JP5864277B2 - インピーダンス計測方法、燃料電池システム、およびインピーダンス計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のインピーダンス計測方法、燃料電池システム、およびインピーダンス計測装置に関する。

近年、環境対策、および化石燃料消費量低減のために燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ：Fuel Cell Electric Vehicle、）が注目をあびている。
燃料電池電気自動車（以下「車両」または「燃料電池車両」という）においては、搭載する燃料電池のインピーダンス特性は、車両の推進力に変換される電力の発生装置に関し、その状況を確認するうえで重要な要素であり、逐次、把握しておく必要がある。
燃料電池は、発電環境や運転条件によりインピーダンスが変化するため、広い周波数域でのインピーダンス同時計測が理想である。一方、電解質膜抵抗などを含むＩＲ損（オーム損）のみを測定する場合は高周波域のインピーダンス計測で十分である。
従来において、燃料電池のインピーダンス測定の方法としては、所定の周波数の正弦波を加えて測定し、周波数を変えながら繰り返し測定を行うＦＲＡ（Frequency Response Analyzer）法が知られている（特許文献１〜特許文献３）。
また、ＦＲＡ法以外のインピーダンス計測としては、擬似白色信号を入力した後にＦＦＴ（Fast Fourier Transform）法を用いる方法がある。例えば、非特許文献１では、正弦波の合成信号で同定する手法を用いている。
また、インバータが発するノイズを入力信号としてインピーダンスを計測する方法もある（特許文献４）。

特開２００５−２８５６１４号公報 特開２００８−１６２７５号公報 特開２０１０−２６７４７２号公報 特開２００６−２５２８６４号公報

農研報２１：８７−９１，１９９４

しかしながら、特許文献１〜特許文献３にみられるＦＲＡ法は、一定の周波数の正弦波を入力して測定する手法であるため、その周波数一点でのインピーダンスしか測定できない。広範囲な周波数のインピーダンス特性を取得するためには、異なる周波数の正弦波を逐次、入力する必要があり、多大な計測時間を要する。また、特別な信号生成のためのハードウエアやソフトウエアが必要である。更にこれらの特別な入力信号を通常の負荷制御信号に重畳印可する必要があるというような問題があった。
また、非特許文献１などにみられるＦＦＴ法においては、矩形波やＭ系列信号（Maximum length sequence）などを入力する必要があった。また、これらの方法では前記矩形波やＭ系列信号といった特別の信号生成のためのハードウエアやソフトウエアが必要である。更にこれらの特別な入力信号を通常の負荷制御信号に重畳印可する必要が生じるという問題があった。
また、特許文献４にみられるインバータが発するノイズを入力信号としてインピーダンスを計測する方法においては、観測ノイズに対してインバータが発するノイズが小さいこと、更にはノイズの周波数分布が狭い事などの理由で計測精度が低すぎるという問題があった。

そこで、本発明は前記した問題を解決するためになされたものであり、簡便な装置と構成で短時間に精度の高いインピーダンスを算出するインピーダンス計測方法、燃料電池システム、およびインピーダンス計測装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、各発明を以下のような構成にした。
すなわち、本発明のインピーダンス計測方法は、燃料電池を備えて負荷に電力を供給する燃料電池システムにおける前記燃料電池のインピーダンス計測方法であって、前記負荷の変動にともない発生したハンチング現象時の前記燃料電池の電流と電圧の各々の時系列データを取得し、前記電流の時系列データと前記電圧の時系列データとをそれぞれＦＦＴ法で演算処理し、該演算処理された２つのデータによってインピーダンスを算出することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と蓄電池を備えて負荷に電力を供給する燃料電池システムへの出力指示値と負荷の出力値を基に、制御演算部が算出する電力指示値によって前記燃料電池と前記蓄電池が制御される燃料電池システムであって、前記制御演算部は、ハンチングが発生する負荷変動を前記燃料電池に電力指示値として出力を指示するとともに、前記蓄電池にも出力を変動させる電力指示値として指示し、前記燃料電池と前記蓄電池の合計出力は変動させないことを特徴とする。
また、本発明のインピーダンス計測装置は、燃料電池と蓄電池を備えて負荷に電力を供給する燃料電池システムへの出力指示値と負荷の出力値を基に、制御演算部が算出する電力指示値によって前記燃料電池と前記蓄電池が制御される前記燃料電池システムにおける、前記燃料電池のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置であって、前記燃料電池の電流と電圧の時系列データを蓄積するデータ蓄積部と、電流と電圧を基にインピーダンスを算出するインピーダンス演算部と、を備え、該インピーダンス演算部は、所定時間内に前記負荷の所定以上の大きな変動が生じる際に前記燃料電池がハンチングする前後の電流と電圧の時系列データを前記データ蓄積部から取得し、前記燃料電池のインピーダンスを計測することを特徴とする。
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、簡便な装置と構成で短時間に精度の高いインピーダンスを算出するインピーダンス計測方法、燃料電池システム、およびインピーダンス計測装置を提供することができる。

本発明のインピーダンス計測装置の第１実施形態または第２実施形態を燃料電池車両に組み込んだ場合の第１の構成を示す図である。 従来のインピーダンス計測装置がない燃料電池車両の構成を参考として示した図である。 本発明の第１実施形態におけるインピーダンスの計測方法のフローチャートである。 本発明のインピーダンス計測装置の第３実施形態を燃料電池車両に組み込んだ場合の第２の構成を示す図である。 本発明の第３実施形態におけるインピーダンスの計測方法の第１例のフローチャートである。 本発明の第３実施形態におけるインピーダンスの計測方法の第２例のフローチャートである。 本発明のインピーダンス計測装置の第４実施形態を燃料電池車両に組み込んだ場合の第３の構成を示す図である。 本発明のインピーダンス計測装置の第５実施形態を燃料電池車両に組み込んだ場合の第４の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態において、ハンチングが発生したときのインピーダンス計測のフローチャートである。 本発明の第１実施形態において、ハンチングが発生した場合の燃料電池もしくは蓄電池の電流と電圧波形例を示した図であり、（ａ）は電流波形、（ｂ）は電圧波形である。 図１０のハンチング領域の電流波形と電圧波形を拡大して表記した図であり、（ａ）は電流波形、（ｂ）は電圧波形である。 ハンチング時の電流・電圧（図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）、（ｂ））のパワースペクトルを示す図であり、（ａ）は電流を入力（ｉｎｐｕｔ）としてのパワースペクトルであり、（ｂ）は電圧を出力（ｏｕｔｐｕｔ）としてのパワースペクトルである。 本発明の第１実施形態において、インピーダンスのデータの統計処理前と統計処理後を比較して示した図であり、（ａ）はインピーダンスのレジスタンス成分、（ｂ）インピーダンスのリアクタンス成分を示している。 図１３に示した統計処理後のデータの拡大図であり、（ａ）はインピーダンスのレジスタンス成分、（ｂ）はインピーダンスのリアクタンス成分を示している。 図１４（ａ）、（ｂ）のレジスタンス値とリアクタンス値に基づき作成したコールコールプロットである。

本発明の実施形態は、燃料電池のインピーダンス計測において特別な入力（正弦波や矩形波、Ｍ系列信号など）を用いずに、負荷変動時にハンチング（電流や電圧が過渡状態時に振動的になる現象）が起きた際あるいは起きる際の電流電圧の時系列データからインピーダンスを算出するインピーダンス計測方法を提供するものである。
これによれば、特別な入力信号作成のためのハードウエアやソフトウエアが不要となり、また計測のための特別な計測モードが不要となる効果がある。
また、ハンチング発生時には必ず高周波域のインピーダンスが算出できるという効果がある。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
なお、以下の説明はインピーダンス計測方法とインピーダンス計測装置の説明であるが、燃料電池システムの説明も兼ねている。

（第１実施形態）
図１は本発明のインピーダンス計測装置（インピーダンス計測部）の第１実施形態を燃料電池車両に組み込んだ場合の第１の構成を示す図である。
図１において、本発明の第１実施形態であるインピーダンス計測装置１０１は、インピーダンス演算部１１１とデータ蓄積部１１２とを備えて構成されている。

燃料電池車両（不図示）は、車両を駆動するエネルギー源である燃料電池１３と、燃料電池１３を補完する役目の蓄電池１４と、車両を駆動するモータ（負荷、負荷装置）１６と、燃料電池１３と蓄電池１４が出力する電力を指示する制御演算部（制御演算装置）１２と、制御演算部１２にモータの情報信号を送る偏差信号部１１と、燃料電池１３と蓄電池１４の出力電力を合成する駆動電力合算部１５とを備えている。

モータ出力指示値（目標電流値）１１Ｓと、モータ１６の駆動出力を反映したモータ出力値（実電流値、モータ出力）１６Ｍと、が偏差信号部１１にそれぞれ入力し、その偏差が偏差信号部１１から偏差信号１１Ｄとして出力され、制御演算部１２に入力される。
制御演算部１２は、偏差信号１１Ｄと、インピーダンス計測装置１０１のインピーダンス値信号１０１Ｓとを参照して、電力指示値１２Ｓ（もしくは電流指示値１２Ｓ）を、電流電圧制御部１７を介して燃料電池１３には電力指示値１２ＳＦを送り、蓄電池１４には電力指示値１２ＳＢを送る。
なお、電力指示値１２Ｓは、制御演算部１２が電力値を指示する場合のものであって、制御演算部１２が電流値を指示する場合には「電流指示値１２Ｓ」となる。

また、燃料電池１３は、燃料電池出力電力１３Ｐを駆動電力合算部１５へ送る。
また、蓄電池１４は、蓄電池出力電力１４Ｐを駆動電力合算部１５へ送る。
駆動電力合算部１５において、燃料電池出力電力１３Ｐと蓄電池出力電力１４Ｐは、合算されてモータ駆動電力１５Ｐとしてモータ１６に送られて、その電力でモータ１６を駆動する。
なお、燃料電池１３、蓄電池１４、駆動電力合算部１５、モータ１６の間には図示しないチョッパやインバータが備えられている。また燃料電池１３の出力は、モータ以外にも、図示しない補機（デバイス）でも消費される。
また、燃料電池１３への電力指示値１２ＳＦは、燃料電池１３の図示しない制御回路に対して出力される。
モータ１６は駆動されるとともに、その駆動出力を反映した電気信号のモータ出力値１６Ｍを前記したように、偏差信号部１１に送る。

また、燃料電池１３の電流値と電圧値は、燃料電池電流電圧信号１３Ｓとして、インピーダンス計測装置１０１に送られる。
インピーダンス計測装置１０１は、データ蓄積部１１２とインピーダンス演算部１１１を備えている。
データ蓄積部１１２は、燃料電池電流電圧信号１３Ｓに含まれる電流および電圧の時系列データを蓄積して記憶する。
また、インピーダンス演算部１１１は、データ蓄積部１１２に蓄積された電流および電圧の時系列データを用いて、詳細は後記するようなＦＦＴ演算や窓関数処理の演算や統計処理を実施し、所定の周波数帯域におけるインピーダンスを演算する。

インピーダンス計測装置１０１は、インピーダンス演算部１１１が算出した燃料電池１３のインピーダンス値をインピーダンス値信号１０１Ｓとして、前記したように制御演算部１２に送る。
また、制御演算部１２は、インピーダンス値信号１０１Ｓを受けて、燃料電池１３、および蓄電池１４の制御方法を変更する。
なお、燃料電池１３の出力は、モータ１６以外にも、図示しないバッファを介して、図示しない補機でも消費されることがある。

＜参考図・従来のインピーダンス計測装置がない燃料電池車両の構成＞
図２は、従来のインピーダンス計測装置がない燃料電池車両の構成を参考として示した図である。
図２の参考図においては、図１のインピーダンス計測装置１０１がない。
ただし、それ以外の偏差信号部１１、制御演算部１２、電流電圧制御部１７、燃料電池１３、蓄電池１４、駆動電力合算部１５、モータ１６を備えた構成は、図１と同様の構成である。
つまり、この従来の燃料電池車両では、燃料電池１３と蓄電池１４の電力をモータ出力指示値１１Ｓとモータ出力値１６Ｍのみによって調整し、出力していた。したがって、燃料電池１３の内部状態を反映したインピーダンスを考慮していない制御となっている。

一方、本発明の第１実施形態においては、インピーダンス計測装置１０１（図１）を備えて、燃料電池１３の内部状態を反映したインピーダンスを計測して、制御演算部１２に入力している。したがって、発電環境や運転条件を反映したより好ましい制御となる。

＜第１実施形態のインピーダンスの計測方法のフローチャート＞
次に、第１実施形態におけるインピーダンス計測装置１０１（図１）のインピーダンスの計測方法について説明する。
図３は、第１実施形態におけるインピーダンスの計測方法のフローチャートである。以下にフローチャートに基づいて説明する。

《ステップＳ３０１》
まず、モータ１６（図１）などの負荷が所定以上の負荷変動をした場合には、必ずハンチングが発生すること、およびその条件を事前に検証、把握しておく。
ちなみに、図３においては、ステップＳ３０１を「ハンチング発生の事前検証」と表記している。
また、ステップＳ３０１の工程は、「ハンチング発生の事前検証」という文言に示されているように、車両が運行される前に特性を検証しておく工程である。
なお、ハンチングとは負荷変動が所定以上の場合において、燃料電池１３（あるいは蓄電池１４、図１）において、電流や電圧が過渡的に振動もしくはそれに類する不安定な状態が生ずる現象である。また、燃料電池１３を制御している電流電圧制御部１７（図１）を含めてハンチング現象が発生する。
また、本発明で言う、負荷の変動にともなう現象に係る電力関連値とは、負荷変動に起因して燃料電池システム内に発生する、ハンチング等の現象に関連した燃料電池および／または蓄電池の電力や電流、電圧の値のことを指している。

《ステップＳ３０２》
次に、制御演算部１２（図１）において、モータ出力指示値１１Ｓを反映した偏差信号１１Ｄに基づいて、負荷変動の予測を行い、ハンチングが発生する可能性がある場合には、ハンチング発生予想信号１２Ｈをインピーダンス計測装置１０１に送る。
また、図３においては、ステップＳ３０２を「負荷変動の予測」と表記している。

《ステップＳ３０３》
次に、インピーダンス計測装置１０１に備えられたデータ蓄積部１１２は、ハンチング発生予想信号１２Ｈを受けて、燃料電池１３の燃料電池電流電圧信号１３Ｓから、電流と電圧の時系列データを取得して蓄積、記憶する。なお、このデータの取得および蓄積は、ハンチング発生予想信号１２Ｈを受けて開始されるので、ハンチング発生前の電流と電圧の時系列データも取得、蓄積される。
また、図３においては、ステップＳ３０３を「データ取得」と表記している。

《ステップＳ３０４》
次に、インピーダンス計測装置１０１に備えられたインピーダンス演算部１１１は、データ蓄積部１１２から電流と電圧の時系列データを取得して、燃料電池１３のインピーダンスを演算する。なお、インピーダンスは周波数特性を有している。
なお、電流と電圧の時系列データから燃料電池１３のインピーダンスを演算する過程の詳細については後述する。
また、図３においては、ステップＳ３０４を「インピーダンス計測」と表記している。
また、演算されたインピーダンス値は、インピーダンス計測装置１０１からインピーダンス値信号１０１Ｓとして、制御演算部１２に送られ、計測したインピーダンス値を加味した制御が制御演算部１２によって行われる。
以上のステップＳ３０２〜ステップＳ３０４は、モータ１６（図１）が駆動する車両が運行されている過程での図１に示された制御の工程である。

《ステップＳ３０５》
次に、インピーダンスの計測方法とは異なり、インピーダンスを計測した後の工程であるが、図１では示されていない工程についても説明する。
制御演算部１２は、燃料電池１３のインピーダンス値を基に、燃料電池１３の電解質膜の膜抵抗値の算出を行う。
また、図３においては、ステップＳ３０５を「膜抵抗値の算出」と表記している。

《ステップＳ３０６》
次に、算出した膜抵抗値に基づき、燃料電池１３の電解質膜の膜含水率の推定を実施する。
また、図３においては、ステップＳ３０６を「膜含水率の推定」と表記している。

《ステップＳ３０７》
次に、算出または推定した膜抵抗値や膜含水率を、図示していない燃料電池制御装置にデータ送信する。
燃料電池制御装置は、膜抵抗値や膜含水率に基づき、燃料電池１３や燃料電池システムを適正な環境となるように制御する。
また、図３においては、ステップＳ３０７を「データ送信」と表記している。

以上、第１実施形態によれば、ハンチングの発生を事前に把握できるので、簡便な装置のインピーダンス計測装置１０１で消費電力を節約しながらハンチング状データを洩れなく計測でき、精度の高いインピーダンス計測ができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を説明する。
本発明のインピーダンス計測装置の第２実施形態を燃料電池車両に組み込んだ場合の見かけ上の構成は図１と同じであるので同じ図１を用いて説明する。
第２実施形態において、制御演算部１２は、燃料電池１３のインピーダンスを計測する必要が生じた際には、ハンチングが発生する負荷変動の電力（電流）指示１２Ｓを燃料電池１３に送る。これによって燃料電池１３はハンチングを発生するのでインピーダンス計測装置１０１は、燃料電池１３のインピーダンスを計測することができる。
なお、第１実施形態では、図３のステップＳ３０２において制御演算部１２による負荷変動の予測がインピーダンス計測装置１０１に送られていたが、第２実施形態では、図３のステップＳ３０２において、併せて、制御演算部１２による燃料電池１３へのハンチングが発生する電力（電流）指示１２Ｓ（１２ＳＦ）が燃料電池１３に送られる。それ以外の重複する説明は省略する。

また、第２実施形態において、制御演算部１２による燃料電池１３へのハンチングが発生する負荷変動を起こす電力（電流）指示１２Ｓ（１２ＳＦ）を燃料電池１３に対し送る際には、それとともに、蓄電池１４にもその出力を変動させる、電力（電流）指示１２ＳＦとは逆位相の、電力（電流）指示１２ＳＢを送る。これら互いに逆位相の電力指示１２ＳＦと電力指示１２ＳＢとによって、駆動電力合算部１５においては燃料電池１３の出力と蓄電池１４の出力の合計出力は一定となるようにして、負荷（モータ）１６への出力を変動させない方法もある。

以上、第２実施形態によれば、制御演算部１２が燃料電池１３のインピーダンスを把握したい状況で、直ちにインピーダンスの計測をできるという効果がある。

（第３実施形態）
図４は、本発明のインピーダンス計測装置の第３実施形態を燃料電池車両に組み込んだ場合の第２の構成を示す図である。
図４において、図１と異なるのは、インピーダンス計測装置１０１において、ハンチング検出部１１３を更に備えたことである。
ハンチング検出部１１３は、燃料電池１３の燃料電池電流電圧信号１３Ｓからハンチング状態、もしくはハンチングの事前状態を検出（検知）する。
インピーダンス計測装置１０１に備えられたデータ蓄積部１１２は、ハンチング検出部１１３がハンチング状態、もしくはハンチングの事前状態を検出した信号を受けて、燃料電池１３の燃料電池電流電圧信号１３Ｓから、電流と電圧の時系列データを取得して蓄積、記憶する。

また、インピーダンス計測装置１０１に備えられたインピーダンス演算部１１１は、データ蓄積部１１２から電流と電圧の時系列データを取得して、燃料電池１３のインピーダンスを演算する。
なお、図４においては、ハンチングを検出するハンチング検出部１１３を備えているので、図１における制御演算部１２からのハンチング発生予想信号１２Ｈ（図１）は、図４では必要とせず、存在していない。
以上、図４では、インピーダンス計測装置１０１において、ハンチング検出部１１３を更に備えたことと、ハンチング発生予想信号１２Ｈ（図１）がないこと以外は、図１と同様の構成であるので、重複する説明は省略する。

＜第３実施形態のインピーダンスの計測方法の第１例のフローチャート＞
次に、第３実施形態におけるインピーダンス計測装置１０２（図４）のインピーダンスの計測方法について説明する。
図５は、第３実施形態におけるインピーダンスの計測方法の第１例のフローチャートである。以下にフローチャートに基づいて説明する。

《ステップＳ４０１》
ステップＳ４０１の「ハンチング発生の事前検証」は、図３のステップＳ３０１と同様であるので、重複する説明は省略する。

《ステップＳ４０２》
インピーダンス計測装置１０２（図４）に備えられたハンチング検出部１１３は、燃料電池電流電圧信号１３Ｓから燃料電池１３の電流・電圧を常時監視する。
また、図５においては、ステップＳ４０２を「電流電圧の常時監視」と表記している。

《ステップＳ４０３》
次に、ハンチング検出部１１３は、燃料電池１３の電流・電圧の変化からハンチング状態、もしくはハンチングの事前状態となる負荷変動を検出する。
また、図５においては、ステップＳ４０３を「負荷変動の検知」と表記している。

《ステップＳ４０４》
次に、ハンチング検出部１１３がハンチング状態、もしくはハンチングの事前状態を検出した信号を受けて、データ蓄積部１１２は、燃料電池１３の燃料電池電流電圧信号１３Ｓから、電流と電圧の時系列データを取得して蓄積、記憶する。
また、図５においては、ステップＳ４０４を「負荷変動の入力」と表記している。

《ステップＳ４０５》
次に、インピーダンス演算部１１１は、データ蓄積部１１２から電流と電圧の時系列データを取得して、燃料電池１３のインピーダンスを演算する。
また、図５においては、ステップＳ４０５を「インピーダンス計測」と表記している。

《ステップＳ４０６〜ステップ４０８》
ステップＳ４０６〜ステップ４０８における「膜抵抗値の算出」、「膜含水率の推定」、「データ送信」は、図３におけるそれぞれステップＳ３０５〜ステップＳ３０７と同様であるので重複する説明は省略する。

＜第３実施形態のインピーダンスの計測方法の第２例のフローチャート＞
次に、第３実施形態におけるインピーダンスの計測方法の第２例について説明する。
図６は、第３実施形態におけるインピーダンスの計測方法の第２例のフローチャートである。以下にフローチャートに基づいて説明する。

《ステップＳ５０１〜ステップＳ５０２》
ステップＳ５０１の「ハンチング発生の事前検証」とステップＳ５０２の「電流電圧の常時監視」は、図５のステップＳ４０１とステップＳ４０２とそれぞれ同様であるので、重複する説明は省略する。

《ステップＳ５０３》
ハンチング検出部１１３は、電流指示値による燃料電池１３の電流値の変化幅、変化の完了時間を計測する。
また、図６においては、ステップＳ５０３を「電流指示値の変化幅・完了時間の計測」と表記している。

《ステップＳ５０４》
ハンチング検出部１１３は、所定の電流値の変化幅、変化の完了時間の条件に合致した変化の回数を計測して、所定回数（所定値）を超したか否かを判定する。
所定回数を超した場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ５０５に進む。所定回数を超えない場合（ＮＯ）は、ステップＳ５０３に戻る。
また、図６においては、ステップＳ５０４を「変化回数が所定値を超したか」と表記している。

《ステップＳ５０５》
ハンチング検出部１１３は、前述した条件に合致した変化において、電圧が電流と逆位相で変動しているかを判定する。
電圧が電流と逆位相で変動している場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ５０６に進む。電圧が電流と逆位相で変動していない場合（ＮＯ）には、ステップＳ５０３に戻る。

《ステップＳ５０６》
ハンチング検出部１１３は、電圧が電流と逆位相で変動している場合はハンチング発生と判定（判断）する。
そして、ステップＳ５０８に進む。
また、図６においては、ステップＳ５０６を「ハンチング発生と判断」と表記している。

《ステップＳ５０７》
データ蓄積部１１２は、燃料電池１３の電流と電圧の時系列データを蓄積、記憶している。なお、時系列データの容量が、データ蓄積部１１２が保存できる容量を超えた場合には、時系列において、古いデータから消去され、新しいデータが順次、書き込まれて保存される。
また、図６においては、ステップＳ５０７を「データ保存」と表記している。

《ステップＳ５０８》
次に、インピーダンス演算部１１１は、ハンチング検出部１１３がステップＳ５０５において「ハンチング発生と判断」した場合において、データ蓄積部１１２から電流と電圧の時系列データを取得して、燃料電池１３のインピーダンスを算出する。
また、図６においては、ステップＳ５０８を「インピーダンス算出」と表記している。

《ステップＳ５０９〜ステップＳ５１１》
ステップＳ５０９〜ステップＳ５１１における「膜抵抗値の算出」、「膜含水率の推定」、「データ送信」は、図３におけるそれぞれステップＳ３０５〜ステップ３０７と同様であるので重複する説明は省略する。

以上、第３実施形態においては、ハンチングの発生をインピーダンス計測装置１０１で検出するので、実際のハンチングの発生に即したインピーダンスの計測ができるという効果がある。また、ハンチングの発生以外にも、電流と電圧の変動があれば、その振動波形を用いてインピーダンスの計測ができるという効果もある。

（第４実施形態）
図７は、本発明のインピーダンス計測装置の第４実施形態を燃料電池車両に組み込んだ場合の第３の構成を示す図である。
図７において、図１の構成と異なるのは、インピーダンス計測装置１０１において、燃料電池１３のみならず蓄電池１４のインピーダンスを計測する構成としたことである。
制御演算部１２からのハンチング発生予想信号１２Ｈを受けたインピーダンス計測装置１０１は、燃料電池１３と蓄電池１４のインピーダンスを計測する。
インピーダンス計測装置１０１は、燃料電池１３と蓄電池１４のインピーダンス値をそれぞれ、もしくは合成処理した信号であるインピーダンス値信号１０１Ｓを制御演算部１２に送る。
制御演算部１２は、燃料電池１３のインピーダンスのみならず蓄電池１４のインピーダンスを把握できるので、より好ましい制御が可能となる。
それ以外の構成と動作は、図１と同様であるので、重複する説明は省略する。

（第５実施形態）
図８は、本発明のインピーダンス計測装置の第５実施形態を燃料電池車両に組み込んだ場合の第４の構成を示す図である。
図８において、図４の構成と異なるのは、インピーダンス計測装置１０２において、燃料電池１３のみならず蓄電池１４のインピーダンスを計測する構成としたことである。
インピーダンス計測装置１０２は、ハンチング検出部１１３によってハンチング状態、もしくはハンチングの事前状態を検出すると燃料電池１３と蓄電池１４のインピーダンスを計測する。
インピーダンス計測装置１０２は、燃料電池１３と蓄電池１４のインピーダンス値をそれぞれ、もしくは合成処理した信号であるインピーダンス値信号１０２Ｓを制御演算部１２に送る。
制御演算部１２は、燃料電池１３のインピーダンスのみならず蓄電池１４のインピーダンスを把握できるので、より好ましい制御が可能となる。
それ以外の構成と動作は、図４と同様であるので、重複する説明は省略する。

＜ハンチングが発生したときのインピーダンス計測の詳細・その１＞
次に、ハンチングが発生したときのインピーダンス計測の詳細について説明する。
図９は、ハンチングが発生したときのインピーダンス計測のフローチャートであるが、図９のフローチャートの説明にさきだって、ハンチングが発生した場合の燃料電池１３もしくは蓄電池１４の電流と電圧波形を説明する。

図１０は、ハンチングが発生した場合の燃料電池１３もしくは蓄電池１４の電流と電圧波形例を示した図であり、（ａ）は電流波形、（ｂ）は電圧波形である。
図１０（ａ）において、横軸は時間（ｔｉｍｅ）であり、縦軸は電流値である。また、計測のサンプリング周波数は２０ｋＨｚである。
時間（ｔｉｍｅ）０〜０．１秒において、負荷はゼロ（０）であるので燃料電池１３の出力する電流値も０である。
概ね０．１秒から負荷が増加し、燃料電池１３の電流値が１．３Ａを出力するように制御演算部１２から電力（電流）指示値１２Ｓ（１２ＳＦ）が電流電圧制御部１７に出される。このときに燃料電池１３の電流は、直ちに、あるいは滑らかに１．３Ａに達するとは限らず、所定の条件のときには、図１０（ａ）に見られるように電流は振動することがある。この電流が振動する領域がハンチング領域である。

図１０（ｂ）は、このときの燃料電池１３の電圧波形であって、横軸は時間（ｔｉｍｅ）であり、縦軸は電圧値である。また、計測のサンプリング周波数は２０ｋＨｚである。
時間（ｔｉｍｅ）０〜０．１秒において、負荷はゼロ（０）であるので流れる電流は前述したように０であるので、燃料電池１３の出力電圧は、開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）の概ね０．９７５Ｖである。
概ね０．１秒から負荷が増加し、電流が流れだすと電圧降下によって燃料電池１３の出力電圧は低下する。このときの燃料電池１３の出力電圧は、直ちに、あるいは滑らかに電圧降下するとは限らず、所定の条件のときには、図１０（ｂ）に見られるように電圧は振動することがある。
なお、図１０（ａ）の電流波形と、図１０（ｂ）の電圧波形は互いに関連している。

図１１は、図１０のハンチング領域の電流波形と電圧波形を拡大して表記した図であり、（ａ）は電流波形、（ｂ）は電圧波形である。
図１１（ａ）において、横軸は時間（ｔｉｍｅ）であり、縦軸は電流値である。
電流の振動波形において、矢印（→）で示した場所は、振動の大きい箇所の例である。
この電流の振動波形において、振動の大きい箇所とは、一例として、変化時間Δｔが概ねマイクロ秒で電流変化幅ΔＩが概ね０．１３Ａである。この振動の大きい箇所が所定時間が概ね１００ミリ秒（負荷の変動した範囲）以内に、例えば、概ね１０個以上あるとハンチングと判定する。
なお、以上の判定基準は一例であって、燃料電池１３や負荷１６によって変わることがある。

図１１（ｂ）において、横軸は時間（ｔｉｍｅ）であり、縦軸は電圧値である。
前記したように、燃料電池１３の出力電圧は、電流が流れると電圧降下をするので、電圧波形の変化は、図１１（ａ）の電流波形の変化を概ね反転した波形となっている。この電圧波形の変化と電流波形の変化が反転した関係となっていることも、ハンチングと判定するひとつの要素となる。

なお、第１実施形態〜第４実施形態においては、図１０、図１１の特性から見られるように、ハンチング区間が概ね０．１秒で、ハンチング前後の０．１５秒を加えた合計０．２５秒間のデータから燃料電池１３のインピーダンス測定が可能である。

＜ハンチング時の電流・電圧のパワースペクトル＞
図１２は、ハンチング時の電流・電圧（図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）、（ｂ））のパワースペクトルを示す図であり、（ａ）は電流を入力（ｉｎｐｕｔ）としてのパワースペクトルであり、（ｂ）は電圧を出力（ｏｕｔｐｕｔ）としてのパワースペクトルである。
なお、図１においては、制御演算部１２の電力指示値は、電流指示値１２Ｓとして電流電圧制御部１７に指示を出している。このとき電流電圧制御部１７は燃料電池１３への電力指示値として電流指示値１２ＳＦを出している。
したがって、燃料電池１３からみると電流が入力（ｉｎｐｕｔ）であり、それを反映して電圧が出力（ｏｕｔｐｕｔ）するので、図１２では、図１２（ａ）の電流波形が「ｉｎｐｕｔ」と表記され、図１２（ｂ）の電圧波形が「ｏｕｔｐｕｔ」と表記されている。

図１２（ａ）、（ｂ）の横軸は周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（Ｈｚ））であり、縦軸はゲイン（ｇａｉｎ）である。
図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、パワースペクトルは一定ではないので、理想的な白色信号ではないが、白色信号の代用としてよく用いられるＭ系列信号のパワースペクトルに白色性の観点からは、さほど劣らない程度のパワースペクトルを有している。

＜本願の手法と、従来のＦＲＡ法とＭ系列によるＦＦＴ演算手法との関係＞
前記したように、従来のＦＲＡ法による燃料電池のインピーダンス計測においては、単一周波数の正弦波によるインピーダンス計測を行い、そして周波数を変えて、同じインピーダンス計測を必要な周波数帯域において、繰り返し行う手法であるので、多大な時間を要するために、短時間の現象における過渡的なインピーダンス特性の変化は計測できなかった。
また、Ｍ系列信号を燃料電池の入力電流に印加し、入力電流値と出力電圧値の時系列データを計測し、それらのデータにＦＦＴを施し、入出力のＦＦＴ結果からインピーダンスを算出する方法は、Ｍ系列信号といった特別の信号生成のためにハードウエアやソフトウエアが必要であり、更にこれらの特別な入力信号を通常の信号に重畳印加する必要があった。
本願の実施形態においては、ハンチング現象における電流と電圧のハンチング状データ
のパワースペクトル（図１２）が前述したように白色信号、あるいはＭ系列信号の代用になりうることを利用する。そして、ハンチング時の電流と電圧の時系列データを用いて燃料電池の高周波域のインピーダンスの計測を迅速かつ簡便に行うものである。

＜ハンチング状データからのインピーダンス計測方法のフローチャート＞
次に、本願の実施形態によるハンチング状データからのインピーダンス計測方法について説明する。
本願の実施形態では、電流と電圧のハンチング状データ（図１１）からインピーダンスを計測する。
ただし、電流と電圧のハンチング状データは連続した無数（複数）の周波数を有するので広い周波数帯域のインピーダンスの測定が原理的に可能であっても、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、データとしては時間領域の無数（複数）の周波数特性が混濁したデータのままであって、周波数特性によって変化するインピーダンスデータとしての特性データとなっていない。

したがって、例えばＦＦＴによる高速のフーリエ変換の演算によって、周波数領域に変換する必要がある。この変換によって、周波数特性によって表現されるインピーダンスデータが得られる。
また、電流と電圧のハンチング状データには、様々なノイズがのっているので、単なるＦＦＴによる変換では、精度の高いインピーダンス計測はできない。したがって、ノイズによる影響を軽減する演算処理を行うことが望ましい。
次に、ＦＦＴ変換とノイズを軽減する演算処理を含めたインピーダンス計測を前記した図９を参照して説明する。

＜ハンチングが発生したときのインピーダンス計測の詳細・その２＞
ハンチングが発生したときのインピーダンス計測の詳細について説明する。
前述したように、図９は、ハンチングが発生したときのインピーダンス計測のフローチャートである。フローチャートにおける各ステップについて順に説明する。

《ステップＳ６０１》
まず、ハンチングが発生したときの燃料電池１３の入力電流と出力電圧値の時系列データを燃料電池電流電圧信号１３Ｓから計測（取得）し、データ蓄積部１１２に蓄積する。
なお、図３においては、入力電流値と出力電圧を計測する機器については図示していない。
また、図９においては、ステップＳ６０１を「電流値と電圧値の時系列データを各々計測」と表記している。

《ステップＳ６０２》
次に、入力電流値と出力電圧値の各々から平均値を減ずる統計処理を行う。
これは、入力電流値と出力電圧値の時系列データの平均値が０に近い方が演算の精度が高まるためである。
より具体的には、入力電流値と出力電圧の入出力時系列データの各々の平均値をゼロ（０）かゼロに近い（入力電流値と出力電圧値のそれぞれの変化幅の±５０％以下が望ましい）値に前処理をする。この前処理を行った以降にＦＦＴ演算処理を行う。なお、この前処理とＦＦＴ演算処理との間に、次に述べるステップＳ６０３の窓関数処理が入ることがある。
また、この平均値をゼロかゼロに近い値に前処理する過程は、図１のインピーダンス演算部１１１のなかで実施される。
また、図９においては、ステップＳ６０２を「電流データと電圧データから各々平均値を減ずる」と表記している。

《ステップＳ６０３》
次に、入力電流値と出力電圧値の各々に窓関数を乗じる。
これは、解析、演算過程の精度を高めるために行う。また、この処理はソフトウエアで行われる。なお、この過程は、図９のインピーダンス演算部１１１のなかで実施される。
また、図９においては、ステップＳ６０３を「電流データ、電圧データに各々窓関数を乗じる」と表記している。

《ステップＳ６０４》
次に、入力電流値と出力電圧値に対してＦＦＴの演算を行う。
これは、入力電流値と出力電圧値はハンチング状データであるので、データとしては時間領域に無数の周波数特性が混濁したデータのままであって、周波数特性によって表記されるデータとはなっていない。周波数特性によるインピーダンスデータを得るために、それぞれをＦＦＴにより、フーリエ変換を行う。
このＦＦＴの演算によって、時系列データである入力電流値と出力電圧値は、周波数特性で表記される入力電流値と出力電圧値へ変換される。
なお、この過程は、図９のインピーダンス演算部１１１のなかで実施される。
また、図９においては、ステップＳ６０４を「電流データと電圧データを各々ＦＦＴ」と表記している。

《ステップＳ６０５》
次に、ＦＦＴの演算を実施するステップＳ６０４で得られた周波数特性で表記される入力電流値と出力電圧値のデータを用いて、周波数特性で表記されるインピーダンスを算出する。
なお、この過程は、図９のインピーダンス演算部１１１のなかで実施される。
また、図９においては、ステップＳ６０５を「電流、電圧のＦＦＴからインピーダンスを算出」と表記している。

《ステップＳ６０６》
次に、ステップＳ６０５で得られたインピーダンスに統計処理を行う。
なお、この過程は、図９のインピーダンス演算部１１１のなかで実施される。
また、図９においては、ステップＳ６０６を「インピーダンスに統計処理」と表記している。
また、インピーダンスに統計処理を行う処理については、次に詳細に説明する。

≪データの統計処理≫
次に、図９のフローチャートのステップＳ６０５で算出したインピーダンスのデータを統計処理して精度を高める方法について述べる。なお、このインピーダンスのデータを統計処理する方法は、図９のインピーダンス計測のフローチャートにおけるステップＳ６０６に相当する。
まず、<統計処理の概略>について述べ、次に<統計処理の詳細>を説明する。

<統計処理の概略>
統計処理はすべての周波数領域のインピーダンスのデータを一括して行うのではなく、所定の区間（周波数範囲）を設定し、この区間の単位で統計処理を実施する。そして、この所定の区間を低周波から高周波の方向に順に移動させて行き、対象とする全周波数領域の統計処理を完了する。

<統計処理の詳細>
まず、統計処理をする所定の区間の周波数領域の高周波側と低周波側にそれぞれ測定対象の所定の個数を設定する。
次に、前記所定の個数のデータを用いて、設定した区間（周波数範囲）内のレジスタンスとリアクタンスのそれぞれの中央値（ｍｅｄｉａｎ値）を算出する。
このとき、統計処理する周波数の高域だけで統計処理をしてもよいし、また低域だけで統計処理をしてもよい。
なお、統計処理の方法は「平均値」を含めて様々にあるが、データに著しい偏りがある場合には、「平均値」よりも「中央値」の方が実情に適した統計処理結果が得られる。
また、レジスタンス（Ｒｒ）とリアクタンス（Ｒｉ）からインピーダンス（Ｉｍｐ）を算出する際は、
Ｉｍｐ＝Ｒｒ＋Ｒｉ×ｉ
とする。なお、ｉは虚数を示す。

そして、統計処理をする区間（周波数範囲）を逐次移動させながら、その区間において前記した中央値を算出する処理（ｍｅｄｉａｎ処理）を行う。ただし、統計処理において用いるデータ数は、統計処理をする区間の周波数が低周波から高周波に移動するにつれ、高周波の方のデータ数が多くなるように選定する。
すなわち、統計処理に用いるデータの周波数範囲が高周波数ほど広くなるように選定する。ただしデータの周波数間隔は通常一定なのでｌｏｇスケールで処理結果を取得する場合は、高周波領域においては処理時間が増大してしまう。
つまり、処理するデータが１Ｈｚ間隔で存在する場合、１０Ｈｚから１００Ｈｚまでの周波数範囲には９０個データがある一方、１００Ｈｚから１ｋＨｚには９００個のデータが存在する。したがって高周波領域においては、処理データが膨大になり処理時間が増大する。

これを回避するには高周波数領域においては、統計処理を１Ｈｚ毎に実施せず、例えば１０Ｈｚ間隔で実施するようにする。これにより処理数が減少し処理時間が短縮する。
なお、統計処理間隔を広げても処理毎に扱うデータの個数や周波数範囲は、１Ｈｚ毎に処理した場合と同じであるため、処理結果の精度は低下しない。周波数軸における処理結果取得間隔が広くなるだけである。
また、前記した中央値は、統計処理をする区間（周波数範囲）を逐次移動させながら算出していくので移動ｍｅｄｉａｎ値（移動中央値、移動統計処理値）とも称する。

なお、レジスタンスとリアクタンスの統計処理において、それぞれの統計処理に用いるデータ数が異なってもよい。また、前記した高周波になるにつれて増加させるデータ数の増加方法が異なってもよい。
また、レジスタンスとリアクタンスの統計処理において、それぞれの統計処理に用いるデータが、高周波になるにしたがって、周波数範囲の増加方法が異なってもよい。
また、レジスタンスとリアクタンスの統計処理において、それぞれの統計処理に用いるデータが、高周波になるにしたがって、統計処理を行う間隔を広くしてもよい。
また、レジスタンスとリアクタンスの統計処理において、それぞれの統計処理に用いるデータが、一つ以上の所定の周波数より高周波になると前記統計処理の間隔を順に広くしてもよい。

また、前記の統計処理で算出したレジスタンスの移動ｍｅｄｉａｎ値（移動統計処理値）は、低周波側から高周波側に向かうにつれ、強制的に単調減少か、一定になるようにしてもよい。
つまり、統計処理したある周波数の区間Ａと、区間Ａの高周波側に隣接する区間（Ａ＋１）のレジスタンスを比較し、区間（Ａ＋１）におけるレジスタンスの移動ｍｅｄｉａｎ値であるレジスタンス（Ａ＋１）が区間（Ａ）におけるレジスタンスの移動ｍｅｄｉａｎ値であるレジスタンス（Ａ）より大きい場合は、レジスタンス（Ａ＋１）の値としてレジスタンス（Ａ）の値を採用する。

また、リアクタンスの移動ｍｅｄｉａｎ値（移動統計処理値）は、低周波から高周波に向かうにつれ増加しても減少してもよい。ただし、上下変化（増加、減少）に際しては、レート（変化率）制限（変化割合制限）を設けてもよい。
その場合、区間（Ａ＋１）におけるリアクタンスの移動ｍｅｄｉａｎ値であるリアクタンス（Ａ＋１）がリアクタンス（Ａ）＋ΔＡより大きい場合には、リアクタンス（Ａ＋１）の値として、リアクタンス（Ａ）＋ΔＡを採用する。
またリアクタンス（Ａ＋１）がリアクタンス（Ａ）−ΔＡよりも小さい場合は、リアクタンス（Ａ＋１）の値として、リアクタンス（Ａ）−ΔＡを採用する。
なお、ΔＡは、リアクタンス（Ａ＋１）とリアクタンス（Ａ）の差である。

＜統計処理の実測データ例＞
次に、インピーダンスのデータを統計処理した実測データ例について示す。
図１３は、インピーダンスのデータの統計処理前と統計処理後を比較して示した図であり、（ａ）はインピーダンスのレジスタンス成分、（ｂ）インピーダンスのリアクタンス成分を示している。
なお、図１３（ａ）、（ｂ）の横軸は周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（Ｈｚ））であり、縦軸はそれぞれレジスタンス値とリアクタンス値である。
図１３（ａ）、（ｂ）において、灰色で示した統計処前のデータは高周波域（概ね１０^３〜１０^４）でばらついている。しかし、黒色で示した統計処後のデータは高周波域（概ね１０^３〜１０^４）も含めて統計処前のデータに比較するとばらつきが小さい。
統計処理によって、ぱらつきが大きく軽減されたことを示している。
なお、図１３（ａ）、（ｂ）における統計処理後のデータおよび統計処理前のデータは、ともに図９のフローチャートにおけるステップＳ６０２とステップＳ６０３の処理は行われているデータである。

図１４は、図１３に示した統計処理後のデータの拡大図であり、（ａ）はインピーダンスのレジスタンス成分、（ｂ）はインピーダンスのリアクタンス成分を示している。
なお、図１４（ａ）、（ｂ）の横軸は、周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（Ｈｚ））であり、縦軸はそれぞれレジスタンス値とリアクタンス値である。ただし縦軸におけるそれぞれの目盛が細密になって細かい変化を図示している。
図１４（ａ）、（ｂ）において、２０Ｈｚ以下の低周波域においてばらつきが見られるものの、高周波域（概ね１０^３〜１０^４）ではばらつきが小さい、つまり精度が高いことを示している。

＜コールコールプロット＞
図１５は、図１４（ａ）、（ｂ）のレジスタンス値とリアクタンス値に基づき作成したコールコールプロット（コールコール図）である。
図１５の横軸は、レジスタンス値であり、縦軸はリアクタンス値である。それぞれの周波数におけるレジスタンス値とリアクタンス値が満たす点を、周波数を変化させて図示している。なお、レジスタンス値とリアクタンス値がともに小さい左側が高周波域である。
図１５において、「ＦＲＡ」と表記した特性線が従来のＦＲＡで計測、図示したものであり、「本実施形態」と表記した特性線が、図１４（ａ）、（ｂ）のレジスタンス値とリアクタンス値に基づき作成したものである。

従来のＦＲＡの計測方法は時間がかかるものの比較的、正確な計測結果が得られる。
そのＦＲＡの計測結果と本実施形態による計測結果は、高周波域において、概ね同じような値と特性を示している。
したがって、ハンチング現象の発生時においてインピーダンスを測定する本実施形態の計測方法は、少なくとも高周波域においては、比較的、精度の高い計測結果が得られる。
つまり、本実施形態の計測方法によれば、簡易的な計測装置（ハードウエアとソフトウエア）の構成で、短時間で、かつ高い精度の計測結果が得られる。
また、中低周波域においても実用的な精度で燃料電池のインピーダンスの計測が可能である。

なお、燃料電池の周波数特性における高周波域、あるいは中低周波域は、燃料電池の出力密度によって変化する。
例えば、燃料電池の出力密度が０．０１Ａ／ｃｍ^２程度では、数１０Ｈｚ以上が高周波域に属し、０．５Ｈｚ程度が中周波域、０．１Ｈｚ以下が低周波域である。
また、燃料電池の出力密度が０．１Ａ／ｃｍ^２程度では、１００Ｈｚ以上が高周波域に属し、数１０Ｈｚ程度が中周波域、１Ｈｚ以下が低周波域である。
また、燃料電池の出力密度が１Ａ／ｃｍ^２以上では、５００Ｈｚ以上が高周波域に属し、１００Ｈｚ程度が中周波域、１Ｈｚ以下が低周波域である。

（その他の実施形態）
次に、その他の実施形態について、説明する。

≪フラッディング≫
以上においては、負荷変動による燃料電池の電流と電圧のハンチング現象を利用することを説明したが、インピーダンス計測に利用できる燃料電池の電流と電圧の変動はそればかりではない。
例えば、フラッディング（水閉塞による酸素供給不足）による燃料電池の電流と電圧の変動を検出して、その区間において、インピーダンス計測に利用することもできる。
フラッディングによる電流、電圧の変動の場合は、負荷への電力指示値が一定値、あるいは、非常にゆっくり変化している場合にでも生ずる。

≪音を発生するデバイスへの対策≫
燃料電池１３の負荷１６はモータばかりではない。エアポンプ、Ｗ／Ｐ、インジェクターなどの音を発生することのある負荷も接続されていることがある。これらの負荷が接続された状態で、制御演算部１２からハンチングを発生させるために負荷変動を指示すると、前記した音の発生しやすいデバイスは、騒音を増加することがある。
したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して燃料電池から電力を取得するなどの対策をとることにより、インピーダンス計測中の騒音の増加を防止できる。

≪所定の電流範囲の負荷変動≫
また、負荷装置（モータ）１６が所定の電流密度範囲の負荷変動を繰り返す運転領域に入るときに、燃料電池１３のインピーダンスを計測する方法もある。
例えば、０．０１Ａ／ｃｍ^２程度の電流密度と０．０３Ａ／ｃｍ^２程度の電流密度を繰り返す場合である。
これは、０．０１Ａ／ｃｍ^２程度の電流密度においては、燃料電池１３の電圧が比較的高電位となり、この高電位を長時間、維持すると燃料電池１３の劣化が進行しやすくなる。そこで所定時間以上の高電位が持続しないように電位が若干低下する「０．０３Ａ／ｃｍ^２程度の電流密度」との間で負荷変動を繰り返す。このときの負荷変動をインピーダンス計測に利用する。

≪燃料電池の起動チェック直後のインピーダンス計測≫
燃料電池の起動チェック直後においては、ハンチング現象に相当する燃料電池の電流と電圧の変動がある。このときの電流と電圧の変動をインピーダンス計測に利用する。

≪アイドリング停止と通常発電の切替りの際のインピーダンス計測≫
負荷装置（モータ）１６の動作を再び動作させるまでしばらく止めさせる、いわゆるアイドリング停止のときには、燃料電池もアイドリング停止に合わせてその出力を低下あるいはゼロにさせ、その後アイドリング停止が解除されると、その出力を通常発電レベルに戻すことが行われる。燃料電池のアイドリング停止時モードと通常発電モードの切替り、あるいは通常発電モードとアイドリング停止時モードの切替りの際には、燃料電池の電流と電圧の変動がある。このときの電流と電圧の変動をインピーダンス計測に利用する。

≪ハンチングの発生と予防に係るハードウエアとするソフトウエア≫
制御演算部１２は、所定以上の燃料電池１３の出力の変化率の場合において必ずハンチングを発生するように設計されたハードウエアと、負荷１６の通常の運転時においてハンチングの発生を予防するレートリミットを有するソフトウエアと、を備えるように構成する。
そして、燃料電池１３のインピーダンスを計測する際には、前記ソフトウエアのリミットを外し、所定の変化率以上で電流を変動させることで故意に燃料電池１３のハンチングを発生させ、前記燃料電池のインピーダンスをインピーダンス計測部１０１が計測する。
また、制御演算部１２がインピーダンス計測の終了を意図した際には、インピーダンス計測部１０１によるインピーダンスの算出を待たずに、前記ソフトウエアのレートリミットをつけて燃料電池１３を保護する。
以上の方法で所望の場合に燃料電池１３のインピーダンス計測を行い、かつ燃料電池１３を保護するという効率と保全性とを兼ね備えた制御ができる。

≪統計処理≫
図４のＦＦＴによるインピーダンス計測のフローチャートにおけるステップＳ４０９の統計処理については中央値をとる場合について説明したが、中央値の処理のみとは限らない。平均値や最頻値による統計処理や、正規分布などの確率分布関数でのフッティング値や、最尤推定値が有効な場合もある。

（本願発明と実施形態の補足）
環境や運転状況を反映させる上には、広い周波数帯域のインピーダンスの計測が必要である。この広い周波数帯域のインピーダンス計測方法としては、ＦＲＡ法やＭ系列信号を用いたＦＦＴ法がある。
しかしながらＦＲＡ法は、計測に多大な時間を要するので、逐次、環境や運転状況を反映させることには適していない。
また、ＦＦＴ法は、Ｍ系列信号発生のためや、その信号を燃料電池に印加する特別の装置が必要である。
そこで、本発明は前記した問題を解決するためになされたものであり、燃料電池のインピーダンス計測において特別な入力（正弦波や矩形波、Ｍ系列信号など）を用いずに、負荷変動時のハンチング時の電流電圧の時系列データからインピーダンスを算出するインピーダンス計測方法を提供することを目的とする。
ことに、高周波域のインピーダンス計測であれば、前述の簡便な装置と構成で短時間に充分な精度で計測が可能となる。
したがって、特別な入力信号作成のためのハードウエアやソフトウエアが不要となり、また計測のための特別な計測モードが不要となる効果がある。
また、ハンチング発生時には必ず高周波域のインピーダンスが算出できるという効果がある。また、燃料電池稼動中の特定の計測モードを省いて燃料電池装置ユーザを待たせることがなく、商品性を高められるという効果がある。

１１ 偏差信号部
１１Ｄ 偏差信号
１１Ｓ モータ出力指示値
１２ 制御演算部（制御演算装置）
１２Ｈ ハンチング発生予想信号
１２Ｓ 電力指示値、電流指示値
１２ＳＦ 燃料電池への電力指示値、電流指示値
１２ＳＢ 蓄電池への電力指示値、電流指示値
１３ 燃料電池
１３Ｐ 燃料電池出力電力
１３Ｓ 燃料電池電流電圧信号
１４ 蓄電池
１４Ｐ 蓄電池出力電力
１５ 駆動電力合算部
１５Ｐ モータ駆動電力
１６ 負荷、負荷装置、モータ
１６Ｍ モータ出力（モータ出力値、出力値）
１７ 電流電圧制御部
１０１、１０２ インピーダンス計測装置（インピーダンス計測部）
１０１Ｓ、１０２Ｓ インピーダンス値信号
１１１ インピーダンス演算部
１１２ データ蓄積部
１１３ ハンチング検出部

Claims (27)

1. 燃料電池を備えて負荷に電力を供給する燃料電池システムにおける前記燃料電池のインピーダンス計測方法であって、
   前記負荷の変動にともない発生したハンチング現象時の前記燃料電池の電流と電圧の各々の時系列データを取得し、
   前記電流の時系列データと前記電圧の時系列データとをそれぞれＦＦＴ法で演算処理し、
   該演算処理された２つのデータによってインピーダンスを算出することを特徴とするインピーダンス計測方法。
2. 燃料電池と蓄電池を備え、制御演算部が算出する電力指示値または電流指示値によって前記燃料電池と蓄電池の電力を負荷に供給するとともに、前記燃料電池のインピーダンスを計測するインピーダンス計測部を備えた燃料電池システムにおける前記燃料電池のインピーダンス計測方法であって、
   前記制御演算部は、ハンチング現象が発生する所定の前記負荷の変動状態が記憶されており、
   前記所定の負荷の変動状態が発生した際、または前記所定の負荷の変動状態の発生が予測される際に、前記制御演算部はハンチング発生予想信号を前記インピーダンス計測部に送り、
   前記インピーダンス計測部は、前記燃料電池の電流と電圧の各々の時系列データを取得し、前記電流の時系列データと前記電圧の時系列データとをそれぞれＦＦＴ法で演算処理し、該演算処理された２つのデータによってインピーダンスを算出する
   ことを特徴とするインピーダンス計測方法。
3. 燃料電池と蓄電池を備え、制御演算部が算出する電力指示値または電流指示値によって前記燃料電池と蓄電池の電力を負荷に供給するとともに、前記燃料電池のインピーダンスを計測するインピーダンス計測部を備えた燃料電池システムにおける前記燃料電池のインピーダンス計測方法であって、
   前記制御演算部は、ハンチング現象が発生する所定の前記負荷の変動状態が記憶されており、
   前記燃料電池が稼動中に、前記制御演算部が前記所定の負荷の変動状態を発生させハンチング現象を誘発し、
   前記インピーダンス計測部は、該ハンチング現象時の前記燃料電池の電流と電圧の各々の時系列データを取得し、前記電流の時系列データと前記電圧の時系列データとをそれぞれＦＦＴ法で演算処理し、該演算処理された２つのデータによってインピーダンスを算出する
   ことを特徴とするインピーダンス計測方法。
4. 前記燃料電池がハンチングする前記所定の負荷の変動状態を前記制御演算部が指示した際に、前記インピーダンス計測部はハンチングを予測し、ハンチング前後の前記時系列データからインピーダンスを算出することを特徴とする請求項３に記載のインピーダンス計測方法。
5. 前記燃料電池がハンチングする前記所定の負荷の変動状態を前記制御演算部が指示した際に、前記制御演算部は、前記燃料電池の出力を所定以上の変化率で変動させることで、ハンチングを発生させることを特徴とする請求項４に記載のインピーダンス計測方法。
6. 前記制御演算部は、
   所定以上の前記燃料電池の出力の変化率の場合において必ずハンチングを発生するように設計されたハードウエアと、
   通常の運転時においてハンチングの発生を予防するレートリミットを有するソフトウエアと、を備え、
   前記燃料電池のインピーダンスを計測する際には、前記ソフトウエアのリミットを外し、所定の変化率以上で電流を変動させることで故意に前記燃料電池のハンチングを発生させ、前記燃料電池のインピーダンスを前記インピーダンス計測部が計測し、
   前記制御演算部がインピーダンス計測の終了を意図した際には、前記インピーダンス計測部によるインピーダンスの算出を待たずに、前記ソフトウエアのレートリミットをつけて前記燃料電池を保護することを特徴とする請求項３に記載のインピーダンス計測方法。
7. 燃料電池を備え、また該燃料電池の電力関連値を監視し、該電力関連値の状況から前記燃料電池の出力がハンチング状態にあるか否かを判定するハンチング判定部をインピーダンス計測部に備えて、前記燃料電池の電力を負荷に供給する燃料電池システムにおける前記燃料電池のインピーダンス計測方法であって、
   前記ハンチング判定部が、前記燃料電池をハンチング状態にあると判定する場合に、
   前記インピーダンス計測部は、該ハンチング現象時の前記燃料電池の電流と電圧の各々の時系列データを取得し、前記電流の時系列データと前記電圧の時系列データとをそれぞれＦＦＴ法で演算処理し、該演算処理された２つのデータによってインピーダンスを算出する
   ことを特徴とするインピーダンス計測方法。
8. 前記ハンチング判定部が、前記燃料電池をハンチング状態にあると判定された方法は、
   前記ハンチング判定部が前記燃料電池の電流と電圧を常時監視し、
   電流指示値が所定の変化幅ΔＩで変化し、前記電流指示値の変化が所定のΔｔの時間内に完了した際に、
   前記燃料電池の電流の変動幅が前記変化幅ΔＩの所定の割合以上の変化が所定時間内に所定回数以上であった場合、
   かつ前記燃料電池の電流と電圧とが逆位相で変動している場合に、
   前記ハンチング判定部はハンチングが発生したとして判定し、
   前記インピーダンス計測部は、前記燃料電池のインピーダンスを算出する
   ことを特徴とする請求項７に記載のインピーダンス計測方法。
9. 前記Δｔは概ねマイクロ秒であり、前記所定時間は概ね１００ミリ秒であり、前記所定回数は概ね１０回であることを特徴とする請求項８に記載のインピーダンス計測方法。
10. 燃料電池と蓄電池とを備え、また該燃料電池の電力関連値を監視し、該電力関連値の状況から前記燃料電池の出力がハンチング状態にあるか否かを判定するハンチング判定部をインピーダンス計測部に備え、前記燃料電池の電力を負荷に供給する燃料電池システムにおける前記蓄電池のインピーダンス計測方法であって、
    前記ハンチング判定部が、前記蓄電池をハンチング状態にあると判定された場合に、
    前記インピーダンス計測部は、該ハンチング現象時の前記蓄電池の電流と電圧の各々の時系列データを取得し、前記電流の時系列データと前記電圧の時系列データとをそれぞれＦＦＴ法で演算処理し、該演算処理された２つのデータによって蓄電池のインピーダンスを算出する
    ことを特徴とするインピーダンス計測方法。
11. 前記計測するインピーダンスは、高周波域であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のインピーダンス計測方法。
12. 前記高周波域は概ね１００Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１１に記載のインピーダンス計測方法。
13. 前記計測するインピーダンスは、中低周波域を含むものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のインピーダンス計測方法。
14. 前記中低周波域は概ね１００Ｈｚ未満であることを特徴とする請求項１３に記載のインピーダンス計測方法。
15. 前記インピーダンス計測方法は、前記燃料電池の起動チェック直後に前記燃料電池のインピーダンス計測を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のインピーダンス計測方法。
16. 前記インピーダンス計測方法は、前記燃料電池がアイドリング停止時モードと通常発電モードとの切替り、または、通常発電モードとアイドル停止モードとの切替りの際に、前記燃料電池のインピーダンス計測を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のインピーダンス計測方法。
17. 前記インピーダンス計測方法は、前記燃料電池の出力が概ね０．０１Ａ／ｃｍ^２の電流密度範囲と、概ね０．０３Ａ／ｃｍ^２の電流密度範囲との負荷変動を繰り返す領域において、前記燃料電池のインピーダンスを計測することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のインピーダンス計測方法。
18. 燃料電池を備えて負荷に電力を供給する燃料電池システムにおける前記燃料電池のインピーダンス計測方法であって、
    前記燃料電池のフラッディングにともない発生した電力関連値を用いて、前記燃料電池のインピーダンスを算出することを特徴とするインピーダンス計測方法。
19. 燃料電池と蓄電池を備え、負荷に電力を供給する燃料電池システムへの出力指示値と負荷の出力値とを基に、制御演算部が算出する電力指示値によって前記燃料電池と前記蓄電池が制御される燃料電池システムであって、
    前記制御演算部は、ハンチングが発生する負荷変動を起こす電力指示値を前記燃料電池に対し送るとともに、前記蓄電池にもその出力を変動させる電力指示値を送り、前記燃料電池と前記蓄電池の合計出力は変動させないことを特徴とする燃料電池システム。
20. 燃料電池と蓄電池を備え、負荷に電力を供給する燃料電池システムへの出力指示値と負荷の出力値とを基に、制御演算部が算出する電力指示値によって前記燃料電池と前記蓄電池が制御される前記燃料電池システムにおける前記燃料電池のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置であって、
    前記燃料電池の電流と電圧の時系列データを蓄積するデータ蓄積部と、
    電流と電圧を基にインピーダンスを算出するインピーダンス演算部と、
    を備え、
    該インピーダンス演算部は、所定時間内に前記負荷の所定以上の大きな変動が生じる際に、前記燃料電池がハンチングする前後の電流と電圧の時系列データを前記データ蓄積部から取得し、前記燃料電池のインピーダンスを計測する
    ことを特徴とするインピーダンス計測装置。
21. 前記制御演算部は、インピーダンス計測が必要な際に、ハンチングが発生する負荷変動を前記燃料電池に電力指示値として指示し、
    前記インピーダンス計測装置は、負荷変動に伴うハンチング状データからからインピーダンスを計測することを特徴とする請求項２０に記載のインピーダンス計測装置。
22. 前記制御演算部が、前記燃料電池のハンチングする負荷の変動を指示した際に、
    前記インピーダンス計測装置はハンチングを予測し、
    前記データ蓄積部はハンチング前後の前記燃料電池の電流と電圧の時系列データを蓄積し、
    前記インピーダンス演算部は、前記電流と電圧の時系列データに基づき前記燃料電池のインピーダンスを計測する事を特徴とする請求項２０に記載のインピーダンス計測装置。
23. 前記制御演算部が、前記燃料電池のハンチングする負荷の変動を指示した際に、前記燃料電池の出力を所定以上の変化率で変動させることでハンチングを発生することを特徴とする請求項２１または請求項２２に記載のインピーダンス計測装置。
24. 前記制御演算部は、前記インピーダンス計測が必要な際に、ハンチングが発生する負荷変動のうち最も小さい負荷変動を指示することを特徴とする請求項２３に記載のインピーダンス計測装置。
25. 燃料電池と蓄電池を備え、負荷に電力を供給する燃料電池システムへの出力指示値と負荷の出力値とを基に、制御演算部が算出する電力指示値によって前記燃料電池と前記蓄電池が制御される前記燃料電池システムにおける前記燃料電池のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置であって、
    前記燃料電池の電流と電圧のハンチングを検出するハンチング検出部と、
    前記燃料電池の電流と電圧の時系列データを蓄積するデータ蓄積部と、
    電流と電圧を基にインピーダンスを算出するインピーダンス演算部と、
    を備え、
    前記ハンチング検出部が前記燃料電池のハンチングを検出した際に、ハンチング前後の電流と電圧の時系列データをデータ蓄積部は蓄積し、前記インピーダンス演算部は前記データ蓄積部の電流と電圧の時系列データに基づき、前記燃料電池のインピーダンスを算出することを特徴とするインピーダンス計測装置。
26. 燃料電池と蓄電池を備え、負荷に電力を供給する燃料電池システムへの出力指示値と負荷の出力値とを基に、制御演算部が算出する電力指示値によって前記燃料電池と前記蓄電池が制御される前記燃料電池システムにおける前記燃料電池のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置であって、
    前記燃料電池と前記蓄電池の電流と電圧の時系列データを蓄積するデータ蓄積部と、
    電流と電圧を基にインピーダンスを算出するインピーダンス演算部と、
    を備え、
    該インピーダンス演算部は、所定時間内に前記負荷の所定以上の大きな変動が生じる際に前記燃料電池と蓄電池がハンチングする前後の電流と電圧の時系列データを前記データ蓄積部から取得し、前記燃料電池のインピーダンスを計測するとともに、併せて前記蓄電池のインピーダンスを計測する
    ことを特徴とするインピーダンス計測装置。
27. 前記データ蓄積部は、前記時系列データを所定時間、蓄積した後は、時間的に古い時系列データを消去しつつ、順次、新しい前記時系列データを蓄積することにより、データの蓄積量を所定以下に制限することを特徴とする請求項２０乃至請求項２６のいずれか一項に記載のインピーダンス計測装置。