JP5062518B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池スタックの出力電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを用いて燃料電池スタックの交流インピーダンスを計測する燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、燃料ガス及び酸化ガスを膜−電極接合体に供給することにより電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するためのエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電源としての用途が期待されている。

燃料電池スタックの運転状態を最適に制御するための指標の一つとして、燃料電池スタックの交流インピーダンスが用いられている。この交流インピーダンスの値は、電解質膜の湿潤状態と相関関係を有しているので、交流インピーダンスの値を計測することで、電解質膜の湿潤状態を検出できる。電解質膜が水分過剰や水分不足の状態にあると、フラッディング現象やドライアウト現象により、燃料電池スタックの出力低下を招くので、電池運転を最適に制御するためには、電解質膜の湿潤状態を最適に維持する必要がある。特開２００５−３３２７０２号公報には、燃料電池スタックに接続するＤＣ／ＤＣコンバータを用いて燃料電池スタックに交流信号を印加し、その周波数を変化させながら電圧応答を検出することで、交流インピーダンスを計測する方法が提案されている。
特開２００５−３３２７０２号公報

しかし、燃料電池スタックの出力電圧を、スイッチング素子によるスイッチング動作によって昇降圧制御するＤＣ／ＤＣコンバータには、通過パワーの値によってデットタイム補正値が大きく変動する動作範囲が存在する。デッドタイム補正値が大きく変動する動作範囲（以下、便宜上、応答性能低下領域と称する。）では、ＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能が低下することが知られている。このような応答性能低下領域で燃料電池スタックの交流インピーダンスを計測すると、ＤＣ／ＤＣコンバータによる燃料電池スタックへの高周波信号の重畳精度が低下するので、インピーダンス計測精度が著しく低下してしまうという不都合が生じる。

そこで、本発明は、上述の問題を解決し、燃料電池スタックの交流インピーダンスを精度よく計測できる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックの出力電圧を昇降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータを備える燃料電池システムであって、ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動して燃料電池スタックに交流信号を印加する交流信号印加手段と、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあるか否かを判別し、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが所定範囲外にあるときには、燃料電池スタックに交流信号を印加したときのセルの応答電圧を検出することによりセルの交流インピーダンスを計測する一方、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが所定範囲にあるときには、セルの交流インピーダンスの計測を禁止する交流インピーダンス計測手段と、を備える。

ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあるときには、ＤＣ／ＤＣコンバータによる燃料電池スタックへの交流信号の重畳精度が低下するので、交流インピーダンスの計測を禁止するのが好ましい。

本発明の他の側面に係わる燃料電池システムにおいては、ＤＣ／ＤＣコンバータは、多相コンバータである。交流インピーダンス計測手段は、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあるときに、交流インピーダンス計測要求があるときには、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動相数を切り換えてセルの交流インピーダンスを計測する。

ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあり、交流インピーダンスの計測精度が低下する場合には、交流インピーダンス計測を禁止し、ＤＣ／ＤＣコンバータの相切り替えを実施して、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲から外れるようにすることで、交流インピーダンスの計測精度を高めることができる。

本発明の更に他の側面に係わる燃料電池システムにおいては、交流インピーダンス計測手段は、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあるときに、交流インピーダンス計測要求があるときには、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲から外れるように、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーをシフトさせてセルの交流インピーダンスを計測する。

ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあり、交流インピーダンスの計測精度が低下する場合には、交流インピーダンス計測を禁止し、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーをシフトさせて、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲から外れるようにすることで、交流インピーダンスの計測精度を高めることができる。

本発明の更に他の側面に係わる燃料電池システムにおいては、交流インピーダンス計測手段は、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあるときに、交流インピーダンス計測要求があるときには、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲から外れるようにＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を制御する制御信号のキャリア周波数を変更してセルの交流インピーダンスを計測する。

ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあるときに、交流インピーダンス計測要求があるときには、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を制御する制御信号のキャリア周波数を変更して、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーがＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲から外れるようにすることで、交流インピーダンスの計測精度を高めることができる。

本発明によれば、燃料電池スタックの交流インピーダンスを精度よく計測することができる。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０の主要構成を示している。燃料電池システム１０は、燃料電池車両の電力供給系統に搭載される車載電源システムである。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、ＦＣ補機２１、セル電圧検出器２２、トラクションインバータ３０、トラクションモータ４０、二次電池５０、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０、車両補機７０、コントローラ８０、及びセンサ類９０を備えている。

燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質を挟んで一対の電極（アノード極、カソード極）を配置してなる複数のセルを直列に接続してなるスタック構造を有する発電装置である。触媒反応によりアノード極で発生した水素イオンは、固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極において酸化ガスと電気化学反応を起こして発電する。

ＦＣ補機２１は、燃料電池スタック２０のアノード極に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統（水素貯蔵タンク、水素遮断弁、水素供給圧調整レギュレータなど）と、燃料電池２０スタックのカソード極に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統（エアコンプレッサなど）と、その他の補機類（燃料ガス及び酸化ガスを加湿するための加湿モジュール、燃料電池冷却装置など）を備える。

燃料電池２０スタックは、ＦＣ補機２１から燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けることにより、電気化学反応を利用して電気エネルギーを出力する。

トラクションモータ４０は、走行推進力を得るための電動モータであり、例えば、三相同期モータから構成されている。

トラクションインバータ３０は、例えば、６個のパワートランジスタにより構成される３相ブリッジ回路を備えており、燃料電池スタック２０又は二次電池５０から供給される直流電力をパワートランジスタのスイッチング動作によって交流電力（三相交流）に変換し、トラクションモータ４０に供給する。コントローラ８０は、トラクションインバータ３０の電力変換動作を制御する機能を有しており、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ３０に出力し、トラクションモータ４０の出力トルク及び回転数を制御する。

二次電池５０は、電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。二次電池５０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等が好適である。

尚、二次電池５０に替えて、キャパシタ（電気二重層コンデンサ、電解コンデンサなど）の蓄電装置をＤＣ／ＤＣコンバータ６０の１次側に接続してもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池スタック２０又は二次電池５０の出力電圧を昇圧降圧制御するための電圧変換手段である。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、入力電圧（直流電圧）を交流電圧に変換するインバータ類似の回路と、その交流を整流して出力電圧（直流電圧）に変換する回路とが組み合わされた多相コンバータの回路構成を有している。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、１２個のＩＧＢＴ素子Ｔｒ１〜Ｔｒ１２と、１２個のダイオード素子Ｄ１〜Ｄ１２と、３個のリアクトルＬ１〜Ｌ３と、２個の平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２とから成る三相フルブリッジコンバータの回路構成を有している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが低いときには、三相運転よりも単相運転の方がスイッチング損失は少ないので、単相運転が実施される。単相運転のときには、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１，Ｔｒ１０のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ４，Ｔｒ７のペアが動作する。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが高いときには、単相運転よりも三相運転の方がスイッチング損失は少ないので、三相運転が実施される。三相運転のときには、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１，Ｔｒ１０のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ４，Ｔｒ７のペアと、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ２，Ｔｒ１１のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ５，Ｔｒ８のペアと、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ３，Ｔｒ１２のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ６，Ｔｒ９のペアとがそれぞれ１２０度の位相差で動作する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の一次側には、二次電池５０が接続される一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の二次側には、燃料電池スタック２０、トラクションインバータ３０、及び車両補機７０がそれぞれ並列に接続される。

例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、二次電池５０の出力電圧を昇降圧することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池車両がトラクションモータ４０により力行走行するときには、二次電池５０の出力電圧を昇圧してトラクションインバータ３０に直流電力を供給する一方、燃料電池車両がトラクションモータ４０により回生制動するときには、回生した直流電圧を降圧して二次電池５０を充電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池スタック２０の余剰発電力を蓄電するために、燃料電池スタック２０の出力電圧を降圧して二次電池５０を充電する機能も有する。

車両補機７０は、例えば、酸化ガスを加圧するためのコンプレッサモータ、加湿モジュールに純水を供給するためのポンプ駆動モータ、燃料電池スタック２０を冷却するための冷却水ポンプ駆動モータ、ラジエータファンモータなどの各種補機類である。

コントローラ８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ）、入出力インタフェース等を備える制御手段である。コントローラ８０は、センサ類９０から出力される各種信号等を基に、燃料電池車両を制御する。センサ類９０として、例えば、イグニッションスイッチ９１、車速センサ９２、アクセルセンサ９３などがある。

例えば、コントローラ８０は、イグニッションスイッチ９１から出力される起動信号を受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサ９３から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ９２から出力される車速信号などを基にシステム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、例えば、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ８０は、燃料電池スタック２０と二次電池５０の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するようにＦＣ補機２１を制御して、燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ８０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ３０に出力し、トラクションモータ４０の出力トルク、及び回転数を制御する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを計測する目的で、燃料電池スタック２０に交流信号を印加する交流信号印加手段として機能することもできる。セル電圧検出器２２は、燃料電池スタック２０に交流信号が印加されたときの各セルの応答電圧を計測する。コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御し、燃料電池スタック２０に印加される交流信号の周波数を変化させながら、各セルの応答電圧の変化をセル電圧検出器２２によって検出し、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを算出する。

燃料電池スタック２０に交流信号を印加したときの燃料電池スタック２０の応答電圧をＥ、応答電流をＩ、交流インピーダンスをＺとすると、以下の関係式が成立することが知られている。
Ｅ＝Ｅ₀ｅｘｐｊ（ωｔ＋Φ）
Ｉ＝Ｉ₀ｅｘｐｊωｔ
Ｚ＝Ｅ／Ｉ＝（Ｅ₀／Ｉ₀）ｅｘｐｊΦ＝Ｒ＋ｊχ
ここで、Ｅ₀は応答電圧の振幅を示し、Ｉ₀は応答電流の振幅を示す。ωは角周波数を示し、Φは初期位相を示す。Ｒは抵抗成分（実数部分）を示し、χはリアクタンス成分（虚数部分）を示す。ｊは虚数単位を示し、ｔは時間を示す。

図２はＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーとデッドタイム補正値との関係を示すグラフである。実線は三相運転のときのグラフを示し、点線は単相運転のときのグラフを示す。三相運転では、−５ｋＷ付近（例えば−５ｋＷ±２ｋＷ）の動作範囲と、５ｋＷ付近（例えば５ｋＷ±２ｋＷ）の動作範囲とにおいて、デッドタイム補正値が大きく変動するので、これら二つの動作範囲はそれぞれ応答性能低下領域である。一方、単相運転では、−２．５ｋＷ付近（例えば−２．５ｋＷ±２ｋＷ）の動作範囲と、２．５ｋＷ付近（例えば２．５ｋＷ±２ｋＷ）の動作範囲とにおいて、デッドタイム補正値が大きく変動するので、これら二つの動作範囲はそれぞれ応答性能低下領域である。

尚、デッドタイムとは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０内の上アーム側のＩＧＢＴ素子と下アーム側のＩＧＢＴ素子との間（例えば、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１とＩＧＢＴ素子Ｔｒ７との間）に短絡電流が流れないように設定された短絡防止期間である。

次に、図３を参照しながら燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを計測するための第一の方法について説明する。この第一の方法では、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御することにより、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを一定周期間隔で計測し、交流インピーダンスの値を定期的に更新することを前提とする。

コントローラ８０は、交流インピーダンスの値が定期的に更新されているか否かをチェックする（ステップ３０１）。

交流インピーダンスの値が定期的に更新されている場合には（ステップ３０１；ＹＥＳ）、交流インピーダンスの計測が正常に行われていることを示しているので、本処理ルーチンを抜けて終了する。

一方、交流インピーダンスの値が一定時間以上更新されていない場合には（ステップ３０１；ＮＯ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあるために、交流インピーダンスの計測が正常に行われていない可能性がある。

そこで、このような場合には、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあるときの交流インピーダンス計測を禁止し、相切り替えの指令をＤＣ／ＤＣコンバータ６０に出力する（ステップ３０２）。例えば、単相運転をしているＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が−２．５ｋＷ付近にある場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の運転方式を単相運転から三相運転に切り換えることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点を応答性能低下領域から外すことができる。また例えば、三相運転をしているＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が−５ｋＷ付近にある場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の運転方式を三相運転から単相運転に切り換えることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点を応答性能低下領域から外すことができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の相切り替えが完了したならば、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御して燃料電池スタック２０に交流信号を印加し、そのときのセル電圧検出器２２のセンサ出力を基に、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを算出する（ステップ３０３）。

交流インピーダンスの計測完了後、コントローラ８０は、当初の運転方式に復帰させるための相切り替えの指令をＤＣ／ＤＣコンバータ６０に出力する（ステップ３０４）。例えば、単相運転をしているＤＣ／ＤＣコンバータ６０の運転方式を、交流インピーダンス計測期間だけ三相運転に切り換えたならば、交流インピーダンス計測完了後は、当初の単相運転に復帰させるための指令を出力する。また例えば、三相運転をしているＤＣ／ＤＣコンバータ６０の運転方式を、交流インピーダンス計測期間だけ単相運転に切り換えたならば、交流インピーダンス計測完了後は、当初の三相運転に復帰させるための指令を出力する。

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあり、交流インピーダンスの計測精度が低下する場合には、応答性能低下領域での交流インピーダンス計測を禁止し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の相切り替えを実施して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点を応答性能低下領域から外すことで、交流インピーダンスの計測精度を高めることができる。

尚、コントローラ８０及びセル電圧検出器２２は、交流インピーダンス計測手段（ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域外にあるときには、燃料電池スタック２０に交流信号を印加したときのセルの応答電圧を検出することにより、セルの交流インピーダンスを計測する一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあるときには、セルの交流インピーダンスの計測を禁止し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動相数を切り換えてセルの交流インピーダンスを計測する手段）として機能する。

次に、図４を参照しながら燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを計測するための第二の方法について説明する。この第二の方法では、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御することにより、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを一定周期間隔で計測し、交流インピーダンスの値を定期的に更新することを前提とする。

コントローラ８０は、交流インピーダンスの値が定期的に更新されているか否かをチェックする（ステップ４０１）。

交流インピーダンスの値が一定時間以上更新されていない場合には（ステップ４０１；ＮＯ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあるために、交流インピーダンスの計測が正常に行われていない可能性がある。

そこで、このような場合には、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあるときの交流インピーダンス計測を禁止し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点を応答性能低下領域から外すためのパワーシフト量を算出する（ステップ４０２）。動作点を応答性能低下領域から外すためのパワーシフト量としては、動作点を応答性能低下領域から外すために最低限必要な正方向のパワーシフト量と、負方向のパワーシフト量のうち何れか小さい方を目標値として、正方向又は負方向にパワーシフトすればよい。

例えば、三相運転をしているＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が６ｋＷである場合を考察する。三相運転では、５ｋＷ±２ｋＷの動作範囲が応答性能低下領域であるため、動作点を応答性能低下領域から外すには、正方向に１ｋＷ以上のパワーシフト、又は負方向に３ｋＷ以上のパワーシフトが必要である。正方向に１ｋＷのパワーシフトを実施する方が負方向に３ｋＷのパワーシフトを実施するよりもパワーシフト量が少なくてすむので、正方向に１ｋＷ以上のパワーシフトを実施するのが好ましい。

一方、交流インピーダンスの値が定期的に更新されている場合には（ステップ４０１；ＹＥＳ）、交流インピーダンスの計測が正常に行われていることを示しているので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点は、応答性能低下領域以外の動作範囲にあることが推定できる。このような場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点をシフトする必要がないので、パワーシフト量を０に設定する（ステップ４０３）。

コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０にパワーシフト指令を出力し、ステップ４０２又はステップ４０３で設定されたパワーシフト量の分だけ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーをシフトさせる（ステップ４０４）。このとき、正方向にパワーシフトする場合は、余剰電力を二次電池５０に蓄電したり、車両補機７０で消費したり、或いは熱エネルギーに変換して大気に放出すればよい。負方向にパワーシフトする場合は、不足電力を二次電池５０から補充すればよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０のパワーシフトが完了したならば、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御して燃料電池スタック２０に交流信号を印加し、そのときのセル電圧検出器２２のセンサ出力を基に、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを算出する（ステップ４０５）。

交流インピーダンスの計測完了後、コントローラ８０は、当初の通過パワーに復帰させるためのパワーシフト指令をＤＣ／ＤＣコンバータ６０に出力する（ステップ４０６）。例えば、６ｋＷの動作点で三相運転しているＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点を、交流インピーダンス計測期間だけ正方向に１ｋＷパワーシフトしたならば、交流インピーダンス計測完了後は、当初の動作点に復帰させるために、負方向への１ｋＷのパワーシフト指令を出力する。

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあり、交流インピーダンスの計測精度が低下する場合には、応答性能低下領域での交流インピーダンス計測を禁止し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点をパワーシフトさせて、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点を応答性能低下領域から外すことで、交流インピーダンスの計測精度を高めることができる。

尚、コントローラ８０及びセル電圧検出器２２は、交流インピーダンス計測手段（ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域外にあるときには、燃料電池スタック２０に交流信号を印加したときのセルの応答電圧を検出することにより、セルの交流インピーダンスを計測する一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあるときには、セルの交流インピーダンスの計測を禁止し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域から外れるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーをシフトさせて、セルの交流インピーダンスを計測する手段）として機能する。

図５はＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーとデッドタイム補正値との関係を示すグラフである。実線はキャリア周波数ｆ_Nの制御信号でＤＣ／ＤＣコンバータ６０をスイッチング制御するときのグラフを示しており、通過パワーが＋Ｐ２付近の動作範囲と、−Ｐ２付近の動作範囲とにおいて、デッドタイム補正値が大きく変動する応答性能低下領域が見られる。点線はキャリア周波数ｆ_Mの制御信号でＤＣ／ＤＣコンバータ６０をスイッチング制御するときのグラフを示しており、通過パワーが＋Ｐ１付近の動作範囲と、−Ｐ１付近の動作範囲とにおいて、デッドタイム補正値が大きく変動する応答性能低下領域が見られる。このグラフによれば、応答性能低下領域の位置は、キャリア周波数によって異なることが理解できる。その理由は、デッドタイムの値は、キャリア周期とは無関係に一定値であるため、キャリア周波数が変わると、キャリア周期に占めるデッドタイムの割合が変わることになり、その割合の変化に応じてデッドタイム補正値も変わるためである。

図６はＤＣ／ＤＣコンバータ６０内のＩＧＢＴ素子Ｔｒ１〜Ｔｒ１２をスイッチング制御するための制御信号と、リアクトルＬ１〜Ｌ３を流れるリップル電流との関係を示す。説明の便宜上、単相運転の場合を例に説明すると、時間Ｔｎは、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１，Ｔｒ１０がオンする時間を示し、時間Ｔｐは、ＴＧＢＴ素子Ｔｒ４，Ｔｒ７がオンする時間を示す。キャリア周期は、Ｔｎ＋Ｔｐに等しい。リップル電流の極大値をＩｎ，極小値をＩｐとすると、リップル電流幅はＩｎ−Ｉｐに等しい。ＺＰは、リップル電流がゼロクロスするポイント（以下、ゼロクロスポイントと称する。）を示す。

ゼロクロスポイントＺＰが存在すると、リップル電流の向き（符号）が頻繁に反転するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の電圧制御性能が著しく低下する。そのため、ゼロクロスポイントＺＰは、デッドタイム補正値が大きく変動する領域、即ち、応答性能低下領域として現れる。一方、極大値Ｉｎが負の値である場合や、又は極小値Ｉｐが正の値である場合には、ゼロクロスポイントＺＰは存在しないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の電圧制御性能は良好である。更に、ゼロクロスポイントＺＰがリップル電流幅の中央にある場合には、ゼロクロスポイントＺＰに対してリップル電流の符号は対称的に反転するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の電圧制御性能は良好である。

同図に示すように、キャリア周波数を高くすると、時間Ｔｎ，Ｔｐは短くなるので、リップル電流幅は短くなることが理解できる。これとは反対に、キャリア周波数を低くすると、時間Ｔｎ，Ｔｐは長くなるので、リップル電流幅は長くなる。リップル電流幅を変化させると、リップル電流がゼロクロスするポイントも変化するので、キャリア周波数を変更することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点を応答性能低下領域から外すことができる。

次に、図７を参照しながら燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを計測するための第三の方法について説明する。この第三の方法では、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御することにより、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを一定周期間隔で計測し、交流インピーダンスの値を定期的に更新することを前提とする。

コントローラ８０は、交流インピーダンスの値が定期的に更新されているか否かをチェックする（ステップ７０１）。

交流インピーダンスの値が定期的に更新されている場合には（ステップ７０１；ＹＥＳ）、交流インピーダンスの計測が正常に行われていることを示しているので、本処理ルーチンを抜けて終了する。

一方、交流インピーダンスの値が一定時間以上更新されていない場合には（ステップ７０１；ＮＯ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあるために、交流インピーダンスの計測が正常に行われていない可能性がある。

そこで、このような場合には、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあるときの交流インピーダンス計測を禁止し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域から外れるようにキャリア周波数を変更するための指令をＤＣ／ＤＣコンバータ６０に出力する（ステップ７０２）。

キャリア周波数の切り替えが完了したならば、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御して燃料電池スタック２０に交流信号を印加し、そのときのセル電圧検出器２２のセンサ出力を基に、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを算出する（ステップ７０３）。

交流インピーダンスの計測完了後、コントローラ８０は、当初のキャリア周波数に復帰させるための指令をＤＣ／ＤＣコンバータ６０に出力する（ステップ７０４）。例えば、交流インピーダンスを計測する期間だけキャリア周波数をｆ_Nからｆ_Mに一時的に変更したならば、交流インピーダンス計測完了後は、当初のキャリア周波数ｆ_Nに復帰させるための指令をＤＣ／ＤＣコンバータ６０に出力する。

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあり、交流インピーダンスの計測精度が低下する場合には、応答性能低下領域での交流インピーダンス計測を禁止し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０のスイッチング動作を制御する制御信号のキャリア周波数を変更することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点を応答性能低下領域から外すことで、交流インピーダンスの計測精度を高めることができる。

尚、コントローラ８０及びセル電圧検出器２２は、交流インピーダンス計測手段（ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域外にあるときには、燃料電池スタック２０に交流信号を印加したときのセルの応答電圧を検出することにより、セルの交流インピーダンスを計測する一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域にあるときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作点が応答性能低下領域から外れるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６０のスイッチング動作を制御する制御信号のキャリア周波数を変更してセルの交流インピーダンスを計測する手段）として機能する。

本実施形態に係わる燃料電池システムの主要構成図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーとデッドタイム補正値との関係を示すグラフである。 交流インピーダンスを計測するための第一の方法を示すフローチャートである。 交流インピーダンスを計測するための第二の方法を示すフローチャートである。 ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーとデッドタイム補正値との関係を示すグラフである。 ＤＣ／ＤＣコンバータをスイッチング制御するための制御信号と、リアクトルを流れるリップル電流との関係を示す説明図である。 交流インピーダンスを計測するための第三の方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池スタック ２１…ＦＣ補機 ２２…セル電圧検出器 ３０…トラクションインバータ ４０…トラクションモータ ５０…二次電池 ６０…ＤＣ／ＤＣコンバータ ７０…車両補機 ８０…コントローラ

Claims (5)

1. 複数のセルを積層してなる燃料電池スタックの出力電圧を昇降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータを備える燃料電池システムであって、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動して前記燃料電池スタックに交流信号を印加する交流信号印加手段と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが前記ＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあるか否かを判別し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが前記所定範囲外にあるときには、前記燃料電池スタックに交流信号を印加したときの前記セルの応答電圧を検出することにより前記セルの交流インピーダンスを計測する一方、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが前記所定範囲にあるときには、前記セルの交流インピーダンスの計測を禁止する交流インピーダンス計測手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、多相コンバータであり、
   前記交流インピーダンス計測手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが前記ＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあるときに、交流インピーダンス計測要求があるときには、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動相数を切り換えて前記セルの交流インピーダンスを計測する、燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記交流インピーダンス計測手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが前記ＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあるときに、交流インピーダンス計測要求があるときには、前記通過パワーが前記所定範囲から外れるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーをシフトさせて前記セルの交流インピーダンスを計測する、燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記交流インピーダンス計測手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが前記ＤＣ／ＤＣコンバータの応答性能低下を招く所定範囲にあるときに、交流インピーダンス計測要求があるときには、前記通過パワーが前記所定範囲から外れるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を制御する制御信号のキャリア周波数を変更して前記セルの交流インピーダンスを計測する、燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記交流インピーダンス計測手段は、計測された交流インピーダンスの値が定期的に更新されているか否かをチェックし、前記計測された交流インピーダンスの値が定期的に更新されている場合には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが前記所定範囲から外れていると判別する一方、前記計測された交流インピーダンスの値が一定時間以上更新されていない場合には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの通過パワーが前記所定範囲にあると判別する、燃料電池システム。

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