JP2016014625A - インピーダンス測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成にするとともに製造コストを抑制するインピーダンス測定装置を提供する。【解決手段】インピーダンス測定装置は、複数の電池セルが積層された積層電池の正極及び負極に対して交流電流を出力する電源手段と、正極と積層電池の中途点との間の交流電位差と、負極と中途点との間の交流電位差とのうち少なくとも一方の交流電位差を検出する検出手段とを含む。そしてインピーダンス測定装置は、検出手段により検出される交流電位差と、電源手段から出力される交流電流とに基づいて、積層電池のインピーダンスを演算する演算手段と、電源手段及び検出手段のうち少なくとも一方の手段により処理される交流信号を、双極性と単極性との間で変換する極性変換手段とを含む。【選択図】図８

Description

この発明は、積層電池が有するインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置に関する。

特許文献１には、積層電池から負荷に電力を供給した状態で、積層電池の内部抵抗を測定する装置が提案されている。

この測定装置は、積層電池に接続されている負荷の方に電流が漏れ出ないように、積層電池の正極端子及び負極端子の各々に同一周波数の交流電流を出力する。測定装置は、積層電池の正極端子の電位から正極端子と負極端子との間に位置する中途点端子の電位を引いた交流電位差と、負極端子の電位から上記中途点端子の電位を引いた交流電位差とを検出する。そして検出された交流電位差と、測定装置から出力される交流電流とに基づいて積層電池の内部抵抗が測定される。

国際公開第２０１２／０７７４５０号公報

上述のような測定装置においては、負荷から出力される直流電圧を遮断するためにコンデンサなどで構成される直流遮断部が設けられている。直流遮断部を介して積層電池の正極端子及び負極端子に一定の交流成分を重畳するには、０Ｖ（ボルト）を基準として信号が正の値と負の値に交互に変動する双極性の交流信号を出力する必要がある。このため、測定装置は、双極性の交流信号を処理する回路構成となっている。

例えば、測定装置には、負荷からの電圧変動ノイズが混入するため、双極性の検出信号のうち、交流電流と同一周波数の信号成分を抽出する抽出回路が設けられる。抽出回路において双極性の交流信号を処理するには、交流信号が正のときに使用される回路と交流信号が負のときに使用される回路とを別々に設ける必要があり、回路構成が複雑になる。

このように、双極性の交流信号を処理する測定装置では、回路構成が複雑になってしまうという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、装置の構成を簡素にするとともに製造コストを抑制するインピーダンス測定装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、インピーダンス測定装置は、複数の電池セルが積層された積層電池の正極及び負極に対して交流電流を出力する電源手段と、前記正極と前記積層電池の中途点との間の交流電位差と、前記負極と前記中途点との間の交流電位差とのうち少なくとも一方の交流電位差を検出する検出手段とを含む。そしてインピーダンス測定装置は、前記検出手段により検出される交流電位差と、前記電源手段から出力される交流電流とに基づいて、前記積層電池のインピーダンスを演算する演算手段と、前記電源手段及び前記検出手段のうち少なくとも一方の手段により処理される交流信号を、双極性と単極性との間で変換する極性変換手段と、
を含むことを特徴とする。

この態様によれば、極性変換手段によって、電源手段から双極性の交流信号が出力されるとともに、検出手段から単極性の交流信号が出力されることになるので、装置の構成を簡素にすることができるとともに製造コストを抑制することができる。

図１Ａは、本発明の第１実施形態におけるインピーダンス測定装置の測定対象である積層電池の一例を示す図である。 図１Ｂは、積層電池に形成される電池セルの構造を示す分解図である。 図２は、本実施形態におけるインピーダンス測定装置の基本構成を示す図である。 図３は、積層電池から出力される交流信号を遮断する直流遮断部の構成と、積層電池の正極端子と中途点端子との間に生じる交流電位差、及び積層電池の負極端子と中途点端子との間に生じる交流電位差を検出する検出部の構成とを示す図である。 図４は、積層電池の正極端子に交流電流を出力する電源部の構成を示す図である。 図５は、電源部から正極端子及び負極端子の各々に出力される交流電流を調整する交流調整部の構成を示す図である。 図６は、積層電池の内部インピーダンスを演算する演算部の構成を示す図である。 図７は、等電位制御によって積層電池の正極端子及び負極端子に生じる電位を示す図である。 図８は、本実施形態における単極性変換回路を備える同期検波回路の構成を示す図である。 図９は、単極性変換回路によって双極性から単極性に変換される交流信号の波形を示す図である。 図１０は、双極性の交流信号を処理する同期検波回路の構成を示す参考図である。 図１１は、インピーダンス測定装置内に設けられる単極性変換回路の配置例を示す図である。 図１２は、本発明の第２実施形態における同期検波回路を兼用するための正極側の構成を示す図である。 図１３は、本発明の第３実施形態における双極性変換回路を備える電源部の構成を示す図である。 図１４は、双極性変換回路によって単極性から双極性に変換される交流信号の波形を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１Ａは、本発明の第１実施形態におけるインピーダンス測定装置の測定対象である積層電池の一例を示す図である。図１Ａには、積層電池の一例として複数の電池セルが積層された燃料電池スタック１の外観斜視図が示されている。

図１Ａに示されるように、燃料電池スタック１は、複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、４本のテンションロッド５０とを備える。

発電セル１０は、いわゆる電池セルのことであり、燃料電池スタック１に積層された複数の燃料電池のうちのひとつを指す。発電セル１０は、例えば１Ｖ（ボルト)程度の起電圧を生じる。発電セル１０の詳細な構成については図１Ｂを参照して後述する。

集電プレート２０は、積層された発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、例えば緻密質カーボンで形成される。燃料電池スタック１の正（プラス）の電極（正極）に相当する集電プレート２０には正極端子２１１が設けられ、燃料電池スタック１の負（マイナス）の電極（負極）に相当する集電プレート２０には負極端子２１２が設けられている。なお、負極端子２１２から、発電セル１０で生じた電子ｅ-が外部に取り出される。

また、正極端子２１１と負極端子２１２との中途点にある発電セル１０には中途点端子２１３が設けられる。本実施形態では、中途点端子２１３は、正極端子２１１から負極端子２１２へ積層された複数枚の発電セル１０のうち中間（中点）に位置する発電セル１０に設けられている。なお、中途点端子２１３は、正極端子２１１と負極端子２１２との中点から外れた位置であってもよい。

絶縁プレート３０は、集電プレート２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３０は、絶縁性の部材、例えばゴムなどで形成される。

エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、例えば鋼などで形成される。

一方のエンドプレート４０(図１Ａでは、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード排出口４１ｂ、冷却水排出口４３ｂ及びカソード供給口４２ａは図中右側に設けられている。またカソード排出口４２ｂ、冷却水供給口４３ａ及びアノード供給口４１ａは図中左側に設けられている。

テンションロッド５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５０が挿通される。テンションロッド５０は、剛性のある金属材料、例えば鋼などで形成される。テンションロッド５０は、発電セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド５０にナット(奥にあるため図示されない)が螺合する。テンションロッド５０とナットとが燃料電池スタック１を積層方向に締め付ける。

アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して供給する方法などがある。なお、水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口４２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。

図１Ｂは、燃料電池スタック１に積層された発電セル１０の構造を示す分解図である。

図１Ｂに示されるように、発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレーター(アノードバイポーラープレート)１２ａ及びカソードセパレーター(カソードバイポーラープレート)１２ｂが配置される構造である。

ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２が形成される。この電極触媒層１１２の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３が形成される。

電極触媒層１１２は、例えば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。

ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、例えばカーボン繊維で形成される。

アノード供給口４１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口４１ｂから排出される。

カソード供給口４２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口４２ｂから排出される。

アノードセパレーター１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図１Ｂの裏面)に重ねられる。カソードセパレーター１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図１Ｂの表面)に重ねられる。アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂは、例えばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応ガス流路が形成され、その反対面に反応ガス流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図１Ｂに示すようにアノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂが重ねられて、冷却水流路が形成される。

ＭＥＡ１１、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂには、それぞれ孔４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口４１ａ、アノード排出口４１ｂ、カソード供給口４２ａ、カソード排出口４２ｂ、冷却水供給口４３ａ及び冷却水排出口４３ｂが形成される。

図２は、本発明の実施形態におけるインピーダンス測定装置５の基本的な構成を示す図である。

燃料電池スタック１は、負荷３と接続されて負荷３に電力を供給する積層電池であり、例えば車両に搭載される。燃料電池スタック１は、内部にインピーダンスを有する。

負荷３は、例えば、電動モータや、燃料電池スタック１の発電のために用いられる補機などの電気負荷である。燃料電池スタック１と接続される補機は、例えば、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するためのコンプレッサや、燃料電池スタック１を暖機するときに燃料電池スタック１を流れる冷却水を加熱するためのヒータなどである。

コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）６は、燃料電池スタック１の発電状態や、湿潤状態、内部の圧力状態、温度状態などの燃料電池スタック１の運転状態を、負荷３の作動状態に応じて制御する。

例えばコントロールユニット６は、負荷３から要求される発電電力に応じて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスやアノードガスの流量を制御する。

また、燃料電池スタック１では電解質膜１１１が乾いた状態になると発電性能が低下する。この対策としてコントロールユニット６は、電解質膜１１１の湿潤度と相関のある燃料電池スタック１の内部抵抗値を用いて、電解質膜１１１が乾いた状態や過剰に湿った状態にならないようにガス流量を調整する。

インピーダンス測定装置５は、燃料電池スタック１の発電性能を維持するために、燃料電池スタック１が有する内部インピーダンスを測定する。本実施形態では、インピーダンス測定装置５は、燃料電池スタック１の内部抵抗を測定し、その測定値をコントロールユニット６に送信する。コントロールユニット６は、インピーダンス測定装置５から燃料電池スタック１の内部抵抗の測定値を受信すると、その測定値に基づいて燃料電池スタック１の湿潤状態を制御する。

インピーダンス測定装置５は、正極側直流遮断部５１１と、負極側直流遮断部５１２と、中途点直流遮断部５１３と、正極側検出部５２１と、負極側検出部５２２と、正極側電源部５３１と、負極側電源部５３２と、交流調整部５４０と、演算部５５０とを含む。

正極側直流遮断部５１１、負極側直流遮断部５１２及び中途点直流遮断部５１３は、それぞれ直流信号を遮断するが交流信号を通す直流遮断部である。正極側直流遮断部５１１及び負極側直流遮断部５１２は、正極端子２１１及び負極端子２１２から正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２に出力される交流信号を通過させる直流遮断部である。

直流遮断部５１１〜５１３の各々は、例えばコンデンサやトランスにより実現される。なお、波線により示された中途点直流遮断部５１３については省略することが可能である。

正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２は、正極端子２１１と中途点端子２１３との間の交流電位差と、負極端子２１２と中途点端子２１３との間の交流電位差とのうち少なくとも一方の交流電位差を検出する検出手段である。

正極側検出部５２１は、正極端子２１１に生じる電位の交流成分である交流電位Ｖａと、中途点端子２１３に生じる電位の交流成分である交流電位Ｖｃとの間の電位差（以下、「交流電位差Ｖ１」という。）を検出する。

正極側検出部５２１は、交流電位差Ｖ１の振幅に応じて値が変化する検出信号を、交流調整部５４０及び演算部５５０に出力する。例えば交流電位差Ｖ１が大きくなるほど検出信号のレベルは高くなり、交流電位差Ｖ１が小さくなるほど検出信号のレベルは低くなる。

正極側検出部５２１については、第１入力端子が直流遮断部５１１を介して正極端子２１１と接続され、第２入力端子が接地され、出力端子が交流調整部５４０及び演算部５５０の双方に接続される。

負極側検出部５２２は、負極端子２１２に生じる電位の交流成分である交流電位Ｖｂと、中途点端子２１３に生じる電位の交流成分である交流電位Ｖｃとの間の電位差（以下「交流電位差Ｖ２」という。）を検出する。

負極側検出部５２２は、交流電位差Ｖ２の振幅に応じて値が変化する検出信号を演算部５５０に出力する。負極側検出部５２２については、第１入力端子が直流遮断部５１２を介して負極端子２１２と接続され、第２入力端子が接地され、出力端子が交流調整部５４０及び演算部５５０の双方に接続される。

ここで、正極側直流遮断部５１１、負極側直流遮断部５１２、中途点直流遮断部５１３、正極側検出部５２１、及び負極側検出部５２２の詳細について、図３を参照して説明する。

正極側直流遮断部５１１は、燃料電池スタック１の正極端子２１１と正極側電源部５３１の出力端子との間に接続されるコンデンサ５１１Ａと、正極端子２１１と正極側検出部５２１の第１入力端子との間に接続されるコンデンサ５１１Ｂとを含む。

負極側直流遮断部５１２は、燃料電池スタック１の負極端子２１２と負極側電源部５３２の出力端子との間に接続されるコンデンサ５１２Ａと、負極端子２１２と負極側検出部５２２の第２入力端子との間に接続されるコンデンサ５１２Ｂとを含む。

中途点直流遮断部５１３は、燃料電池スタック１の中途点端子２１３と正極側検出部５２１の第２入力端子との間に接続されるコンデンサ５１３Ａと、中途点端子２１３と負極側検出部５２２の第１入力端子との間に接続されるコンデンサ５１３Ｂとを含む。

正極側検出部５２１は、電位差検出回路５２１１と、帯域通過フィルタ（Band Pass filter；ＢＰＦ）５２１２と、増幅回路５２１３と、同期検波回路５２１４とを含む。

電位差検出回路５２１１は、交流電位Ｖａから電位Ｖｃを減算した検出信号を出力する。交流電位Ｖａは、正極端子２１１から出力される信号のうち、コンデンサ５１１Ｂを通過する信号成分であり、電位Ｖｃは、中途点端子２１３から出力される信号のうち、コンデンサ５１３Ａを通過する信号成分である。電位差検出回路５２１１は、差動アンプにより実現される。

電位差検出回路５２１１には、負荷３から正極端子２１１を介して電圧変動ノイズが混入する。負荷３からのノイズは周波数分布が広範囲に亘り、かつ、ノイズレベルが交流電位差Ｖ１に比べて３桁ほど大きい。このため、電位差検出回路５２１１から出力される検出信号には、負荷３から出力される不要信号が含まれてしまう。

帯域通過フィルタ５２１２は、検出信号に含まれる不要信号を除去して、検出に必要となる周波数帯域の信号成分のみを通過させる。具体的には、帯域通過フィルタ５２１２は、電位差検出回路５２１１から出力される検出信号のうち、交流電流Ｉ１の周波数と同一周波数を有する信号成分を通過させ、他の周波数帯域の信号成分を除去する。

増幅回路５２１３は、帯域通過フィルタ５２１２から出力される検出信号を増幅して出力する。増幅回路５２１３の増幅率（ゲイン）は、インピーダンス測定装置５のダイナミックレンジを考慮して定められる。

同期検波回路５２１４は、増幅回路５２１３から出力される検出信号のうち、交流電流Ｉ１と同じ周波数を有し、かつ、交流電流Ｉ１と位相が同じ信号成分、すなわち検出信号の実軸成分のみを抽出する抽出回路である。

具体的には、同期検波回路５２１４は、交流電流Ｉ１と同じ周波数を有する信号であって交流電流Ｉ１と位相が一致した同相の信号を検出信号に乗算し、その乗算された交流の検出信号を平滑化することによって直流の検出信号Ｖ１に変換する。平滑化された検出信号Ｖ１は、交流電位差Ｖ１の振幅の大きさに応じて変化する。

このように、正極側検出部５２１は、交流電位差Ｖ１の振幅に比例した検出信号を生成し、帯域通過フィルタ５２１２や同期検波回路５２１４によって不要信号を除去する。その検出信号Ｖ１は交流調整部５４０及び演算部５５０に出力される。

負極側検出部５２２は、電位差検出回路５２２１と、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）５２２２と、増幅回路５２２３と、同期検波回路５２２４とを含む。これらの構成は、基本的に正極側検出部５２１と同じ構成であるため、ここでの説明を省略する。

次に正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２の構成について説明する。

正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２は、燃料電池スタック１の正極端子２１１及び負極端子２１２のうち両方の電極端子に同じ周波数を有する交流信号を出力する電源手段である。

正極側電源部５３１は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定するために定められた基準周波数ｆｂを有する交流電流Ｉ１を、正極側直流遮断部５１１を介して燃料電池スタック１の正極端子２１１へ出力する。正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅は、交流調整部５４０によって制御される。正極側電源部５３１は、例えばオペアンプ(Operational Amplifier；ＯＡ)を含んで構成される電圧電流変換回路により実現される。

正極側電源部５３１の詳細について図４を参照して説明する。

正極側電源部５３１は、電圧電流変換回路５３１１と同期検波回路５３１２とを含む。

電圧電流変換回路５３１１は、基準周波数ｆｂの交流電圧Ｖｉ１を交流電流Ｉ１に変換し、その交流電流Ｉ１を正極側直流遮断部５１１へ出力する。交流電圧Ｖｉ１は、交流調整部５４０から正極側電源部５３１に出力される電流指令信号である。

電圧電流変換回路５３１１は、交流電圧Ｖｉ１に基づいて交流電流Ｉ１を出力するオペアンプＯＡ１と、検出抵抗素子Ｒｓと、検出抵抗素子Ｒｓに生じる検出電圧Ｖｉ１ｓに応じて交流電流Ｉ１を調整するオペアンプＯＡ２と、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ５とを含む。

オペアンプＯＡ１は、交流電圧Ｖｉ１に比例する交流電流Ｉ１を出力する。オペアンプＯＡ１の非反転入力端子は、交流調整部５４０の正極側端子と接続されると共に、反転入力端子は、抵抗素子Ｒ５を介して電流調整用のオペアンプＯＡ２と接続される。そしてオペアンプＯＡ１の出力端子は、抵抗素子Ｒ２及び抵抗素子Ｒ３を介して接地される。

検出抵抗素子Ｒｓは、オペアンプＯＡ１から出力される交流電流Ｉ１の大きさを検出するために設けられた抵抗素子である。検出抵抗素子Ｒｓの一端はオペアンプＯＡ１の出力端子に接続され、検出抵抗素子Ｒｓの他端はコンデンサ５１１Ａと接続される。

検出抵抗素子Ｒｓの両端に生じる検出電圧Ｖｉ１ｓは、交流電流Ｉ１の電流値と検出抵抗素子Ｒｓの抵抗値とを乗算した値であり、交流電流Ｉ１の大きさに比例する。

オペアンプＯＡ２は、検出抵抗素子Ｒｓに生じる検出電圧Ｖｉ１ｓの大きさを検出する電流検出手段である。オペアンプＯＡ２から出力される検出信号Ｖｉ１ｓは、オペアンプＯＡ１の反転入力端子にフィードバックされる。そしてオペアンプＯＡ１は、検出信号Ｖｉ１ｓに応じて交流電流Ｉ１を増減する。これにより、交流電流Ｉ１の振幅が交流電圧Ｖｉ１の振幅と比例するように調整される。

抵抗素子Ｒ１〜Ｒ５の抵抗値は、インピーダンス測定装置５の設計に応じて適宜設定される。

同期検波回路５３１２は、オペアンプＯＡ２から出力される検出信号Ｖｉ１ｓに含まれる不要信号を除去するために、検出信号から交流電流Ｉ１と同一周波数ｆｂであって位相が同じ信号成分のみを抽出する抽出回路である。同期検波回路５３１２の構成は、図３に示した同期検波回路５２１４と同じ構成である。

同期検波回路５３１２は、不要信号を除去した検出信号Ｉ１を演算部５５０に出力する。同期検波回路５３１２から出力される検出信号Ｉ１は、交流電流Ｉ１の振幅に比例する直流の信号である。

このように、正極側電源部５３１は、交流調整部５４０から出力される指令信号に基づいて交流電流Ｉ１を出力する。さらに検出抵抗素子Ｒｓ及びオペアンプＯＡ２によって交流電流Ｉ１の大きさが検出され、同期検波回路５３１２によって不要信号が取り除かれた検出信号Ｉ１が演算部５５０に出力される。

負極側電源部５３２は、交流電流Ｉ１と同じ基準周波数ｆｂを有する交流電流Ｉ２を、負極側直流遮断部５１２を介して燃料電池スタック１の負極端子２１２へ出力する。負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の振幅は、交流調整部５４０によって制御される。なお、負極側電源部５３２の構成は、正極側電源部５３１と同じ構成であるため、ここでの詳細な説明を省略する。

次に交流調整部５４０の構成について図５を参照して説明する。

交流調整部５４０は、正極側の交流電位Ｖａと負極側の交流電位Ｖｂとが互いに一致するように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２のうち少なくとも一方の電源部から出力される交流電流の振幅及び位相を調整する調整手段である。

本実施形態では、交流調整部５４０は、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅と、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の振幅とをそれぞれ調整する。交流調整部５４０は、例えばＰＩ（Proportional Integral）制御回路により実現される。

交流調整部５４０は、正極側減算器５４１１と、正極側積分回路５４２１と、正極側乗算器５４３１と、負極側減算器５４１２と、負極側積分回路５４２２と、負極側乗算器５４３２とを含む。さらに交流調整部５４０は、基準電源５４５及び交流信号源５４６を備える。

基準電源５４５は、正極側の交流電位差Ｖ１と負極側の交流電位差Ｖ２とを一致させるために、０Ｖ（ボルト）を基準に設定された電圧（以下、「基準電圧Ｖｓ」という。）を出力する。基準電圧Ｖｓは、実験等で定められた値である。

交流信号源５４６は、基準周波数ｆｂの交流信号を発振させる発振源である。基準周波数ｆｂは、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定するのに適した所定の値に設定される。基準周波数ｆｂは、例えば１ｋＨｚ（キロヘルツ）に設定される。

正極側減算器５４１１は、正極側検出部５２１から出力される検出信号Ｖ１から、基準電圧Ｖｓを減算することにより、基準電圧Ｖｓからのズレ幅に比例した差分信号を出力する。例えば、基準電圧Ｖｓからのズレ幅が大きくなるほど差分信号のレベルは高くなる。

正極側積分回路５４２１は、正極側減算器５４１１から出力される差分信号を積分することにより、差分信号の平均化又は感度の調節をする。そして正極側積分回路５４２１は、積分された差分信号を正極側乗算器５４３１に出力する。

正極側乗算器５４３１は、交流信号源５４６から出力される基準周波数ｆｂの交流信号に対して差分信号を乗算することにより、交流電位差Ｖ１の振幅を基準電圧Ｖｓに収束させる交流電圧Ｖｉ１を生成する。例えば正極側減算器５４１１から出力される差分信号のレベルが大きくなるほど交流電圧Ｖｉ１の振幅は大きくなる。

正極側乗算器５４３１は、交流電圧Ｖｉ１を電流指令信号として正極側電源部５３１へ出力する。交流電圧Ｖｉ１は、正極側電源部５３１によって交流電流Ｉ１に変換される。

なお、負極側減算器５４１２、負極側積分回路５４２２及び負極側乗算器５４３２は、それぞれ、正極側減算器５４１１、正極側積分回路５４２１及び正極側乗算器５４３１と同じ構成であるため、これらの構成についての説明を省略する。

このように、交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の振幅が基準電圧Ｖｓとなるように、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅を調整する。同様に交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２の振幅が基準電圧Ｖｓとなるように、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の振幅を調整する。

これにより、交流電位Ｖａ及び交流電位Ｖｂが互いに同じレベルに制御されるので、正極端子２１１に重畳される交流電位Ｖａと、負極端子２１２に重畳される交流電位Ｖｂとが一致する。これにより、インピーダンス測定装置５から燃料電池スタック１へ出力された交流電流Ｉ１及びＩ２が負荷３の方に漏れ出るのを防ぐことができる。なお、以下では、交流電位Ｖａと交流電位Ｖｂとが互いに等しくなるように正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２を制御することを「等電位制御」という。

次に演算部５５０の構成について図６を参照して説明する。

演算部５５０は、交流調整部５４０により調整された交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅と交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅とに基づいて、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを演算する演算手段である。

演算部５５０には、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２から交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅を示す検出信号が入力され、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅を示す検出信号が入力される。

演算部５５０は、ＡＤ（Analog Digital）変換器５５１とマイコンチップ５５２とを含む。

ＡＤ変換器５５１は、交流電流Ｉ１及びＩ２の検出信号、及び交流電位差Ｖ１及びＶ２の検出信号をデジタル数値信号に変換し、マイコンチップ５５２に転送する。

マイコンチップ５５２には、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒｎ及び燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒを算出するプログラムが予め記憶されている。マイコンチップ５５２は、所定の微小時間間隔で順次内部抵抗Ｒを演算し、又は、コントロールユニット６の要求に応じて内部抵抗Ｒ演算し、その演算結果をコントロールユニット６に出力する。なお、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒｎ及び燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒは、次式で演算される。

演算部５５０は、例えば、アナログ演算ＩＣを含んで構成されるアナログ演算回路により実現される。アナログ演算回路を用いることにより、時間的に連続した抵抗値の変化をコントロールユニット６に出力することができる。

コントロールユニット６は、演算部５５０から出力される内部抵抗Ｒを受信すると、内部抵抗Ｒの大きさに応じて、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。

例えば、コントロールユニット６は、内部抵抗Ｒが高い場合には燃料電池スタック１の電解質膜１１１が乾いた状態であると判断し、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を減らす。これにより、燃料電池スタック１から持ち出される水分量を減少させることができる。

次にインピーダンス測定装置５による等電位制御の作用効果を説明する。

図７は、燃料電池スタック１の正極端子２１１に生じる正極電位の変化と、負極端子２１２に生じる負極電位の変化とを例示する図である。

燃料電池スタック１の出力中は、正極端子２１１及び負極端子２１２の端子間に、燃料電池スタック１から負荷３に出力される直流電圧Ｖｄｃが生じる。インピーダンス測定装置５が起動（ＯＮ）される前は、正極端子２１１の正極電位、及び負極端子２１２の負極電位は、点線で示すように共に一定であり、正極電位と負極電位との電位差である直流電圧Ｖｄｃが負荷３に供給される。その後インピーダンス測定装置５が起動され、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から交流電流Ｉ１及びＩ２が出力されると、正極電位に交流電位Ｖａが重畳され、負極電位に交流電位Ｖｂが重畳される。

正極側電源部５３１から出力された交流電流Ｉ１は、正極側直流遮断部５１１を介して、燃料電池スタック１の正極端子２１１に出力され、中途点端子２１３及び中途点直流遮断部５１３を介して正極側検出部５２１に出力される。このとき、正極端子２１１と中途点端子２１３との間には、交流電流Ｉ１が内部抵抗Ｒ１に供給されることで内部抵抗Ｒ１での電圧降下により交流電位差Ｖ１(＝Ｖａ−Ｖｃ)が生じる。この交流電位差Ｖ１は、正極側検出部５２１によって検出される。

一方、負極側電源部５３２から出力された交流電流Ｉ２は、負極側直流遮断部５１２を介して燃料電池スタック１の負極端子２１２に供給され、中途点端子２１３及び中途点直流遮断部５１３を介して負極側検出部５２２に出力される。このとき、負極端子２１２と中途点端子２１３との間には、交流電流Ｉ２が内部抵抗Ｒ２に供給されることで内部抵抗Ｒ２での電圧降下により交流電位差Ｖ２(＝Ｖｂ−Ｖｃ)が生じる。この交流電位差Ｖ２は、負極側検出部５２２によって検出される。

交流調整部５４０は、正極側の交流電位差Ｖ１と、負極側の交流電位差Ｖ２との電位差(Ｖ１−Ｖ２)、すなわち交流電位Ｖａと交流電位Ｖｂとの差（Ｖａ−Ｖｂ）が常に小さくなるように負極側電源部５３２を調節する。これにより、正極電位の交流成分Ｖａの振幅と負極電位の交流成分Ｖｂの振幅とが等しくなるので、直流電圧Ｖｄｃは変動せずに一定となる。

そして演算部５５０は、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２から出力される交流電位差Ｖ１及びＶ２と、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ１及びＩ２とに基づいてオームの法則を適用する。これにより、燃料電池スタック１の正極側の内部抵抗Ｒ１及び負極側の内部抵抗Ｒ２が算出される。

ここでは、正極端子２１１及び負極端子２１２の交流電位が同じ値になるので、仮に正極端子２１１及び負極端子２１２に対して走行用モータなどの負荷３が接続された状態であっても、交流電流Ｉ１又はＩ２が負荷３の方に漏洩するのを抑制できる。

さらに負荷３の作動状態によらず、稼働中の燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値に基づいて燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒを正確に測定することができる。また、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２が使用されるので、燃料電池スタック１が停止中であっても内部抵抗Ｒを測定することができる。

インピーダンス測定装置５においては、正極端子２１１と正極側電源部５３１との間に正極側直流遮断部５１１が設けられ、負極端子２１２と負極側電源部５３２との間に負極側直流遮断部５１２が設けられている。

このため、正極端子２１１及び負極端子２１２の各々に一定レベルの交流電位Ｖａ及びＶｂを重畳するには、直流遮断部５１１及び５１２に対して双極性の交流信号を出力する必要がある。

双極性の交流信号とは、０Ｖを基準とし信号が正（プラス）の値と負（マイナス）の値とに交互に変化する交流信号のことである。仮に、０Ｖよりも高い値を基準に変化する交流信号を直流遮断部５１１に出力すると、交流信号の直流成分が０Ｖよりも高いため直流遮断部５１１に電荷が蓄積され飽和してしまい、直流遮断部５１１から正極端子２１１へ交流信号が伝達されなくなる。

これに対してインピーダンス測定装置５の内部回路を、双極性の交流信号を処理する回路構成にすると、交流信号が正のときに信号を処理する回路と交流信号が負のときに信号を処理する回路とを別々に設ける必要があり、内部回路の構成が複雑になってしまう。

そこで本実施形態では、正極側検出部５２１の同期検波回路５２１４に入力される交流の検出信号や、正極側電源部５３１の同期検波回路５３１２に入力される検出信号を双極性から単極性に変換する。単極性の交流信号とは、信号が正又は負のいずれか一方で、基準となる値を中心に変化する交流信号のことである。

図８は、本実施形態における同期検波回路５２１４の構成を示す図である。

同期検波回路５２１４は、単極性変換回路４１０と、信号乗算回路４２０と、信号抽出フィルタ４３０とを含む。

単極性変換回路４１０は、双極性の交流信号を単極性の交流信号に変換する極性変換手段である。

本実施形態では、単極性変換回路４１０は、増幅回路５２１３から出力される検出信号を、双極性の交流信号から単極性の交流信号に変換する。単極性変換回路４１０は、コンデンサ４１１と基準電位線４１２と抵抗素子４１３とを含む。

コンデンサ４１１は、交流信号の振幅の中心を０Ｖから基準電位（Ｖｏ／２）に変換するために用いられる。コンデンサ４１１の一方の電極は、増幅回路５２１３の出力端子と接続され、他方の電極は、信号乗算回路４２０の入力端子と接続される。

基準電位線４１２は、図示していない電源から直流の基準電位（Ｖｏ／２）が供給される信号線である。基準電位（Ｖｏ／２）は、増幅回路５２１３から出力される交流信号の振幅の半分の値に設定される。

抵抗素子４１３は、コンデンサ４１１の他方の電極に基準電位（Ｖｏ／２）を重畳するために設けられる。抵抗素子４１３の一端は、基準電位線４１２に接続され、抵抗素子４１３の他端は、他方の電極と信号乗算回路４２０の入力端子とに接続される。

このように、単極性変換回路４１０では、双極性の交流信号がコンデンサ４１１の一方の電極に入力されると、他方の電極には、同じ波形の交流信号が伝播されるとともに、抵抗素子４１３によって直流の基準電位（Ｖｏ／２）が重畳される。これにより、単極性の交流信号が生成されて信号乗算回路４２０に入力される。

信号乗算回路４２０は、単極性変換回路４１０から出力される検出信号に対して、図５に示した交流信号源５４６から出力される基準周波数ｆｂの交流信号（以下「基準信号」という。）を乗算する。これにより、信号乗算回路４２０から出力される検出信号が全波整流波形となる。

具体的には、信号乗算回路４２０は、交流信号源５４６の基準信号が正のときは検出信号に「−１」を乗算した信号を出力し、交流信号源５４６の基準信号が負のときは検出信号に「＋１」を乗算した信号を出力する。このように信号乗算回路４２０は、検出信号に全波整流波形処理を施す。

信号乗算回路４２０は、抵抗素子４２１〜１２３と、トランジスタ４２４と、オペアンプ４２５と、コンパレータ４２６とを含む。

抵抗素子４２１は、単極性変換回路４１０の出力端子とオペアンプ４２５の反転入力端子（−）との間に接続され、抵抗素子４２２は、単極性変換回路４１０の出力端子とオペアンプ４２５の非反転入力端子（＋）との間に接続される。

抵抗素子４２３は、オペアンプ４２５の反転入力端子（−）とオペアンプ４２５の出力端子との間に接続される。抵抗素子４２３の抵抗値は、抵抗素子４２１の抵抗値と同じ値に設定される。

トランジスタ４２４は、オペアンプ４２５の非反転端子（＋）とアースされた接地線との間に接続される。本実施形態では、トランジスタ４２４は、電界効果トランジスタ（Field effect transistor；ＦＥＴ）であり、トランジスタ４２４のドレイン（Ｄ）がオペアンプ４２５の非反転端子（＋）に接続され、トランジスタ４２４のソース（Ｓ）が接地線と接続される。

トランジスタ４２４のゲート（Ｇ）は、交流電流Ｉ１と同一周波数ｆｂの信号成分を検波するための検波信号を供給するコンパレータ４２６と接続される。検波信号は、図４に示した交流信号源５４６から出力される基準信号に基づいて生成される矩形のパルス信号である。例えば、基準信号が正のときには５Ｖ（ボルト）のパルス信号を出力し、基準信号が負のときには０Ｖのパルス信号を出力する。

トランジスタ４２４は、コンパレータ４２６から出力される検波信号に応じて、オペアンプ４２５の非反転端子（＋）と接地線との間を接続又は遮断する。すなわち、トランジスタ４２４は、交流信号源５４６から出力される基準信号に基づいて、オペアンプ４２５の非反転端子（＋）を接地状態（導通状態）又は非接地状態（非導通状態）に切り替える。

オペアンプ４２５の反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）には、単極性変換回路４１０から出力される単極性の交流信号が共に入力される。

オペアンプ４２５は、交流信号源５４６から出力される基準信号に基づいて、単極性変換回路４１０から出力される単極性の交流信号の位相を０度又は１８０度だけシフトさせる。

オペアンプ４２５では、交流信号源５４６の基準信号が正のときにはトランジスタ４２４が導通状態となって非反転入力端子（＋）が０Ｖとなるので、反転入力端子（−）に入力される交流信号を反転させた信号が出力される。

一方、交流信号源５４６の基準信号が負のときにはトランジスタ４２４が非導通状態となって非反転入力端子（＋）と反転入力端子（−）とが同電位となるので、抵抗素子４２３を介して反転していない交流信号が出力される。

信号抽出フィルタ４３０は、信号乗算回路４２０によって全波整流波形処理が施された検出信号を平滑にする。信号抽出フィルタ４３０は、例えば低域通過フィルタ（ＬＰＦ）により実現される。

本実施形態では、信号抽出フィルタ４３０は、抵抗素子１３１とコンデンサ１３２とにより構成される低域通過フィルタである。

抵抗素子１３１の一端はオペアンプ４２５の出力端子に接続され、抵抗素子１３１の他端はコンデンサ１３２の一方の電極と接続され、コンデンサ１３２の他方の電極は接地される。

これにより、信号乗算回路４２０から出力される検出信号は、直流の検出信号Ｖ１に変換される。変換された検出信号Ｖ１は、交流電位差Ｖ１の振幅に比例した信号であり、例えば交流電位差Ｖ１の振幅が大きくなるほど検出信号Ｖ１のレベルは高くなる。

図９は、単極性変換回路４１０によって変換される交流信号を示す図である。

単極性変換回路４１０によって、０Ｖを中心に正と負とに変化する双極性の交流信号は、最小値がゼロとなり、かつ、基準電位（Ｖｏ／２）を中心に正側で変化する単極性の交流信号に変換される。

このように、単極性変換回路４１０が信号乗算回路４２０よりも電位差検出回路５２１１側に配置されることで、信号乗算回路４２０に入力される交流信号が双極性から単極性に変換される。このため、信号乗算回路４２０では、１個のトランジスタ４２４によってオペアンプ４２５から出力される信号を全波整流波形に形成することが可能となる。すなわち、信号乗算回路４２０を簡素な構成にすることができる。

図８では同期検波回路５２１４の構成について説明したが、インピーダンス測定装置５に備えられる他の同期検波回路についても、同期検波回路５２１４と同じように簡素な構成にすることが可能である。例えば、負極側検出部５２２の同期検波回路５２２４や、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２の各同期検波回路５３１４についても、単極性変換回路４１０、信号乗算回路４２０及び信号抽出フィルタ４３０を含んだ構成にする。

これにより、信号乗算回路４２０に用いられるトランジスタの数を削減することできるので、インピーダンス測定装置５を小型にするとともに製造コストを抑制することができる。

なお、本実施形態ではトランジスタ４２４としてＦＥＴを用いる例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、トランジスタ４２４としてバイポーラトランジスタが用いられてもよい。この場合には、コレクタ（Ｃ）がオペアンプ４２５の非反転端子（＋）に接続され、エミッタ（Ｅ）が接地線と接続され、ベース（Ｂ）がコンパレータ４２６と接続される。

また本実施形態では単極性変換回路４１０を増幅回路５２１３と信号乗算回路４２０との間に配置する例について説明したが、単極性変換回路４１０の位置は、直流遮断部５１１及び５１２と信号乗算回路４２０との間であればよい。

図１０は、単極性変換回路４１０の配置例を示す図である。ここでは、図３に示した同期検波回路５２１４の単極性変換回路４１０が、正極側直流遮断部５１１（又はコンデンサ５１１Ｂ）と正極側検出部５２１の第１入力端子との間に配置される。さらに同期検波回路５２２４の単極性変換回路４１０が、負極側直流遮断部５１２（又はコンデンサ５１２Ｂ）と負極側検出部５２２の第１入力端子との間に配置される。

このように単極性変換回路４１０を、正極側直流遮断部５１１と正極側検出部５２１の信号乗算回路４２０との間、又は、負極側直流遮断部５１２と負極側検出部５２２の信号乗算回路４２０との間に配置すれば、信号乗算回路４２０に入力される信号は単極性の交流信号に変換されるので、信号乗算回路４２０の構成を簡素にできる。

本発明の第１実施形態によれば、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２で構成される電源手段は、積層電池１の正極２１１及び負極２１２に対して交流電流Ｉ１及びＩ２を出力する。正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の少なくとも一方で構成される検出手段は、正極２１１と積層電池１の中途点２１３との間の交流電位差Ｖ１と、負極２１２と中途点２１３との間の交流電位差Ｖ２とのうち少なくとも一方の交流電位差を検出する。演算部５５０で構成される演算手段は、検出手段により検出される交流電位差と、電源手段から出力される交流電流とに基づいて、積層電池１のインピーダンスを演算する。

そして単極性変換回路４１０を含んで構成される極性変換手段は、電源手段及び検出手段のうち少なくとも一方の手段により処理される交流信号を双極性と単極性との間で変換する。第１実施形態では、極性変換手段は、検出手段により検出（処理）される交流電位差を示す交流信号を双極性から単極性に変換する。

このように本実施形態によれば、極性変換手段によって、電源手段から双極性の交流信号が出力されるとともに、検出手段から単極性の交流信号が入力されることになるので、インピーダンス測定装置５を簡素にできるとともに製造コストを抑制できる。

また本実施形態では、インピーダンス測定装置５は、正極端子２１１及び負極端子２１２から検出部５２１及び５２２にそれぞれ出力される交流信号を通過させる直流遮断部５１１及び５１２で構成される直流遮断手段を含む。さらに、交流電流Ｉ１と同一周波数ｆｂを有する基準信号に基づいて、検出手段から出力される交流電位差Ｖ１を示す交流信号のうち同一周波数ｆｂの信号成分を抽出する信号乗算回路４２０で構成される抽出回路を含む。

そして単極性変換回路４１０は、直流遮断手段と抽出回路との間に接続され、直流遮断手段から出力される双極性の交流信号を単極性の交流信号に変換する。例えば、単極性変換回路４１０は、図３に示したコンデンサ５１１Ｂと電位差検出回路５２１１の第１入力端子との間、又は、電位差検出回路５２１１と信号乗算回路４２０との間に配置される。

これにより、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の少なくとも一方の信号乗算回路４２０の回路構成を簡素にできる。

また本実施形態では、交流調整部５４０で構成される調整手段は、交流電位差Ｖ１と、交流電位差Ｖ２とが一致するように、電源手段から正極２１１及び負極２１２のうち少なくとも一方に出力される交流電流を調整する。そして図４で示した検出抵抗素子Ｒｓ及びオペアンプＯＡ２で構成される電流検出手段は、電源手段から出力される交流電流Ｉ１を検出する。さらに同期検波回路５３１４の信号乗算回路４２０で構成される抽出回路は、交流電流Ｉ１と同一周波数ｆｂを有する基準信号に基づいて、電流検出手段から出力される交流信号Ｖ１に含まれる同一周波数ｆｂの信号成分を抽出する。

そして単極性変換回路４１０は、オペアンプＯＡ２の出力端子と信号乗算回路４２０との間に接続され、電流検出手段から出力される双極性の交流信号を単極性の交流信号に変換する。

これにより、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２の少なくとも一方の信号乗算回路４２０の構成を簡素にできる。

また本実施形態では、信号乗算回路４２０で構成される抽出回路は、トランジスタ４２４及びオペアンプ４２５を含む。オペアンプ４２５は、単極性の交流信号が入力される非反転入力端子（＋）と、非反転入力端子（＋）と同じ単極性の交流信号が入力される反転入力端子（−）とを有する。そしてトランジスタ４２４は、交流電流Ｉ１と同一周波数ｆｂを有する基準信号に基づいて、オペアンプ４２５の非反転入力端子（＋）と接地端子との間を接続又は遮断する。これにより、トランジスタ４２４によって、オペアンプ４２５から出力される交流信号が整流される。

このように、オペアンプ４２５の非反転入力端子（＋）及び反転入力端子（−）の各々に単極性の交流信号を入力することにより、交流信号が正のときに必要となる回路と交流信号が負のときに必要となる回路とをそれぞれ設ける必要がなくなる。すなわち、交流信号が負のときに用いられる回路を省略できるので、抽出回路の構成を簡素にできる。

図１１は、双極性の交流信号が入力される信号乗算回路９００に用いられるスイッチ回路９１０の構成を示す参考図である。

スイッチ回路９１０は、ＮｃｈトランジスタとＰｃｈトランジスタとドライブ回路Ｄとにより構成される。

信号乗算回路９００に入力される交流信号が正のときには、オペアンプ４２５の非反転端子（＋）が接地されるように、ドライブ回路ＤからＮｃｈトランジスタのゲート（Ｇ）に正のパルス信号Ｖｇが供給される。

また、信号乗算回路９００に入力される交流信号が負のときには、オペアンプ４２５の非反転端子（＋）に負の電圧Ｖ−が印加されるように、ドライブ回路ＤからＰｃｈトランジスタのゲート（Ｇ）に負のパルス信号Ｖｇを供給される。

このように双極性の交流信号を同期検波処理するためのスイッチ回路９１０には、Ｎｃｈトランジスタに加えてＰｃｈトランジスタが必要になり、さらにパルス信号Ｖｇを正と負との間で切替えるためのドライバ回路Ｄが必要となる。

これに対して、図８に示した信号乗算回路４２０では、スイッチ回路９１０の代わりに１個のトランジスタ４２４だけで、交流信号が全波整流波形となるように処理できるので、回路構成を小型にでき、かつ、製造コストを低減できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態におけるインピーダンス測定装置の構成について説明する。なお、本実施形態のインピーダンス測定装置の構成については、図２に示したインピーダンス測定装置５の構成と基本的に同じであるため、同一符号を付して説明する。

本実施形態では、正極側検出部５２１において、図３に示した同期検波回路５２１４が省略されるとともに、正極側電源部５３１において、図４に示した同期検波回路５３１２が省略されている。これらの同期検波回路５２１４及び５３１２の代わりに、交流調整部５４０に同期検波回路が設けられる。

図１２は、本発明の第２実施形態における交流調整部５４０の構成を示す図である。ここでは、正極側の構成のみが示されている。

本実施形態の交流調整部５４０は、図５に示した交流調整部の構成に加えて、同期検波回路５４０１と、切替回路５４０２と、切替信号発生器５０４３とを備えている。

同期検波回路５４０１は、図８に示した同期検波回路５２１４と同じ構成であり、単極性変換回路４１０と、信号乗算回路４２０と、信号抽出フィルタ４３０とを含む。

切替回路５４０２は、同期検波回路５４０１を正極側検出部５２１と正極側電源部５３１とで兼用するために必要となる切替手段である。

切替回路５４０２は、同期検波回路５４０１に入力される双極性の交流信号を、正極側検出部５２１から出力される検出信号Ｖ１、又は、正極側電源部５３１から出力される検出信号Ｉ１に切り替える。これとともに切替回路５４０２は、同期検波回路５４０１から出力される検出信号を、同期検波回路５４０１に入力された検出信号の出力先に切替える。

切替回路５４０２は、入力切替器５４０２Ａと出力切替器５４０２Ｂとを含む。入力切替器５４０２Ａ及び出力切替器５４０２Ｂは、切替信号発生器５４０３から出力される切替信号により同時に切替えられる。

入力切替器５４０２Ａにおいては、第１入力端子が、図４に示した正極側電源部５３１のオペアンプＯＡ２の出力端子と接続され、第２入力端子が、図３に示した正極側検出部５２１の増幅回路５２１３の出力端子と接続される。そして出力端子が同期検波回路５４０１の入力端子に接続される。

出力切替器５４０２Ｂにおいては、入力端子が同期検波回路５４０１の出力端子に接続される。そして第１出力端子が演算部５５０の電流検出端子（Ｉ１）と接続され、第２出力端子が、正極側減算器５４１１の入力端子とともに演算部５５０の電圧検出端子（Ｖ１）と接続され、
切替信号発生器５４０３は、予め定められた周期により、切替回路５４０２に出力される切替信号を、Ｈ（Ｈｉｇｈ）レベルとＬ（Ｌｏｗ）レベルとに交互に切替える。

例えば、切替信号発生器５４０３は、Ｈレベルの切替信号を、入力切替器５４０２Ａ及び出力切替器５４０２Ｂに出力する。

これに伴い、入力切替器５４０２Ａは、正極側電源部５３１のオペアンプＯＡ２の出力端子と同期検波回路５４０１の入力端子との間を接続するとともに、出力切替器５４０２Ｂは、同期検波回路５４０１の出力端子と演算部５５０の電流検出端子（Ｉ１）との間を接続する。

これにより、入力切替器５４０２Ａの第１入力端子から同期検波回路５４０１の単極性変換回路４１０に入力された双極性の交流信号は、単極性変換回路４１０によって単極性の交流信号に変換される。そして変換された交流信号は、信号乗算回路４２０及び信号抽出フィルタ４３０によって不要信号が除去されて、出力切替器５４０２Ｂの第１出力端子を介して演算部５５０の電流検出端子（Ｉ１）に入力される。

また、切替信号発生器５４０３は、Ｌレベルの切替信号を、入力切替器５４０２Ａ及び出力切替器５４０２Ｂに出力する。

これに伴い、入力切替器５４０２Ａは、正極側検出部５２１の増幅回路５２１３の出力端子と同期検波回路５４０１の入力端子との間を接続するとともに、出力切替器５４０２Ｂは、同期検波回路５４０１の出力端子と演算部５５０の電圧検出端子（Ｖ１）との間を接続する。

これにより、入力切替器５４０２Ａの第２入力端子から単極性変換回路４１０に入力された双極性の交流信号は、単極性変換回路４１０によって単極性の交流信号に変換される。そして変換された交流信号は、信号乗算回路４２０及び信号抽出フィルタ４３０によって不要信号が除去されて、出力切替器５４０２Ｂの第２出力端子を介して演算部５５０の電圧検出端子（Ｖ１）及び正極側減算器５４２に入力される。

このように切替信号がＬレベルからＨレベルに切り替えられると、切替回路５４０２によって同期検波回路５４０１は、正極側電源部５３１から出力される検出信号のノイズを除去する処理回路として用いられる。

一方、切替信号がＨレベルからＬレベルに切り替えられると、切替回路５４０２によって同期検波回路５４０１は、正極側検出部５２１から出力される検出信号のノイズを除去する処理回路として用いられる。

本発明の第２実施形態によれば、切替回路５４０２で構成される切替手段は、正極側電源部５３１から出力される交流信号Ｉ１と、正極側検出部５２１から出力される交流信号Ｖ１とを交互に切り替えて単極性変換回路４１０に入力する。そして切替手段は、単極性変換回路４１０から出力される単極性の交流信号を、信号乗算回路４２０及び信号抽出フィルタ４３０を介して演算部５５０に出力する。

これにより、同期検波回路５４０１を、検出信号Ｉ１に含まれる不要信号を除去する回路として用いることができるとともに、検出信号Ｖ１に含まれる不要信号を除去する回路としても兼用することができる。このため、インピーダンス測定装置５内に設けられる同期検波回路５４０１の数を削減することができる。

さらにひとつの同期検波回路５４０１を兼用することにより、第１実施形態のように同期検波回路を別々に設けた場合に比べて、同期検波回路ごとの固体差に伴う測定精度の低下を抑制することができる。このため、同期検波回路５４０１に求められる精度を緩和することができので、同期検波回路５４０１の製造コストを抑制することができる。

したがって、切替回路５４０２を用いて同期検波回路５４０１を兼用することにより、内部インピーダンスを測定する精度を維持向上させつつ、インピーダンス測定装置５を小型にするとともに製造コストを抑制することができる。

なお、本実施形態では、正極側電源部５３１の同期検波回路を正極側検出部５２１の同期検波回路により兼用する例について説明したが、負極側電源部５３２の同期検波回路を負極側検出部５２２の同期検波回路により兼用するようにしてもよい。この場合には、交流調整部５４０の負極側の構成は、図１２に示した正極側の構成と基本的に同一となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態におけるインピーダンス測定装置について説明する。なお、本実施形態のインピーダンス測定装置の構成については、図２に示したインピーダンス測定装置５の構成と基本的に同じであるため、同一符号を付して説明する。

本実施形態では、交流調整部５４０は、図５に示した双極性の交流信号を発生させる交流信号源５４６に代えて、単極性の交流信号を発生させる交流信号源を備えている。交流信号源５４６から出力される単極性の交流信号は、ゼロから予め定められた電圧値までの範囲で電圧値の半値を中心に信号が振幅する交流信号である。

このため、交流調整部５４０から正極側電源部５２１に出力される電流指令信号は、ゼロから電圧値Ｖｏまでの範囲で電圧値Ｖｏの半値を中心に変化する。

図１３は、本発明の第３実施形態における正極側電源部５３１の構成を示す図である。

正極側電源部５３１は、検出抵抗素子Ｒｓと双極性変換回路４４０とを含む。

検出抵抗素子Ｒｓは、交流電流Ｉ１に比例する電流指令信号の大きさを検出するための抵抗素子である。検出抵抗素子Ｒｓの一端は、図５に示した交流調整部５４０の正極側出力端子と接続され、検出抵抗素子Ｒｓの他端は双極性変換回路４４０の入力端に接続される。検出抵抗素子Ｒｓの両端に生じる検出電圧の振幅は、交流電流Ｉ１の振幅と比例する。

双極性変換回路４４０は、交流調整部５４０から出力された電流指令信号を、単極性の交流電圧から双極性の交流電流Ｉ１に変換する極性変換手段である。双極性変換回路４４０から出力される交流電流Ｉ１の振幅は、電流指令信号の振幅と比例する。例えば、電流指令信号の振幅が大きくなるほど、交流電流Ｉ１の振幅は大きくなる。

双極性変換回路４４０は、本実施形態ではトランスにより実現される。トランスは、１次コイルと２次コイルとにより構成される。

１次コイルの一端は、検出抵抗素子Ｒｓを介して交流調整部５４０の正極側出力端子と接続され、１次コイルの他端は接地される。

２次コイルの一端は、図３に示したコンデンサ５１１Ａと接続され、２次コイルの他端は接地される。

双極性変換回路４４０では、電流指令信号として単極性の交流電圧が１次コイルに供給されると、２次コイルには、トランスのインダクタンスＬ及び磁気結合係数に比例した双極性の交流電流Ｉ１が流れる。このため、双極性変換回路４４０からコンデンサ５１１Ａへ交流電流Ｉ１が出力される。

図１４は、双極性変換回路４４０によって変換される交流信号を示す図である。

双極性変換回路４４０によって、最小値がゼロとなる単極性の交流信号は、０Ｖを中心に正と負とに変化する双極性の交流信号に変換される。

このように本実施形態では、交流調整部５４０に単極性の交流信号を発生させる交流信号源５４６を設けるとともに、図４に示した電圧電流変換回路５３１１に代えて双極性変換回路４４０を正極側電源部５３１に設ける。

これにより、正極側電源部５３１を簡素にできるとともに、交流信号源５４６は、図５に示した交流信号源５４６とは異なり、両方の極性の電源を用いずに一方の極性の電源だけで済むので、交流信号源自体を簡素にできる。

また、１次コイルと２次コイルとは絶縁されていることから、検出抵抗素子Ｒｓをトランスの１次コイル側に配置することにより、負荷３から２次コイルへノイズが伝播されても、１次コイルには負荷３からのノイズが伝播されない。したがって、負荷３からのノイズに伴う交流電流Ｉ１の検出精度の低下を抑制することができる。なお、検出抵抗素子Ｒｓは、トランスの２次コイル側に配置されてもよい。この場合には、正極端子２１１に実際に入力される交流電流Ｉ１をより正確に検出することができる。

また、本実施形態では正極側電源部５３１に双極性変換回路４４０を設ける例について説明したが、負極側電源部５３２についても電流電圧変換回路に代えて双極性変換回路４４０を設けてもよい。これにより、負極側電源部５３２の構成を簡素にできる。

本発明の第３実施形態によれば、双極性変換回路４４０を含んで構成される極性変換手段は、例えば正極側直流遮断部５１１を含んで構成される直流遮断手段に入力される交流電流Ｉ１を、単極性の交流信号から双極性の交流信号に変換する。双極性変換回路４４０は、トランスにより構成され、トランスによって単極性の交流電圧Ｖｉ１を双極性の交流電流Ｉ１に変換する。

このように、極性変換手段は、正極側電源部５３１を含んで構成される電源手段により電圧電流変換（処理）される交流信号を単極性から双極性に変換する。これにより、双極性の交流電流Ｉ１が直流遮断部５１１に出力されるので、直流遮断部５１１を飽和させずに、電源手段から出力される交流電流Ｉ１と同じ波形の交流電流を正極端子２１１に出力することができる。

したがって、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２に双極性変換回路４４０としてトランスを用いることにより、インピーダンス測定装置５の測定精度を維持しつつ、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２の構成を簡素にできる。

また、第１乃至第３実施形態を組み合わせることによって、インピーダンス測定装置５内で処理される交流信号を単極性の交流信号に統一することができる。このため、信号乗算回路４２０や正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２に用いられる部品の数を減らすことができる。これにより、インピーダンス測定装置５を簡素にできるとともに製造コストを抑制できる。

このように上記実施形態によれば、単極性変換回路４１０及び双極性変換回路４４０は、図２に示したように、正極側直流遮断部５１１及び負極側直流遮断部５１２のうち少なくとも一方の直流遮断部と演算部５５０との間に接続される。これにより、インピーダンス測定装置５に用いられる部品を削減できるので、インピーダンス測定装置５を小型化かつ低コスト化できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

上記実施形態では、図４に示した同期検波回路５２１４が、検出信号の実軸成分を抽出するものとして説明したが、検出信号の実軸成分の二乗値と虚軸成分の二乗値との和の平方根を演算してベクトル値を求め、これを検出信号Ｖ１として出力するものであってもよい。なお、検出信号の虚軸成分は、交流電流Ｉ１と位相が直交する直交信号を検出信号に乗算して平滑化することにより得られる。ベクトル値を利用することにより、交流電位差Ｖ１又はＶ２の振幅が正確に求められるので、等電位制御を適切に実行することができる。

また、上記実施形態では演算部５５０が、燃料電池スタック１の内部抵抗を求める例について説明したが、演算部５５０は、燃料電池スタック１の内部抵抗に加えて、交流電位差Ｖ１及びＶ２の虚軸成分を求めて燃料電池スタック１が有する静電容量を算出するものであってもよい。

また、上記実施形態では、インピーダンス測定装置５により燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する例について説明したが、測定対象は、複数の電池セルが積層された積層電池であればよく、例えば積層型のリチウムイオンバッテリーであってもよい。

また、正極側及び負極側の内部抵抗が殆ど変動しないリチウムイオンバッテリーであれば、インピーダンス測定装置５の回路構成を簡略化してもよい。例えば、交流調整部５４０を省略して電源部５３１及び５３２からは、振幅と位相とが一致した交流電流Ｉ１及びＩ２を固定的に出力する。また検出部５２１及び５２２の一方を省略して他方の検出部（例えば正極側検出部５２１）のみで検出される交流電位差（例えば交流電位差Ｖ１）と、その交流電位差を生じさせる交流電流（例えば交流電流Ｉ１）とを用いて内部抵抗を演算する。このような回路構成であっても、上記実施形態と同じような効果を得ることができる。

また、本実施形態では、中途点端子２１３が燃料電池スタック１の中間に設けられ、交流調整部５４０によって交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅が同一の基準値Ｖｓとなるように交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅を制御する例について説明した。しかしながら、中途点端子２１３は、燃料電池スタック１の中間に位置する発電セル１０から外れた発電セル１０に設けられてもよい。この場合にも正極端子２１１に生じる交流電位Ｖａと、負極端子に生じる交流電位Ｖｂとが一致すればよいので、中途点端子２１３が設けられた発電セル１０の位置によって内部抵抗Ｒ１と内部抵抗Ｒ２との抵抗比を予め求め、その抵抗比に合わせて交流電位差Ｖ１及びＶ２の各振幅の基準値Ｖｓをそれぞれ設定すればよい。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

Claims (6)

1. 複数の電池セルが積層された積層電池の正極及び負極に対して交流電流を出力する電源手段と、
   前記正極と前記積層電池の中途点との間の交流電位差と、前記負極と前記中途点との間の交流電位差とのうち少なくとも一方の交流電位差を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出される交流電位差と、前記電源手段から出力される交流電流とに基づいて、前記積層電池のインピーダンスを演算する演算手段と、
   前記電源手段及び前記検出手段のうち少なくとも一方の手段により処理される交流信号を、双極性と単極性との間で変換する極性変換手段と、
   を含むことを特徴とするインピーダンス測定装置。
2. 請求項１に記載のインピーダンス測定装置であって、
   前記正極及び負極のうち少なくとも一方の電極から前記検出手段に出力される交流信号を通過させる直流遮断部と、
   前記交流電流と同一周波数を有する基準信号に基づいて、前記検出手段から出力される交流電位差を含む交流信号のうち、前記同一周波数の信号成分を抽出する抽出回路と、を含み、
   前記極性変換手段は、前記直流遮断部と前記抽出回路との間に接続され、前記直流遮断部から出力される交流信号を双極性から単極性に変換する単極性変換回路を含む、
   インピーダンス測定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のインピーダンス測定装置であって、
   前記正極と前記中途点との間の交流電位差、及び、前記負極と前記中途点との間の交流電位差が一致するように、前記電源手段から前記正極及び前記負極のうち少なくとも一方の電極に出力される交流電流を調整する調整手段と、
   前記電源手段から出力される交流電流を検出する電流検出手段と、
   前記交流電流と同一周波数を有する基準信号に基づいて、前記電流検出手段から出力される交流信号のうち、前記同一周波数の信号成分を抽出する抽出回路と、を含み、
   前記極性変換手段は、前記電流検出手段と前記抽出回路との間に接続され、前記電流検出手段から出力される双極性の交流信号を単極性の交流信号に変換する単極性変換回路を含む、
   インピーダンス測定装置。
4. 請求項２に記載のインピーダンス測定装置であって、
   前記電源手段から出力される交流電流を検出する電流検出手段と、
   前記検出手段から出力される交流信号と、前記電流検出手段から出力される交流信号とを交互に切り替えて前記単極性変換回路に入力し、前記単極性変換回路から出力される単極性の交流信号を、前記抽出回路を介して前記演算手段に出力する切替手段と、を含む、
   インピーダンス測定装置。
5. 請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載のインピーダンス測定装置であって、
   前記抽出回路は、
   前記単極性の交流信号が入力される非反転入力端子と、前記非反転入力端子と同じ前記単極性の交流信号が入力される反転入力端子と、を有するオペアンプと、
   前記交流電流と同一周波数を有する基準信号に基づいて、前記非反転入力端子と接地端子との間を接続又は遮断するトランジスタと、を含み、
   前記オペアンプは、前記トランジスタによって前記単極性の交流信号を整流する、
   インピーダンス測定装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか1項に記載のインピーダンス測定装置であって、
   前記電源手段から前記正極及び前記負極のうち少なくとも一方の電極に出力される交流信号を通過させる直流遮断部をさらに含み、
   前記極性変換手段は、前記直流遮断部に入力される交流信号を単極性から双極性に変換する双極性変換回路を含み、
   前記双極性変換回路は、トランスを有し、前記トランスによって双極性の交流電流を前記直流遮断部に出力する、
   インピーダンス測定装置。

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