１５における制御電流値Ｉfc_cと、ＳＴＥＰ１６で検出した端子間電圧Ｖfc_cとを代入して、燃料電池１の内部抵抗値ｒ1を算出する。
このように、上記ＳＴＥＰ１１〜ＳＴＥＰ１６の工程によって、内部抵抗算出手段２１は、燃料電池１の内部抵抗値ｒ1を算出する。そして、燃料電池１の内部抵抗値ｒ1は、燃料電池１の劣化が進むに従って高くなる。そこで、劣化レベル判定手段２２は、内部抵抗算出手段２１により算出された燃料電池１の内部抵抗値ｒ1の変化に応じて燃料電池１の劣化レベルを判定し、内部抵抗値ｒ1が初期状態（燃料電池１の使用開始時）から例えば２０％高くなったときに、図示しない報知手段（ＬＥＤ、ブザー等）による劣化の報知を行なう。
次に、図３に示したタイミングチャートを参照して、内部抵抗算出手段２１によるバッテリ３の内部抵抗３３の抵抗値ｒ3（以下、内部抵抗値ｒ3という）の算出処理について説明する。
図３の上段は、縦軸を電圧（Ｖ）とし、横軸を時間（ｔ）として、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の第１の入出力部５ａの電圧Ｖoと、バッテリ３の端子間電圧（＝第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６の第２の入出力部６ｂの電圧）Ｖyの推移を示したものである。
図３の中段は、縦軸を電流（Ｉ）として、横軸を時間（ｔ）として、第１のインバータ１０への入力電流Ｉoと、第２のインバータ１２への入力電流Ｉdと、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６の第１の入出力部６ａへの入出力電流Ｉ1と、バッテリ３の入出力電流Ｉbtの推移を示したものである。
図３の下段は、縦軸を電力（Ｐ）とし、横軸を時間（ｔ）として、第１のインバータ１０の出力電力Ｐo1と、第２のインバータ１２の出力電力Ｐo2の推移を示したものである。
内部抵抗算出手段２１は、以下のＳＴＥＰ２１〜ＳＴＥＰ２４の工程を実行して、バッテリ３の内部抵抗値ｒ3を算出する。
［ＳＴＥＰ２１］図３のｔ21は、バッテリ３が放電状態から充電状態に切換わった時点を示しており、ｔ21からｔ22までバッテリ３の端子間電圧Ｖyが上昇している。そして、ｔ23で、内部抵抗算出手段２１は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６を降圧若しくは昇圧動作させて、バッテリ３の入出力電流Ｉbtがゼロとなるように、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６の第２の入出力部６ｂの電圧の制御を開始する。これにより、バッテリ３の入出力電流Ｉbtが次第に減少し、ｔ24でＩbtがほぼゼロになっている。
なお、Ｉbtがゼロとなっても第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流（Ｉo＋Ｉ1）から分流したＩ1が第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６に供給され、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６から第２のインバータ１２に電流Ｉdが供給されるため、コンプレッサ１３を作動させて燃料電池１の発電動作を継続させることができる。
［ＳＴＥＰ２２］次に、内部抵抗算出手段２１は、バッテリ３の入出力電流Ｉbtがゼロで安定したｔ25で、バッテリ３の端子間電圧Ｖyをバッテリ３の開放電圧Ｖyoとして検出する。
［ＳＴＥＰ２３］次に、内部抵抗算出手段２１は、ｔ26で、バッテリ３の入出力電流ＩbtがＩbt_c（例えば、０．１×Ｉbt_max（バッテリ３の最大定格電流値）程度に設定される）となるように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６の制御を開始する。これにより、ｔ27でバッテリ３の入出力電流ＩbtがＩbt_cとなっている。
［ＳＴＥＰ２４］次に、内部抵抗算出手段２１は、バッテリ３の入出力電流ＩbtがＩbt_cで安定したｔ27でのバッテリ３の端子間電圧Ｖy（以下、Ｖy_cとする）を検出する。このとき、バッテリ３の内部抵抗値ｒ3について以下の式（２）が成り立つ。
Figure 2009176491
但し、Ｖyo：バッテリ３の開放電圧、Ｉy_c：バッテリ３の制御電流値、ｒ3：バッテリ３の内部抵抗値、Ｖy_c：出力電流がＩy_cであるときのバッテリ３の端子間電圧。
そのため、内部抵抗算出手段２１は、上記式（２）に、ＳＴＥＰ２２で検出したバッテリ３の開放電圧Ｖyoと、ＳＴＥＰ２３における制御電流値Ｉbt_cと、ＳＴＥＰ２４で検出した端子間電圧Ｖy_cとを代入して、バッテリ３の内部抵抗値ｒ3を算出する。
このように、上記ＳＴＥＰ２１〜ＳＴＥＰ２４の処理によって、内部抵抗算出手段２１は、バッテリ３の内部抵抗値ｒ3を算出する。そして、バッテリ３の内部抵抗値ｒ3は、バッテリ３の劣化が進むに従って高くなる。そこで、劣化レベル判定手段２２は、内部抵抗算出手段２１により算出されたバッテリ３の内部抵抗値ｒ3の変化に応じてバッテリ３の劣化レベルを判定し、内部抵抗値ｒ3が初期状態（バッテリ３の使用開始時）から例えば２０％高くなったときに、図示しない報知手段による劣化の報知を行なう。
次に、図４に示したタイミングチャートを参照して、内部抵抗算出手段２１によるキャパシタ２の内部抵抗３２の抵抗値ｒ2（以下、内部抵抗値ｒ2という）の算出処理について説明する。
図４の上段は、縦軸を電圧（Ｖ）とし、横軸を時間（ｔ）として、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の第１の入出力部５ａの電圧Ｖoと、キャパシタ２の端子間電圧（＝第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の第２の入出力部５ｂの電圧）Ｖxの推移を示したものである。
図４の下段は、縦軸を電流（Ｉ）とし、横軸を時間（ｔ）として、第１のインバータ１０への入力電流Ｉoと、キャパシタ２の入出力電流Ｉucと、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ６の第１の入出力部６ａの入出力電流Ｉ1と、第２のインバータ１２への入力電流Ｉdと、バッテリ３の入出力電流Ｉbtの推移を示したものである。
内部抵抗算出手段２１は、以下のＳＴＥＰ３１〜ＳＴＥＰ３５の工程を実行して、キャパシタ２の内部抵抗値ｒ2を算出する。
［ＳＴＥＰ３１］図４のｔ31で、内部抵抗算出手段２１は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５のスイッチングデューティを減少して第１の入出力部５ａの電圧Ｖoを低下させ、キャパシタ２の入出力電流Ｉucをゼロにする制御を開始する。これにより、キャパシタ２の入出力電流Ｉucが次第に減少し、ｔ32でＩucがほぼゼロになっている。
［ＳＴＥＰ３２］次に、内部抵抗算出手段２１は、キャパシタ２の入出力電流Ｉucがゼロで安定したｔ33で、キャパシタ２の端子間電圧Ｖxをキャパシタ２の開放電圧Ｖxoとして検出する。
［ＳＴＥＰ３３］次に、内部抵抗算出手段２１は、ｔ34で、キャパシタ２の入出力電流ＩucがＩuc_c（例えば、０．１×Ｉuc_max（キャパシタ２の最大定格電流値）程度に設定される）となるように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の制御を開始する。これにより、キャパシタ２の入出力電流ＩucがＩuc_cまで増加している。
［ＳＴＥＰ３４］次に、内部抵抗算出手段２１は、キャパシタ２の入出力電流ＩucがＩuc_cで安定したｔ35でのキャパシタ２の端子間電圧Ｖx（以下、Ｖx_cとする）を検出する。このとき、キャパシタ２の内部抵抗値ｒ2について以下の式（３）が成り立つ。
Figure 2009176491
但し、Ｖxo：キャパシタ２の開放電圧、Ｉx_c：キャパシタ２の制御電流値、ｒ2：キャパシタ２の内部抵抗値、Ｖx_c：出力電流がＩx_cであるときのキャパシタ２の端子間電圧。
そのため、内部抵抗算出手段２１は、上記式（３）に、ＳＴＥＰ３２で検出したキャパシタ２の開放電圧Ｖxoと、ＳＴＥＰ３３における制御電流値Ｉuc_cと、ＳＴＥＰ３４で検出した端子間電圧Ｖx_cとを代入して、キャパシタ２の内部抵抗値ｒ2を算出する。
このように、上記ＳＴＥＰ３１〜ＳＴＥＰ３４の工程によって、内部抵抗算出手段２１は、キャパシタ２の内部抵抗値ｒ2を算出する。そして、キャパシタ２の内部抵抗値ｒ2は、キャパシタ２の劣化が進むに従って高くなる。そこで、劣化レベル判定手段２２は、内部抵抗算出手段２１により算出されたキャパシタ２の内部抵抗値ｒ2の変化に応じてキャパシタ２の劣化レベルを判定し、内部抵抗値ｒ2が初期状態（キャパシタ２の使用開始時）から例えば２０％高くなったときに、図示しない報知手段による報知を行なう。
なお、本実施の形態では、内部抵抗算出手段２１により燃料電池１と、キャパシタ２と、バッテリ３の内部抵抗値を算出し、劣化レベル判定手段２２により、これらの劣化状態を判定したが、燃料電池１とバッテリ３のうちの少なくともいずれか一方の内部抵抗値を算出して、その劣化を判定することにより、本発明の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、本発明の電気負荷としてモータ１１を示し、モータ１１が回生運転しているときに燃料電池１の開放電圧を検出したが、モータ１１が力行運転しているときに燃料電池１の開放電圧を検出してもよい。また、モータ以外の電気負荷を接続する場合にも本発明の適用が可能である。
また、燃料電池１とバッテリ３とキャパシタ２の劣化レベルを判定したときに、劣化レベルが低い（劣化の進行度合いが小さい）ものを優先的に使用するようにしてもよい。
燃料電池電源装置の構成図。 図１に示した燃料電池の内部抵抗値を算出する際のタイミングチャート。 図１に示したリチイムイオンバッテリの内部抵抗値を算出する際のタイミングチャート。 図１に示したキャパシタの内部抵抗値を算出する際のタイミングチャート。
符号の説明
１…燃料電池、２…キャパシタ、３…リチウムイオンバッテリ（蓄電手段）、５…第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、６…第２のＤＣ／ＤＣコンバータ、７…コンタクタ、１０…第１のインバータ、１１…モータ、１２…第２のインバータ、１３…コンプレッサ、２０…コントローラ、２１…内部抵抗算出手段、２２…劣化レベル判定手段

Claims (6)

  1. 燃料電池と、
    第１の入出力部が電気負荷と接続されると共に、第２の入出力部が前記燃料電池と接続された第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
    蓄電手段と、
    第１の入出力部が前記電気負荷と接続されると共に、第２の入出力部が前記蓄電手段と接続された双方向性の第２のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた燃料電池電源装置であって、
    前記燃料電池の端子間電圧を検出する燃料電池電圧検出手段と、
    前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記蓄電手段から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の電流出力を停止させた状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を第１の所定電流値とした状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、該第１の所定電流値とに基いて、前記燃料電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗算出手段と、
    該内部抵抗算出手段により算出された前記燃料電池の内部抵抗値の変化によって、前記燃料電池の劣化レベルを判定する劣化レベル判定手段とを備えたことを特徴とする燃料電池電源装置。
  2. 燃料電池と、
    第１の入出力部が電気負荷と接続されると共に、第２の入出力部が前記燃料電池と接続された第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
    蓄電手段と、
    第１の入出力部が前記電気負荷と接続されると共に、第２の入出力部が前記蓄電手段と接続された双方向性の第２のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた燃料電池電源装置であって、
    前記燃料電池と前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータ間を、導通状態と遮断状態とに切換える開閉手段と、
    前記燃料電池の端子間電圧を検出する燃料電池電圧検出手段と、
    前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記蓄電手段から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記開閉手段により前記燃料電池と前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータ間を遮断した状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を第１の所定電流値とした状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、該第１の所定電流値とに基いて、前記燃料電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗算出手段と、
    該内部抵抗算出手段により算出された前記燃料電池の内部抵抗値の変化によって、前記燃料電池の劣化レベルを判定する劣化レベル判定手段とを備えたことを特徴とする燃料電池電源装置。
  3. 請求項１又は請求項２記載の燃料電池電源装置において、
    前記蓄電手段の端子間電圧を検出する蓄電手段電圧検出手段を備え、
    前記内部抵抗算出手段は、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記燃料電池から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の電流の入出力を停止させた状態における前記蓄電手段電圧検出手段の検出電圧と、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の入出力電流を第２の所定電流値とした状態における前記蓄電手段電圧検出手段の検出電圧と、該第２の所定電流値とに基いて、前記蓄電手段の内部抵抗値を算出し、
    前記劣化レベル判定手段は、前記内部抵抗算出手段により算出された前記蓄電手段の内部抵抗値の変化によって、前記蓄電手段の劣化レベルを判定することを特徴とする燃料電池電源装置。
  4. 燃料電池と、
    第１の入出力部が電気負荷と接続されると共に、第２の入出力部が前記燃料電池と接続された第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
    蓄電手段と、
    第１の入出力部が前記電気負荷と接続されると共に、第２の入出力部が前記蓄電手段と接続された双方向性の第２のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた燃料電池電源装置であって、
    前記蓄電手段の端子間電圧を検出する蓄電手段電圧検出手段と、
    前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記燃料電池から前記電気負荷に電力供給すると共に、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の電流の入出力を停止させた状態における前記蓄電手段電圧検出手段の検出電圧と、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記蓄電手段の入出力電流を第２の所定電流値とした状態における前記燃料電池検出手段の検出電圧と、該第２の所定電流値とに基いて、前記蓄電手段の内部抵抗値を算出する内部抵抗算出手段と、
    該内部抵抗算出手段により算出された前記蓄電手段の内部抵抗値の変化によって、前記蓄電手段の劣化レベルを判定する劣化レベル判定手段とを備えたことを特徴とする燃料電池電源装置。
  5. 燃料電池と、
    第１の入出力部がインバータを介してモータと接続されると共に、第２の入出力部が前記燃料電池と接続された第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
    蓄電手段と、
    第１の入出力部が前記インバータを介して前記モータと接続されると共に、第２の入出力部が前記蓄電手段と接続された双方向性の第２のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた燃料電池電源装置であって、
    前記燃料電池の端子間電圧を検出する燃料電池電圧検出手段と、
    前記モータを回生運転させて、前記モータの回生電力を前記インバータ及び前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記蓄電手段に回収すると共に、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の電流出力を停止させた状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記燃料電池の出力電流を第１の所定電流値とした状態における前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧と、該第１の所定電流値とに基いて、前記燃料電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗算出手段と、
    該内部抵抗算出手段により算出された前記燃料電池の内部抵抗値の変化によって、前記燃料電池の劣化レベルを判定する劣化レベル判定手段とを備えたことを特徴とする燃料電池電源装置。
  6. 請求項１から請求項５のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装置において、
    前記燃料電池と並列に接続されたキャパシタと、
    該キャパシタの端子間電圧を検出するキャパシタ電圧検出手段とを備え、
    前記内部抵抗算出手段は、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記キャパシタの電流の入出力を停止させた状態における前記キャパシタ電圧検出手段の検出電圧と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの作動を制御して前記キャパシタの入出力電流を第３の所定電流値とした状態における前記キャパシタ電圧検出手段の検出電圧と、該第３の所定電流値とに基いて、前記キャパシタの内部抵抗値を算出し、
    前記劣化レベル判定手段は、前記内部抵抗算出手段により算出された前記キャパシタの内部抵抗値の変化によって、前記キャパシタの劣化レベルを判定することを特徴とする燃料電池電源装置。
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