JP4821187B2

JP4821187B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4821187B2
Application number: JP2005191363A
Authority: JP
Inventors: 晃太真鍋; 雅裕繁
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: CN100570940C; US8263275B2; US8241802B2; DE112006001720T5; CN101213695A; DE112006001720B4; US20090117427A1; US20110300461A1; JP2007012418A; WO2007004718A1

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、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

ところで、燃料電池を搭載した移動体（例えば車両）では、システム総合効率を最大化するため、燃料電池と２次電池（蓄電装置）がＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）を介して接続され、車両の要求パワーに応じて２次電池側から燃料電池側に電流を供給したり、逆に燃料電池側から２次電池側に充電したりする制御が行われる。また、本構成のシステムにおいては、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて前述の任意の正弦波信号を重畳することにより、インピーダンスの測定をすることが可能となる。

しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータの応答特性は常に良いわけでなく、応答特性の悪い領域も存在する（詳細は後述）。かかる条件ではインピーダンス測定用信号を十分に重畳することができないために、インピーダンス測定を十分に行うことができないという問題があった。

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、電圧変換装置の応答特性によらず、常に精度の高いインピーダンス測定が可能な燃料電池システム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、前記燃料電池の放電経路に介挿され、前記燃料電池と並列接続された蓄電器と、前記蓄電器と前記燃料電池との間に接続された電圧変換装置とを備えた燃料電池システムにおいて、交流インピーダンス法を用いて前記燃料電池のインピーダンスを測定する際に、前記電圧変換装置の出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、該電圧変換装置に出力する出力手段と、前記電圧変換装置通過後のインピーダンス測定用信号の振幅を測定する測定手段と、前記測定手段による測定結果に基づき前記電圧変換装置通過前のインピーダンス測定用信号の振幅を制御する制御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、電圧変換装置通過後のインピーダンス測定用信号の振幅値を測定し、該振幅値の測定結果に基づいて電圧変換装置通過前のインピーダンス測定用信号の振幅値を制御するため、電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の応答特性によらず、常に精度の高いインピーダンス測定が可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記制御手段は、前記測定手段によって測定された振幅値と、設定された目標振幅値との偏差を求め、求めた偏差に基づき前記インピーダンス測定用信号の振幅を制御するようにしても良い。

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の放電経路に介挿され、前記燃料電池と並列接続された蓄電器と、前記蓄電器と前記燃料電池との間に接続された電圧変換装置とを備えた燃料電池システムにおいて、交流インピーダンス法を用いて前記燃料電池のインピーダンスを測定する際に、前記電圧変換装置の出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、該電圧変換装置に出力する出力手段と、インピーダンス測定時の前記電圧変換装置の応答特性の状態を判断する判断手段と、前記判断手段によって判断された前記電圧変換装置の応答特性の状態に基づき前記インピーダンス測定用信号の振幅を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。

ここで、上記構成にあっては、前記電圧変換装置のリアクトル電流を測定する測定手段と、前記電圧変換装置のリアクトル電流から前記電圧変換装置の応答特性が安定状態にあるかを判断するための応答特性マップを記憶する第１記憶手段とをさらに備え、前記判断手段は、前記測定手段の測定結果と前記応答特性マップとを比較して前記応答特性の安定状態を判断し、前記制御手段は、前記電圧変換装置の応答特性が不安定状態にある場合のインピーダンス測定用信号の振幅が、前記電圧変換装置の応答特性が安定状態にある場合のインピーダンス測定用信号の振幅よりも大きくなるように制御する態様が好ましい。

また、前記応答特性が安定状態にある場合のインピーダンス測定用信号の振幅値と前記応答特性が不安定状態にある場合のインピーダンス測定用信号の振幅値とを記憶した第２記憶手段をさらに備え、前記制御手段は、前記電圧変換装置の状態に応じたインピーダンス測定用信号の振幅値を前記第２記憶手段から選択し、選択した振幅値に基づいて前記インピーダンス測定用信号の振幅を制御する態様がより好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の放電経路に介挿され、前記燃料電池と並列接続された蓄電器と、前記蓄電器と前記燃料電池との間に接続された電圧変換装置とを備えた燃料電池システムにおいて、交流インピーダンス法を用いて前記燃料電池のインピーダンスを測定する際に、前記電圧変換装置の出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、該電圧変換装置に出力する出力手段と、前記電圧変換装置の応答特性の状態を判断する判断手段とを備え、前記出力手段は、前記判断手段によって前記電圧変換装置の応答特性が安定状態にあると判断された場合に、前記電圧変換装置の出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、該電圧変換装置に出力することを特徴とする。

ここで、上記構成にあっては、前記電圧変換装置のリアクトル電流を測定する測定手段と、前記電圧変換装置のリアクトル電流から前記電圧変換装置の応答特性が安定状態にあるか不安定常態にあるかを判断するための応答特性マップを記憶する第１記憶手段とをさらに備え、前記判断手段は、前記測定手段の測定結果と前記応答特性マップとを比較して前記応答特性が安定状態にあるか不安定状態にあるかを判断する態様が好ましい。

また、前記判断手段によって前記応答特性が不安定状態にあると判断された場合、前記燃料電池から前記蓄電器に充電若しくは前記蓄電器から前記燃料電池に放電することにより、前記応答特性を不安定状態から安定状態に変化させる状態制御手段をさらに備える態様がより好ましい。

以上の構成において、「安定状態」とは、例えば電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ等）の電圧制御応答性が、スイッチング素子のデッドタイムによる影響を受けず、良好な状態をいう。また、「不安定状態」とは、例えば電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ等）の電圧制御応答性が、スイッチング素子のデッドタイムによる影響を受け、悪化する状態をいう。

以上説明したように、本発明によれば、電圧変換装置の応答特性によらず、常に精度の高いインピーダンス測定が可能となる。

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、船舶や飛行機など）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、同期モータ６１に供給される。同期モータ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、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同期モータ６１に出力する。また、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。

図２は、燃料電池４０の等価回路を示す図である。

図２に示すように、燃料電池４０は、セパレータ抵抗Ｒ１、ＭＥＡ抵抗Ｒ２、及び電極容量Ｃによってあらわされる。これら抵抗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、以下の如くインピーダンス測定を行うことで、燃料電池の内部特性を把握する。

図３は、交流インピーダンス法によるインピーダンス測定を説明するための図である。

図３に示すように、制御ユニット１０は、目標電圧決定部１１０、重畳信号生成部１２０、電圧指令信号生成部１３０、インピーダンス演算部１４０、重畳信号解析部１５０、重畳信号振幅制御部１６０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やＳＯＣセンサ２１などから入力される各センサ信号に基づいて出力目標電圧（例えば３００Ｖなど）を決定し、これを電圧指令信号生成部１３０に出力する。

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測定用信号（例えば振幅値２Ｖの特定周波数のサイン波など）を生成し、これを電圧指令信号生成部１３０に出力する。このインピーダンス測定用信号の振幅値は、重畳信号振幅制御部１６０によって適宜変更（例えば振幅値２Ｖ→４Ｖなど）される。なお、出力目標電圧やインピーダンス測定用信号の各パラメータ（波形の種類、周波数、振幅値）は、システム設計などに応じて適宜設定すれば良い。

電圧指令信号生成部（出力手段）１３０は、出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、電圧指令信号ＶｆｃｒとしてＤＣ／ＤＣコンバータ３０に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、与えられる電圧指令信号Ｖｆｃｒに基づき燃料電池３０等の電圧制御を行う。

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の電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆ及び電流センサ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。

重畳信号解析部（測定手段）１５０は、ＦＣ電圧若しくはＦＣ電流に重畳されているインピーダンス測定用信号（すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ通過後のインピーダンス測定用信号）を解析し、特定周波数のパワースペクトル（振幅値）とメモリ１５１に格納されている基準スペクトル（例えば２Ｖなど；基準振幅値）とを比較することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性を把握する。

前述したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０には応答特性の良い領域と悪い領域が存在し、応答性の良い領域では特定周波数の振幅値が基準振幅値以上となる一方、応答性の悪い領域では特定周波数の振幅値が基準振幅値を下回る。

重畳信号解析部１５０は、重畳信号の特定周波数の振幅値が基準振幅値以上であれば、重畳信号振幅制御部１６０に何も通知しない。一方、重畳信号解析部１５０は、特定周波数の振幅値が基準振幅値を下回ると、特定周波数の振幅値と基準振幅値との偏差（差分）Ａｐを求め、求めた偏差Ａｐを重畳信号振幅制御部１６０に通知する。

重畳信号振幅制御部（制御手段）１６０は、重畳信号解析部１５０から通知される偏差Ａｐに基づき、重畳信号生成部１２０において生成されるインピーダンス測定用信号（すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ通過前のインピーダンス測定用信号）の振幅値を制御する。例えば、インピーダンス測定用信号の振幅値が２Ｖに設定された状態において、重畳信号解析部１５０から２Ｖの偏差Ａｐが通知されると、重畳信号振幅制御部１６０は、特定周波数の振幅が基準振幅値を上回るように交流インピーダンス測定用の振幅値を２Ｖから４Ｖに変更する制御を行う。

このように、重畳信号解析部１５０による解析結果に基づいてインピーダンス測定用信号の振幅値を変更することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性によらず、常に精度の高いインピーダンス測定が可能となる。

Ｂ．第２実施形態
上述した第１実施形態では、インピーダンスの特定周波数の振幅値をモニタし、該振幅値と基準振幅値との偏差Ａｐに基づいてインピーダンス測定用信号の振幅を制御したが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のリアクトル電流（後述)と応答特性とを対応づけたマップ（以下、応答特性マップ）を作成・保持し、該応答特性マップを利用してインピーダンス測定用信号の振幅を制御しても良い。

図４は、第２実施形態に係る制御ユニット１０’の機能構成を示す図である。なお、図４に示す制御ユニット１０’のうち、図３に対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を割愛する。

状態検出部（判断手段）１７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のリアクトル電流ＩＬとメモリ（第１記憶手段）１７１に格納されている応答特性マップとを比較することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性の状態（安定状態にあるか不安定状態にあるか）を把握し、把握結果を重畳信号制御部１６０に通知する（詳細は後述）。

重畳信号制御部（制御手段）１６０は、状態検出部１７０から安定状態にある旨の通知を受けた場合には第１メモリ（第２記憶手段）１６１に格納されている第１振幅値ｆｒ１を選択し、インピーダンス測定用信号の振幅値が第１振幅値ｆｒ１となるように制御する。

一方、重畳信号制御部１６０は、状態検出部１７０から不安定状態にある旨の通知を受けた場合には第２メモリ（第２記憶手段）１６２に格納されている第１振幅値よりも大きな第２振幅値ｆｒ２（＞ｆｒ１）を選択し、インピーダンス測定用信号の振幅値が第２振幅値ｆｒ２となるように制御する。

このように、リアクトル電流ＩＬと応答特性マップからＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性の状態を把握し、かかる状態に基づいてインピーダンス測定用信号の振幅値を変更することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性によらず、常に精度の高いインピーダンス測定が可能となる。

以下、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性の各状態について詳細に説明する。

図５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の詳細な構成を示す回路図である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０の端子間に接続される第１のアームと、燃料電池４０の端子間に接続される第２のアームと、第１、第２のアーム間に接続されるリアクトルＬとを含むフルブリッジ・コンバータである。

第１のアームは、バッテリ２０の正極と負極との間に直列接続されるＩＧＢＴ素子ＴＲ１、ＴＲ２と、各ＩＧＢＴ素子ＴＲ１、ＴＲ２と並列に接続される各ダイオードＤ１、Ｄ２とを含む。

ＩＧＢＴ素子ＴＲ１のコレクタは、バッテリ２０の正極に接続され、エミッタはノードＮ１に接続される。ダイオードＤ１は、ノードＮ１からバッテリ２０の正極に向かう向きを順方向として接続される。

ＩＧＢＴ素子ＴＲ２のコレクタは、ノードＮ１に接続され、エミッタはバッテリ２０の負極に接続される。ダイオードＤ２は、バッテリ２０の負極からノードＮ１に向かう向きを順方向として接続される。

第２のアームは、燃料電池４０の正負電源端子間に直列接続されるＩＧＢＴ素子ＴＲ３、ＴＲ４と、ＩＧＢＴ素子ＴＲ３と並列に接続されるダイオードＤ３と、ＩＧＢＴ素子ＴＲ４と並列に接続されるダイオードＤ４とを含む。

ＩＧＢＴ素子ＴＲ３のコレクタは、燃料電池４０の正電源端子に接続され、エミッタはノードＮ２に接続される。ダイオードＤ３は、ノードＮ２から燃料電池４０の正電源端子に向かう向きを順方向として接続される。

ＩＧＢＴ素子ＴＲ４のコレクタは、ノードＮ２に接続され、エミッタは燃料電池４０の負電源端子に接続される。ダイオードＤ４は、燃料電池４０の負電源端子からノードＮ２に向かう向きを順方向として接続される。リアクトルＬは、ノードＮ１とノードＮ２との間に接続される。

かかる構成により、バッテリ２０側から燃料電池４０側に昇圧および降圧が可能となり、かつ燃料電池４０側からバッテリ２０側に昇圧および降圧が可能となる。

さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、ＤＣ−ＣＰＵ３１と、デッドタイム生成部３３と、リアクトルＬの電流（リアクトル電流）ＩＬを検出する電流センサ（測定手段）ＳＥとを含む。

ＤＣ−ＣＰＵ３１は、電圧指令値（電圧指令信号）Ｖｆｃｒおよび電流値ＩＬに応じてコンバータのスイッチングデューティー比の基準となる信号ＧＡＴＥＢＡを出力する。信号ＧＡＴＥＢＡは、ＤＣ−ＣＰＵ３１からデッドタイム生成部３３に伝達される。

デッドタイム生成部３３は、入力信号の立ち上がり又は立ち下がりを遅延させて相補な２つの出力信号の活性期間の間に２つの出力信号が双方とも不活性となるデッドタイムを設ける。ここで、同一のアームに属する２つのＩＧＢＴ素子が同時にオン状態になると入力電源が短絡され、大きな貫通電流が流れてしまう。このような短絡を防止するために設ける同一アームに属する２つのＩＧＢＴ素子がいずれもオフとなる期間をデッドタイムと呼ぶ。なお、ＤＣ-ＣＰＵ３１には、デッドタイムを補正するデッドタイム補正部３４が設けられている（詳細は後述）。

図６は、リアクトル電流ＩＬとＤＣ／ＤＣコンバータ３０の状態との関係を説明するための図である。なお、以下の説明では、バッテリ２０側から燃料電池４０側へ流れるリアクトル電流ＩＬの向きを正とする（図５に示す矢印参照）。

状態Ａは、スイッチングの１サイクルにおいてリアクトル電流ＩＬの最大値Ｉｍａｘが下記式（１）を満たす状態である。つまり、状態Ａは、燃料電池４０からバッテリ２０に充電が行われる状態である（バッテリ充電状態）。

Ｉｍａｘ＜Ｉａ１・・・（１）
Ｉａ１；充電閾値（＜０）
状態Ｂは、スイッチングの１サイクルにおいてリアクトル電流ＩＬの最大値Ｉｍａｘ、最小値Ｉｍｉｎがそれぞれ下記式（２）、（３）を満たす状態である。つまり、状態Ｂは、バッテリ２０に充電される電流とバッテリ２０から放電される電流とがほぼ拮抗している状態である（バッテリ出力均衡状態）。

Ｉｂ１＜Ｉｍｉｎ＜Ｉｂ２・・・（２）
Ｉｂ３＜Ｉｍａｘ＜Ｉｂ４・・・（３）
Ｉｂ１；第１均衡閾値（＜０）
Ｉｂ２；第２均衡閾値（＜０）
Ｉｂ３；第３均衡閾値（＞０）
Ｉｂ４；第４均衡閾値（＞０）
状態Ｃは、スイッチングの１サイクルにおいてリアクトル電流ＩＬの最小値Ｉｍｉｎが下記式（４）を満たす状態である。つまり、状態Ｃは、バッテリ２０から燃料電池４０に放電が行われる状態である（バッテリ放電状態）。

Ｉｃ１＜Ｉｍｉｎ・・・（４）
Ｉｃ１；放電閾値（＞０）
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性は、状態Ａ、状態Ｂ、状態Ｃのいずれかの状態であれば良い状態を保つが、各状態を遷移している間（すなわち、リアクトル電流ＩＬの最大値Ｉｍａｘ、最小値Ｉｍｉｎが上記式（１）〜（４）のいずれの関係も満たさない場合）は悪化してしまう。

そこで、本実施形態では、予め実験などによりリアクトル電流ＩＬと各状態との関係を求め、かかる対応関係を示す応答特性マップを作成し、メモリ１７１に格納しておく。状態検出部１７０は、電流センサＳＥによって検出されるリアクトル電流ＩＬと応答特性マップを比較することで、当該時点におけるＤＣ／ＤＣコンバータ３０の状態を把握し、重畳信号制御部１６０に通知する。なお、以下の説明では、状態Ａ、状態Ｂ、状態Ｃを「安定状態」と呼び、各安定状態を遷移している状態を「不安定状態」と呼ぶ。

＜状態Ａ；バッテリ充電状態＞
図７は、図６の状態Ａにおける基準信号ＧＡＴＥＢＡとリアクトル電流ＩＬの変化との関係を示した動作波形図である。

図７に示すように、時刻ｔ１に基準信号ＧＡＴＥＢＡが立ち下がると、時刻ｔ２にＩＧＢＴ素子ＴＲ１、ＴＲ４がオン状態からオフ状態に非活性化され、デッドタイムＴｂｔ１が経過した後の時刻ｔ３においてＩＧＢＴ素子ＴＲ２、ＴＲ３がオフ状態からオン状態に活性化される。

続いて、時刻ｔ４の基準信号ＧＡＴＥＢＡの立ち上がりに応じて時刻ｔ５においてＩＧＢＴ素子ＴＲ２、ＴＲ３がオン状態からオフ状態に非活性化され、デッドタイムＴｂｔ２が経過した後の時刻ｔ６においてＩＧＢＴ素子ＴＲ１、ＴＲ４がオフ状態からオン状態に活性化される。

ここで、ＩＧＢＴ素子ＴＲ１〜ＴＲ４には、それぞれダイオードＤ１〜Ｄ４が並列接続されている。従って、デッドタイムにおいてもダイオードの順方向には電流が流れうる。

状態Ａにおいては、リアクトル電流ＩＬが負すなわち図５のノードＮ２からノードＮ１に向けて流れている。従って、ＩＧＢＴ素子ＴＲ１〜ＴＲ４がすべてオフ状態であるデッドタイム時には、ダイオードＤ１、Ｄ４が導通し、時刻ｔ５〜ｔ９の間は１サイクルにおいてリアクトル電流ＩＬが増加し、１サイクル中リアクトル電流が減少する時間は時刻ｔ３〜ｔ５のＩＧＢＴ素子ＴＲ２、ＴＲ３が導通している時間のみとなる。従って、かりに基準信号ＧＡＴＥＢＡのデューティー比が５０％であるとすると、状態Ａでは次第にリアクトル電流ＩＬが増加していく傾向となる。

＜状態Ｂ；バッテリ出力均衡状態＞
図８は、図６の状態Ｂにおける基準信号ＧＡＴＥＢＡとリアクトル電流の変化との関係を示した動作波形図である。

図８の基準信号ＧＡＴＡＢＡとＩＧＢＴ素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオン／オフ状態については、図７の場合と同様であるので説明は割愛する。

状態Ｂにおいては、リアクトル電流ＩＬが正、すなわち図５のノードＮ１からノードＮ２に向けて流れている期間と、リアクトル電流ＩＬが負、すなわち図５のノードＮ１からノードＮ２に向けて流れている期間とが繰り返される。

この場合は、時刻ｔ３〜ｔ４のＩＧＢＴ素子ＴＲ２、ＴＲ３が導通している時間にデッドタイムＴｂｔ１を加えた時間、つまり時刻ｔ２〜ｔ５の間は１サイクルにおいてリアクトル電流ＩＬが減少し、時刻ｔ６〜ｔ８のＩＧＢＴ素子ＴＲ１、ＴＲ４が導通している時間にデッドタイムＴｂｔ２を加えた時間、つまり時刻ｔ５〜ｔ８の間は１サイクルにおいてリアクトル電流ＩＬが増加する。従って、かりに基準信号ＧＡＴＥＢＡのデューティー比が５０％であるとすると、状態Ｂではリアクトル電流ＩＬを現状維持する傾向となる。

＜状態Ｃ；バッテリ放電状態＞
図９は、図６の状態Ｃにおける基準信号ＧＡＴＥＢＡとリアクトル電流の変化との関係を示した動作波形図である。

図９の基準信号ＧＡＴＡＢＡとＩＧＢＴ素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオン／オフ状態については、図７の場合と同様であるので説明は割愛する。

状態Ｃにおいては、リアクトル電流ＩＬが正、すなわち図５のノードＮ１からノードＮ２に向けて流れる。従って、ＩＧＢＴ素子ＴＲ１〜ＴＲ４がすべてオフ状態であるデッドタイム時には、ダイオードＤ２、Ｄ３が導通する。

つまり時刻ｔ３〜ｔ４のＩＧＢＴ素子ＴＲ２、ＴＲ３が導通している時間にデッドタイムＴｂｔ１、Ｔｂｔ２を加えた時間、つまり時刻ｔ２〜ｔ８の間は１サイクルにおいてリアクトル電流ＩＬが減少し、１サイクル中リアクトル電流が増加する時間は時刻ｔ６〜ｔ８のＩＧＢＴ素子ＴＲ１、ＴＲ４が導通している時間のみとなる。

従って、かりに基準信号ＧＡＴＥＢＡのデューティー比が５０％であるとすると、状態Ｃでは次第にリアクトル電流ＩＬが減少していく傾向となる。

以上図７〜図１０を参照して説明したように、基準信号ＧＡＴＥＢＡのデューティー比と実際にリアクトル電流の増加減少が行われるデューティーとはリアクトルの電流状態で異なるため、精度良く制御を行うためには、リアクトルの電流状態に応じて基準信号ＧＡＴＥＢＡのデューティー比を補正する必要がある。

そこで、本実施形態では、ＤＣ−ＣＰＵ３１のデッドタイム補正部３４（図５参照）にてデッドタイムの補正を行う。デッドタイム補正部３４は、電流センサＳＥからリアクトル電流ＩＬの検出結果を受けとると、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が状態Ａ、Ｂ、Ｃ（安定状態）にあるか、あるいは各安定状態を遷移している状態（不安定状態）にあるかを判断する。デッドタイム補正部３４は、判断した状態に対応するデッドタイム分のデューティー比の補正値を選択する。具体的には、例えば状態Ａでは−３６Ｖ、状態Ｂでは５．４Ｖ、状態Ｃでは４２．８Ｖという電圧値を補正値として選択する一方、状態Ａから状態Ｂへ遷移する場合や状態Ｂから状態Ｃへ遷移する場合には補正値を徐々に切り換える制御を行う。このように選択された補正値は基準信号ＧＡＴＥＢＡに反映され、該補正値が反映された基準信号ＧＡＴＥＢＡがＤＣ−ＣＰＵ３１からデッドタイム生成部３３へ出力される。

このように、リアクトル電流ＩＬと応答特性マップからＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性の状態を把握し、かかる状態に基づいて交流インピーダンス測定用信号の振幅を制御することでＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性によらず、常に精度の高いインピーダンス測定が可能となる。

Ｃ．第３実施形態
上述した第２実施形態では、交流インピーダンス測定用信号の振幅を制御することでインピーダンス測定を行ったが、該振幅を制御する代わりにシステムの運転ポイントを変更し、変更した運転ポイントでインピーダンス測定を行っても良い。

図１０は、第３実施形態に係る制御ユニット１０’’の機能構成を示す図である。なお、図４に示す制御ユニット１０’と対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を割愛する。

目標電圧制御部（状態制御手段）１８０は、状態検出部１７０から通知されるＤＣ／ＤＣコンバータ３０の状態に基づいて、目標電圧決定部１１０において決定される出力目標電圧を制御する。詳述すると、目標電圧制御部１８０は、状態検出部１７０から安定状態にある旨の通知を受けた場合には何もしない。一方、目標電圧制御部１８０は、状態検出部１７０から不安定状態にある旨の通知を受けた場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性が不安定状態から安定状態に移行するように、出力目標電圧を増加（若しくは減少）する制御を行う。かかる制御が行われることで、システムの運転ポイントは変更され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性は不安定状態から安定状態に移行する。

このように、出力目標電圧を制御することでシステムの運転ポイントを変更し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の応答特性が安定状態にある場合にインピーダンス測定を行うようにしても良い。

なお、本発明の燃料電池システムは、図１に示すような、燃料電池４０の出力端にＤＣ／ＤＣコンバータ３０とインバータ６０とが接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力端にバッテリ２０が接続された構成に限定されるものではない。例えば、燃料電池４０の出力端にＤＣ／ＤＣコンバータ３０が接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力端にインバータ６０とバッテリ２０とが接続された構成でもよい。

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。同実施形態に係る燃料電池の等価回路図である。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ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。同実施形態に係るリアクトル電流とＤＣ／ＤＣコンバータの関係を示す図である。同実施形態に係る状態Ａにおける基準信号とリアクトル電流の関係を示す図である。同実施形態に係る状態Ｂにおける基準信号とリアクトル電流の関係を示す図である。同実施形態に係る状態Ｃにおける基準信号とリアクトル電流の関係を示す図である。第３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。

符号の説明

１０、１０’、１０’’・・・制御ユニット、２０・・・バッテリ、３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、３１・・・ＤＣ−ＣＰＵ、３３・・・デッドタイム生成部、３４・・・デッドタイム補正部、４０・・・燃料電池、５０・・・車両補機、６０・・・インバータ、６１・・・モータ、１１０・・・目標電圧決定部、１２０・・・重畳信号生成部、１３０・・・電圧指令信号生成部、１４０・・・インピーダンス演算部、１４１・・・電圧センサ、１４２・・・電流センサ、１５０・・・重畳信号解析部、１５１・・・基準振幅値、１６０・・・重畳信号振幅制御部、１６１、１６２、１７１・・・メモリ、１７０・・・状態検出部、１８０・・・目標電圧制御部。

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池の放電経路に介挿され、前記燃料電池と並列接続された蓄電器と、
前記蓄電器と前記燃料電池との間に接続された電圧変換装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
交流インピーダンス法を用いて前記燃料電池のインピーダンスを測定する際に、前記電圧変換装置の出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、該電圧変換装置に出力する出力手段と、
前記電圧変換装置通過後のインピーダンス測定用信号の振幅を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果に基づき前記電圧変換装置通過前のインピーダンス測定用信号の振幅を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、前記測定手段によって測定された振幅値と、設定された目標振幅値との偏差を求め、求めた偏差に基づき前記電圧変換装置通過前のインピーダンス測定用信号の振幅を制御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。
燃料電池と、
前記燃料電池の放電経路に介挿され、前記燃料電池と並列接続された蓄電器と、
前記蓄電器と前記燃料電池との間に接続された電圧変換装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
交流インピーダンス法を用いて前記燃料電池のインピーダンスを測定する際に、前記電圧変換装置の出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、該電圧変換装置に出力する出力手段と、
インピーダンス測定時の前記電圧変換装置の応答特性の状態を判断する判断手段と、
前記判断手段によって判断された前記電圧変換装置の応答特性の状態に基づき前記インピーダンス測定用信号の振幅を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
前記電圧変換装置のリアクトル電流を測定する測定手段と、前記電圧変換装置のリアクトル電流から前記電圧変換装置の応答特性が安定状態にあるかを判断するための応答特性マップを記憶する第１記憶手段とをさらに備え、
前記判断手段は、前記測定手段の測定結果と前記応答特性マップとを比較して前記応答特性の安定状態を判断し、
前記制御手段は、前記電圧変換装置の応答特性が不安定状態にある場合のインピーダンス測定用信号の振幅が、前記電圧変換装置の応答特性が安定状態にある場合のインピーダンス測定用信号の振幅よりも大きくなるように制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記応答特性が安定状態にある場合のインピーダンス測定用信号の振幅値と前記応答特性が不安定状態にある場合のインピーダンス測定用信号の振幅値とを記憶した第２記憶手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記電圧変換装置の状態に応じたインピーダンス測定用信号の振幅値を前記第２記憶手段から選択し、選択した振幅値に基づいて前記インピーダンス測定用信号の振幅を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
燃料電池と、
前記燃料電池の放電経路に介挿され、前記燃料電池と並列接続された蓄電器と、
前記蓄電器と前記燃料電池との間に接続された電圧変換装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
交流インピーダンス法を用いて前記燃料電池のインピーダンスを測定する際に、前記電圧変換装置の出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、該電圧変換装置に出力する出力手段と、
前記電圧変換装置の応答特性の状態を判断する判断手段とを備え、
前記出力手段は、前記判断手段によって前記電圧変換装置の応答特性が安定状態にあると判断された場合に、前記電圧変換装置の出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、該電圧変換装置に出力することを特徴とする燃料電池システム。
前記電圧変換装置のリアクトル電流を測定する測定手段と、前記電圧変換装置のリアクトル電流から前記電圧変換装置の応答特性が安定状態にあるか不安定常態にあるかを判断するための応答特性マップを記憶する第１記憶手段とをさらに備え、
前記判断手段は、前記測定手段の測定結果と前記応答特性マップとを比較して前記応答特性が安定状態にあるか不安定状態にあるかを判断することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
前記判断手段によって前記応答特性が不安定状態にあると判断された場合、前記燃料電池から前記蓄電器に充電若しくは前記蓄電器から前記燃料電池に放電することにより、前記応答特性を不安定状態から安定状態に変化させる状態制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。