JP2011216429A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】多相式電圧変換装置を備える燃料電池システムにおける燃料電池のインピーダンス計測性能を向上させる。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に接続されているＮ相（Ｎは２以上の整数）の多相式電圧変換装置と、多相式電圧変換装置の出力目標電圧を示す電圧にインピーダンス計測用の制御用波形を重畳することにより、多相式電圧変換装置の各相を制御するための制御信号を生成し、Ｎ相分の制御信号を、予め定められた位相差をもって、順次多相式電圧変換装置に出力する制御信号生成部と、予め定められた位相差と同じ位相差を持つＮ個の所定のサンプリング周波数に対応する周期で燃料電池の電流と電圧とを測定し、測定された電流と電圧とを用いて燃料電池のインピーダンスを演算するインピーダンス演算部とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、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いる。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は低下する。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ることが知られている。このため、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。具体的には、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を重畳し、その場合における燃料電池のインピーダンスを測定する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−１５９９２号公報 特開平１０−１４６０４９号公報 特開２００７−１２４１８号公報

しかし、従来は、インピーダンス測定のための電圧および電流の測定に際して行われるサンプリングの回数が、ＣＰＵ負荷等の要因により制限されていたため、燃料電池のインピーダンス計測性能に関しては十分な工夫がされていないのが実情であった。

本発明は、多相式電圧変換装置を備える燃料電池システムにおける燃料電池のインピーダンス計測性能を向上させることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に接続されているＮ相（Ｎは２以上の整数）の多相式電圧変換装置と、
前記多相式電圧変換装置の出力目標電圧を示す電圧にインピーダンス計測用の制御用波形を重畳することにより、前記多相式電圧変換装置の各相を制御するための制御信号を生成し、Ｎ相分の前記制御信号を、予め定められた位相差をもって、順次前記多相式電圧変換装置に出力する制御信号生成部と、
前記予め定められた位相差と同じ位相差を持つＮ個の所定のサンプリング周波数に対応する周期で前記燃料電池の電流と電圧とを測定し、測定された前記電流と前記電圧とを用いて前記燃料電池のインピーダンスを演算するインピーダンス演算部と、
を備える、燃料電池システム。
このような構成とすれば、インピーダンス演算部は、インピーダンス演算用の電流と電圧とを測定する際に、多相式電圧変換装置の各相を制御するために出力される制御信号の位相差と同じ位相差を持つＮ個の所定のサンプリング周波数に対応する周期で、燃料電池の電流と電圧とをサンプリングする。この結果、制御用波形に近い形の詳細なサンプリング結果を得ることができるため、多相式電圧変換装置を備える燃料電池システムにおける燃料電池のインピーダンス計測性能を向上させることができる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記予め定められた位相差は３６０度／Ｎである、燃料電池システム。

［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
蓄電器と、
前記蓄電器に接続されている電圧変換装置と、
を備える、燃料電池システム。
このような構成とすれば、蓄電池からの出力を制御するための電圧変換装置を備える構成においても、適用例１と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、燃料電池システム、燃料電池システムを制御する方法、燃料電池システムを備える車両等の移動体等の態様で実現することができる。また、本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略して構成することもできる。

本発明の一実施例としての燃料電池システムを搭載した車両ＨＲの概略構成を示す説明図である。 燃料電池の等価回路を示す説明図である。 燃料電池の内部インピーダンス測定について説明するための説明図である。 制御信号生成部により生成される制御信号について説明するための説明図である。 インピーダンス演算部におけるサンプリングについて説明するための説明図である。 第２実施例における燃料電池システムを搭載した車両ＨＲの概略構成を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００を搭載した車両ＨＲの概略構成を示す説明図である。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 Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）を例に挙げて説明する。車両ＨＲは、主に、燃料電池システム１００と、インバータ６０と、モータ６１と、出力軸６２と、減速ギヤ６３と、車両駆動軸６４とを備えている。

インバータ６０は、燃料電池システム１００から出力される直流電流を三相交流電流に変換して、モータ６１に供給する。モータ６１は、車両ＨＲの動力源であり、同期モータであって、回転磁界を形成するための位相コイルを備えている。モータ６１は、出力軸６２に接続されており、動力を出力軸６２に伝達する。なお、モータ６１は、制動時には発電機としても機能することができる。モータ６１から出力軸６２に出力される動力は、減速ギヤ６３を介して、車両駆動軸６４に伝達される。

燃料電池システム１００は、主に、制御ユニット１０と、バッテリ２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、燃料電池４０と、車両補機５０と、ＦＣ補機５１とを備えている。制御ユニット１０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成される。具体的には、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行する図示しないＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納された図示しないＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされる図示しないＲＡＭと、各種信号を入出力する図示しない入出力ポート等を備える。制御ユニット１０は、アクセルペダルセンサ１１や、シフトポジションセンサ（図示省略）、ブレーキセンサ（図示省略）等と信号回線を介して接続される。制御ユニット１０は、これらの検出信号から、アクセル開度や車速等、車両の運転に関する情報を取得し、燃料電池システム１００のＤＣ／ＤＣコンバータ３０に対する駆動信号を生成する（詳細は後述）。

バッテリ２０は、充放電可能な２次電池であり、例えば鉛蓄電池や、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム２次電池など種々の２次電池を用いることができる。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と並列に接続されている。なお、バッテリ２０に代えて、２次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えば、キャパシタ）を用いてもよい。

燃料電池４０は、供給される燃料ガスおよび酸化ガスから電力を発生させる。燃料電池４０は、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ。）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。燃料電池４０としては、種々のタイプの燃料電池（例えば、固体高分子型や、熔融炭酸塩型等）を利用することができる。

バッテリ２０と、燃料電池４０とは、インバータ６０に並列接続されている。また、燃料電池４０からインバータ６０への回路には、バッテリ２０からの電流またはモータ６１により発電された電流が逆流するのを抑制するために、ダイオード４２が設けられている。

このように、並列に接続されたバッテリ２０と、燃料電池４０との両電源における適切な出力分配を実現するために、本実施例においては、多相式電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ３０）が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、燃料電池４０から入力されたＤＣ電圧を、与えられた目標電圧へ昇圧（または降圧）して出力する機能を有している。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、その内部に並列に動作可能な複数の電源モジュールを有しており、各電源モジュールは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の相（フェーズ）を構成している。本実施例においては、内部にｕ相を構成する電源モジュールと、ｖ相を構成する電源モジュールを有する２相式のＤＣ／ＤＣコンバータを例示して説明する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０と、バッテリ２０が接続される配線との接続状態を制御するスイッチとしても機能する。具体的には、バッテリ２０において充放電を行う必要のないときには、バッテリ２０と、バッテリ２０が接続される配線との間の接続を切断する。

車両補機５０は、車両の運転時等に使用される種々の電力機器を意味する。車両補機５０には、例えば、照明機器、空調機器、油圧ポンプが含まれる。ＦＣ補機５１は、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器を意味する。ＦＣ補機５１には、例えば、燃料ガスや改質材料を供給するためのポンプ、改質器の温度を調整するためのヒータが含まれる。車両補機５０およびＦＣ補機５１は、バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０との間に接続されている。

図２は、燃料電池４０の等価回路を示す説明図である。燃料電池４０は、セパレータ抵抗Ｒ１と、ＭＥＡ抵抗Ｒ２と、電極容量Ｃとによって表される。これらの抵抗Ｒ１、Ｒ２および容量Ｃは、燃料電池４０の内部インピーダンスを形成しており、以下に述べるようにインピーダンス測定を行うことで、燃料電池４０の内部特性を把握することができる。

図３は、燃料電池４０の内部インピーダンス測定について説明するための説明図である。制御ユニット１０は、目標電圧決定部１１０と、重畳信号生成部１２０と、制御信号生成部１３０と、インピーダンス演算部１４０とを備えている。目標電圧決定部１１０は、アクセルペダルセンサ１１（図１）等から入力されるセンサ信号に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０からの出力目標電圧を決定し、この値を制御信号生成部１３０へ出力する。重畳信号生成部１２０は、出力目標電圧に重畳すべきインピーダンス計測用の制御用波形（例えば、振幅ａのサイン波）を生成し、この制御用波形を制御信号生成部１３０へ出力する。なお、出力目標電圧や制御用波形の各パラメータ（波形の種類、周波数、振幅値）は、システム設計等に応じて適宜変更可能である。

制御信号生成部１３０は、出力目標電圧と、制御用波形とを重畳することによってＤＣ／ＤＣコンバータ３０の各相を制御するための制御信号を生成する。制御信号生成部１３０は、このようにして生成した制御信号を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の各相分の制御信号（ｕＤｕｔｙ、ｖＤｕｔｙ）として、予め定められた位相差をもって（具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０からの出力パルスの位相を遅延させたいタイミングだけずらして）、順次出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、制御信号生成部１３０から与えられる各相分の制御信号（ｕＤｕｔｙ、ｖＤｕｔｙ）に基づいて、燃料電池４０から入力されたＤＣ電圧の制御を行う。具体的には、ｕＤｕｔｙに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０内部のｕ相に該当する電源モジュールのスイッチ素子をＯＮ／ＯＦＦする。同様に、ｖＤｕｔｙに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０内部のｖ相に該当する電源モジュールのスイッチ素子をＯＮ／ＯＦＦする。

図４は、制御信号生成部１３０により生成される制御信号について説明するための説明図である。図４（Ａ）は、制御信号生成部１３０からＤＣ／ＤＣコンバータ３０へ出力される制御信号（ｕＤｕｔｙ、ｖＤｕｔｙ）を模式的に示している。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０における各相分の制御信号（ｕＤｕｔｙ、ｖＤｕｔｙ）は、その一方が、他方に対して予め定められた位相差ｐｓ分だけ遅延した形で出力される。なお、この位相差ｐｓは、制御ユニット１０内部の記憶領域に予め格納しておくことができる。本実施例における位相差ｐｓは４５度である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す制御信号が入力された結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０から出力されるＦＣ電流について、その周波数成分Ｉｆｃを模式的に示す説明図である。なお、ＦＣ電流とは、燃料電池４０の実運転動作点における出力電流を意味する。

図５は、インピーダンス演算部１４０におけるサンプリングについて説明するための説明図である。図５（Ａ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０から出力されるＦＣ電流の周波数成分Ｉｆｃを模式的に示す説明図である。インピーダンス演算部１４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０から出力されるＦＣ電流の周波数成分Ｉｆｃに対して、図４（Ａ）に示したｕＤｕｔｙと、ｖＤｕｔｙとの位相差ｐｓと同じ位相差ｐｓを持つ各相分のサンプリング周波数に対応する周期（すなわち、ＳＦｕ、ＳＦｖ）でサンプリングを行う。すなわち、図５（Ａ）の例では、インピーダンス演算部１４０は、相数に対応した２つのサンプリング周波数のそれぞれについて、正弦波の中心部分と、正弦波の中心からの最大偏差を有する部分と、のタイミングＳＦｕ、ＳＦｖでサンプリングを行う。なお、図５（Ａ）はあくまで一例であり、サンプリング周波数は任意に定めることができる。

図５（Ｂ）は、インピーダンス演算部１４０がサンプリング周期ＳＦｕでサンプリングを行った結果ｕＩｆを示している。図５（Ｃ）は、インピーダンス演算部１４０がサンプリング周期ＳＦｖでサンプリングを行った結果ｖＩｆを示している。また、図５（Ｄ）は、上述のようにして得られるｕＩｆとｖＩｆとを足し合わせたサンプリング結果ｕＩｆ＋ｖＩｆを示している。

インピーダンス演算部１４０は、電圧センサ１４１によって検出される燃料電池４０の実運転動作点における出力電圧（以下、「ＦＣ電圧」とも呼ぶ。）の周波数成分Ｖｆｃについても、図５で説明したものと同様にサンプリングを行い、ＦＣ電圧の周波数成分Ｖｆｃのサンプリング結果を取得する。インピーダンス演算部１４０は、このようにして、ＦＣ電流およびＦＣ電圧のサンプリング処理を行った後、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電流信号で除算する等して、燃料電池４０のインピーダンスを求める。

このように、第１実施例によれば、インピーダンス演算部１４０は、インピーダンス演算用のＦＣ電流と、ＦＣ電圧とを測定する際に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の各相を制御するために出力される制御信号ｕＤｕｔｙと、ｖＤｕｔｙとの位相差ｐｓと同じ位相差ｐｓを持つ、各相分のサンプリング周波数に対応する周期ＳＦｕ、ＳＦｖでサンプリングを行う。このため、インピーダンス演算部１４０は、ＦＣ電流と、ＦＣ電圧との測定結果として、図５（Ｄ）に示すような、制御用波形に近い形の詳細なサンプリング結果を得ることができる。インピーダンス演算部１４０は、このようにして得られたＦＣ電流と、ＦＣ電圧との測定値を元にして、燃料電池４０のインピーダンス計算を行う。この結果、多相式電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ３０）を備える燃料電池システムにおける燃料電池のインピーダンス計測性能を向上させることができる。

さらに、第１実施例によれば、インピーダンス演算部１４０は、ＦＣ電流と、ＦＣ電圧とについて、複数のサンプリング周波数に対応する周期ＳＦｕ、ＳＦｖでサンプリングを行うため、インピーダンス演算部１４０が、サンプリング周波数よりも周波数を大きくした単一のサンプリング周波数に対応する周期でサンプリングを行った場合と比較して、制御ユニット１０内のＣＰＵに掛ける負荷を小さくすることができる。

Ｂ．第２実施例：
図６は、第２実施例における燃料電池システム１００ａを搭載した車両ＨＲの概略構成を示す説明図である。図１に示した第１実施例との違いは、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１を備える点だけであり、他の構成や動作は第１実施例と同じである。なお、図中において第１実施例と同様の構成部分については先に説明した第１実施例と同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、バッテリ２０とインバータ６０との間に介挿され、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を、与えられた目標電圧へ昇圧（または降圧）して出力する機能を有している。なお、第２実施例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０と、バッテリ２０が接続される配線との接続状態を制御するスイッチとしての機能は有さない点においてのみ、第１実施例と異なる。

このような構成としても、第１実施例と同様に、多相式電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ３０）を備える燃料電池システムにおける燃料電池のインピーダンス計測性能を向上させることができる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、多相式電圧変換装置として、２相式（Ｎ＝２）のＤＣ／ＤＣコンバータ３０を例に挙げて説明した。しかし、本発明におけるＤＣ／ＤＣコンバータは多相式であれば足り、任意の相数を採用することができる。例えば、３相式のＤＣ／ＤＣコンバータを採用することができる。この場合、インピーダンス演算部１４０は、各相分の制御信号（ｕＤｕｔｙ、ｖＤｕｔｙ、ｗＤｕｔｙ）との位相差と同じ位相差だけ遅延させた３組のサンプリング周波数に対応する周期ＳＦｕ、ＳＦｖ、ＳＦｗでサンプリングを行うため、ＦＣ電流と、ＦＣ電圧のより詳細なサンプリング結果を得ることができる。この結果、燃料電池のインピーダンス計測性能をより向上させることができる。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、燃料電池システム１００における各種設定値について例示した。しかし、燃料電池システム１００における各種設定値（例えば、位相差ｐｓ）は、任意に定めることができる。例えば、位相差ｐｓは、３６０度／Ｎであるとしてもよい。

Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、車両の一例として、燃料電池自動車を例に挙げて説明した。しかし、本発明における燃料電池システムを搭載した車両としては、種々のものを想定することができる。例えば、電気自動車や、ハイブリッド自動車にも適用可能である。さらに、本発明における燃料電池システムは、車両以外の移動体（例えば、船舶や飛行機等）にも適用することができる。

１０…制御ユニット
１１…アクセルペダルセンサ
２０…バッテリ
４０…燃料電池
４２…ダイオード
５０…車両補機
６０…インバータ
６１…モータ
６２…出力軸
６３…減速ギヤ
６４…車両駆動軸
１００…燃料電池システム
１００ａ…燃料電池システム
１１０…目標電圧決定部
１２０…重畳信号生成部
１３０…制御信号生成部
１４０…インピーダンス演算部
１４１…電圧センサ
１４２…電流センサ

Claims (3)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に接続されているＮ相（Ｎは２以上の整数）の多相式電圧変換装置と、
   前記多相式電圧変換装置の出力目標電圧を示す電圧にインピーダンス計測用の制御用波形を重畳することにより、前記多相式電圧変換装置の各相を制御するための制御信号を生成し、Ｎ相分の前記制御信号を、予め定められた位相差をもって、順次前記多相式電圧変換装置に出力する制御信号生成部と、
   前記予め定められた位相差と同じ位相差を持つＮ個の所定のサンプリング周波数に対応する周期で前記燃料電池の電流と電圧とを測定し、測定された前記電流と前記電圧とを用いて前記燃料電池のインピーダンスを演算するインピーダンス演算部と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記予め定められた位相差は３６０度／Ｎである、燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
   蓄電器と、
   前記蓄電器に接続されている電圧変換装置と、
   を備える、燃料電池システム。

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