JP6458679B2 - 交流電圧シャント装置及び電力調整システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力調整システムのための交流電圧シャント装置及び電力調整システムの制御方法に関する。

燃料電池を備える電力調整システムにおいて、燃料電池に接続された負荷の要求に応じて、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、空気）とを燃料電池に供給することにより発電させ、燃料電池の出力電力を負荷に供給可能な電力調整システムが知られている。

上記のような電力調整システムでは、燃料電池の動作状態を制御するために、例えば、インピーダンス測定装置やコントローラ等により交流電圧信号を出力しつつ燃料電池の出力電流及び出力電圧の交流成分を計測し、計測したこれらの交流成分を演算することにより、燃料電池の内部インピーダンスを推定している。

内部インピーダンスは、湿潤度と相関関係があるため、燃料電池の運転状態を制御するためには、内部インピーダンスを正確に推定する必要がある。

このような電力調整システムの負荷として、交流の駆動モータを備えた電気自動車（以下、単に「車両」という）を用いた場合、車両の減速時には駆動モータの回生エネルギーが発生する。そして、電力調整システムは、通常、高圧バッテリを備えており、回生時にはこの回生エネルギーにより高圧バッテリを充電するとともに、燃料電池の出力電流を絞る制御を行っている。

しかしながら、高圧バッテリが満充電に近い状態になると、高圧バッテリにより回生エネルギーを回収することができず、燃料電池の両端子間の電圧が高くなってしまう。このような状況では、燃料電池によるノイズ抑制効果が薄れてしまい、高レベルのノイズがインピーダンス測定装置に入力されてしまう。これにより、インピーダンス測定装置によるインピーダンス測定（推定）が不良となってしまい、車両がＦａｉｌにより停止する可能性があるという問題があった。

このような問題を解決するためには、例えば、エレベータや電車のように、ダイナミックブレーキ（短絡制動）を用いることが考えられる。このダイナミックブレーキでは、定格電力の大きい制動抵抗器を用いて、回生による電流をこの制動抵抗器に流すことにより、回生エネルギーを熱に変えて、端子間電圧の上昇を抑制するものである。

また、特許文献１には、燃料電池の交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段を備え、燃料電池の発電状態が安定しない場合には、交流インピーダンスの測定を中止させる燃料電池システムが開示される。

特許文献１の燃料電池システムのように、燃料電池の交流インピーダンスを測定することが困難な場合には、交流インピーダンスの測定を実施しないという対策も考えられる。

特許第５，１３６，９４５号

しかしながら、上述のダイナミックブレーキを燃料電池システムに導入する場合には、制動抵抗器が大きく、また発熱量も相当量であることを考慮すると、放熱設計と抵抗器の実装設計により燃料電池システムの製造コストを増加させるとともに、システムが大型化してしまうという問題がある。

また、長い下り坂などで回生エネルギーを熱エネルギーに変換すると、抵抗器やブレーキシステムが高温になり、ブレーキがＦａｉｌしてしまうという可能性もある。

一方、特許文献１の燃料電池システムでは、交流インピーダンスの測定不良の場合には、測定そのものを中止してしまうので、そのような状況が長時間続いたり、多発したりする場合には、燃料電池を的確に制御することができないという問題がある。

本発明は、上述の問題点に着目してなされたものであり、簡単な構成により、負荷変動によるノイズを低減させることができる交流電圧シャント装置及び電力調整システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、本発明の交流電圧シャント装置は、アノードガス及びカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池と、燃料電池の発電電力により駆動される負荷と、燃料電池に連結され、該燃料電池の内部インピーダンスを測定するインピーダンス測定装置と、を備える電力調整システムに用いられる交流電圧シャント装置であって、インピーダンス測定装置及び燃料電池の正極を結ぶ正極側強電ラインと、インピーダンス測定装置及び燃料電池の負極を結ぶ負極側強電ラインとの間に設けられ、燃料電池の出力電流又は出力電圧に基づいて、負荷の変動により生ずる駆動電圧脈動がインピーダンス測定装置によるインピーダンス測定に与える影響を除去するシャント部を備えている。

本発明によれば、簡単な構成により、負荷変動によるノイズを低減させることができるので、電力調整システム内の燃料電池の内部インピーダンスが測定不能となることがなく、確実に内部インピーダンスを測定することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池用の電力調整システムの全体構成を示す図である。 燃料電池スタックの端子間電圧と出力電流との関係を示すグラフである。 第１実施形態における交流電圧シャント装置の回路図である。 図１に示す燃料電池スタック用のインピーダンス測定装置の回路図である。 本実施形態の電圧シャント処理を示すタイムチャートである。 本実施形態のコントローラにより実行される電圧シャント処理を示すフローチャートである。 本実施形態のコントローラにより実行される別の電圧シャント処理を示すフローチャートである。 第２実施形態における交流電圧シャント装置の回路図である。 本実施形態の交流電圧シャント装置のインピーダンスの複素平面を示す図である。 第１及び第２実施形態の変形例における交流電圧シャント装置の回路図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池用の電力調整システム１００（以下、単に「電力調整システム１００」という）の全体構成を示す図である。本発明の電力調整システム１００は、強電バッテリを備え、燃料電池を駆動源とする車両に用いられるものである。この電力調整システム１００は、図１に示すように、例えば、駆動モータ５で車両を駆動する電気自動車（以下、単に「車両」という）に搭載される。なお、この電力調整システム１００は、燃料電池を駆動源とするものであれば、燃料電池車両（燃料電池を利用した電気自動車）以外の装置等の負荷にも適用することができる。

本実施形態の電力調整システム１００は、図１に示すように、燃料電池スタック１と、強電バッテリ３（以下、単に「バッテリ３」という）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（バッテリ用コンバータ）２とを備える。また、電力調整システム１００は、燃料電池スタック１を含む電力調整システム１００全体を制御するコントローラ８と、負荷としての駆動モータ５と、燃料電池スタック１及びバッテリ３から入力される直流電力を駆動モータ５への交流電力にスイッチング制御するインバータ４とを備える。

さらに、本実施形態の電力調整システム１００は、燃料電池スタック１を構成する燃料電池の内部インピーダンスを測定するためのインピーダンス測定装置２００と、本発明の交流電圧シャント装置を構成する電圧シャント部１０とを備える。

電圧シャント部１０は、インピーダンス測定装置２００及び燃料電池スタック１の正極１Ｂを結ぶ正極側強電ライン１０Ｂと、インピーダンス測定装置２００及び燃料電池スタック１の負極１Ａを結ぶ負極側強電ライン１０Ａとの間に設けられる。電圧シャント部１０の具体的な構成については後述する。

燃料電池スタック１の正極１Ｂ側の電力線には、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ６が設けられる。また、燃料電池スタック１の出力端子間には、燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ７が設けられる。

燃料電池スタック１は、インバータ４を介して駆動モータ５に接続される。燃料電池スタック１は、図示しないカソードガス給排装置及びアノードガス給排装置からカソードガス（酸化剤ガス）及びアノードガス（燃料ガス）の供給を受けて、駆動モータ５などの電気負荷に応じて発電する積層電池である。燃料電池スタック１には、例えば数百枚の燃料電池が積層されている。

燃料電池スタック１には、アノードガスの給排気通路やカソードガスの給排気通路、各通路に設けられる調圧弁、冷却水循環通路や冷却水ポンプ、ラジエータ、燃料電池スタック１の冷却装置などの多くの装置が接続されている。しかしながら、これらは本発明の技術的特徴とは関係性が低いので、それらの図示を省略している。

駆動モータ５は、本実施形態の電力調整システム１００が搭載される車両を駆動するものである。インバータ４は、燃料電池スタック１やバッテリ３から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を駆動モータ５に供給するものである。駆動モータ５は、インバータ４により供給される交流電力により回転駆動し、その回転エネルギーを後段に供給する。なお、図示しないが、駆動モータ５は、ディファレンシャル及びシャフトを介して車両の駆動輪に連結されている。

車両の降坂時や減速時には、バッテリ３の充電状態に応じて、インバータ４及びＤＣ／ＤＣコンバータ２を介して、駆動モータ５の回生電力がバッテリ３に供給され、バッテリ３が充電される。また、車両の力行時には、燃料電池スタック１の発電電力やバッテリ３からの蓄電電力により、駆動モータ５が回転し、その回転エネルギーが図示しない車両の駆動輪に伝達される。

バッテリ３は、充放電可能な二次電池であり、例えば、３００Ｖ（ボルト）のリチウムイオンバッテリである。バッテリ３は、図示しない補機類に接続され、補機類の電源を構成する。また、バッテリ３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を介して、インバータ４及び燃料電池スタック１に接続される。すなわち、バッテリ３は、電力調整システム１００の負荷である駆動モータ５に対して、燃料電池スタック１と並列に接続される。

バッテリ３の出力端子間には、バッテリ３の出力電圧を検出するための図示しない電圧センサと、バッテリ３の出力電圧を平滑化するための図示しないコンデンサとが接続される。この電圧センサにより検出したバッテリ３の出力電圧データは、コントローラ８に出力される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、バッテリ３とインバータ４（駆動モータ５）との間に設けられる。このＤＣ／ＤＣコンバータ２は、コントローラ８の制御により、バッテリ３の出力電圧を所定の要求電圧比でインバータ４の入力電圧に変換するものである。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は、燃料電池スタック１の出力電圧とリンク（同期）させるように制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子間には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を平滑化するための図示しないコンデンサと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（インバータ４の入力電圧）を検出するための図示しない電圧センサとが接続される。この電圧センサにより検出したＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧データは、コントローラ８に出力される。

補機類は、主に燃料電池スタック１に付属される部品であり、上述のようなカソードガス給排装置及びアノードガス給排装置や、図示しない空気コンプレッサ、冷却ポンプなどを含む。なお、補機類の各種部品が弱電機器である場合、バッテリ３と対象となる補機類との間に図示しない降圧ＤＣ／ＤＣコンバータを設ければよい。その代わりに、弱電機器用の図示しない弱電バッテリを設けてもよい。

コントローラ８は、図示しないが、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ８には、電流センサ６及び電圧センサ７により検出された燃料電池スタック１の出力電流値及び出力電圧値が入力される。

また、コントローラ８は、各センサ６、７から入力された燃料電池スタック１の出力電流値及び出力電圧値と、図示しない検出部から入力された駆動モータ５のモータ回転数及びモータトルクとに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を作動させる。

さらに、コントローラ８は、インピーダンス測定装置２００に対して、燃料電池スタック１のインピーダンス測定要求を出力する。それに応じて、インピーダンス測定装置２００は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定し、その測定結果をコントローラ８に出力する。なお、本実施形態では、インピーダンス測定装置２００は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを常時測定している。

コントローラ８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を制御するものである。コントローラ８は、インバータ４への入力電圧が駆動モータ５の要求電圧（ＤＣリンク電圧）になるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２による電圧比を制御する。

コントローラ８には、上述した電圧センサにより検出されたバッテリ３及びＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧値が入力される。コントローラ８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の電圧比（出力電圧／入力電圧）が要求電圧になるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の図示しないスイッチング素子をスイッチング制御する。

インピーダンス測定装置２００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の装置である。インピーダンス測定装置２００は、燃料電池スタック１の正極１Ｂと中間点１Ｃの間と、燃料電池スタック１の中間点１Ｃと負極１Ａの間とに交流電流を出力することにより、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する。インピーダンス測定装置２００の構成については、図４を用いて後述する。

電流センサ６は、燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃを検出する。検出した燃料電池スタック１の出力電流データは、コントローラ８に出力される。本実施形態では、コントローラ８は、この燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃの値に基づいて、後述する電圧シャント処理を実行する。

電圧センサ７は、燃料電池スタック１の正極１Ｂ及び負極１Ａの間の電圧、すなわち出力端子間の端子間電圧Ｖｐｎを検出する。検出した燃料電池スタック１の出力電圧データは、コントローラ８に出力される。本実施形態では、コントローラ８は、この端子間電圧Ｖｐｎの値に基づいても、後述する電圧シャント処理を実行することができる。

次に、インピーダンス測定装置２００による燃料電池スタック１の内部インピーダンスの測定が不良となり得る状況について説明する。図２は、燃料電池スタックの端子間電圧と出力電流との関係を示すグラフである。

上述のように、燃料電池スタック１の出力端子間の端子間電圧及び出力電流をＶｐｎ及びＩｃとし、燃料電池スタック１により発生する発生電圧をＶｃとし、燃料電池スタック１の内部抵抗をＲｃとすると、以下の式が成立する。

Ｖｐｎ＝Ｖｃ−Ｉｃ×Ｒｃ （１）
本実施形態の電力調整システム１００を搭載した車両は、インバータ４を介して、燃料電池スタック１により発電した電力と、バッテリ３に蓄電されている電力とを駆動モータ５に供給することにより走行する。加速時には、燃料電池スタック１内で反応させるアノードガス及びカソードガスを多く供給することにより、大きい出力電流Ｉｃを駆動モータ５に供給する。

一方、車両の減速時には、駆動モータ５に供給すべき電流が減るため、図２に示すように、端子間電圧Ｖｐｎは、発生電圧Ｖｃに近づいていく。さらに、車両の制動時には、駆動モータ５の回生エネルギーにより発生した回生電流Ｉｒが燃料電池スタック１側に逆流することとなる。

回生電流Ｉｒにより燃料電池スタック１を充電するようになると、燃料電池スタック１の出力電流がマイナス極性となる。そのため、端子間電圧Ｖｐｎが燃料電池スタック１の発生電圧Ｖｃを上回ってしまい、インバータ４や図示しない補機類を破損させるおそれがある。一般的に、インバータ４には、印加電圧が所定電圧以上にならないようにするための保護回路が内蔵されている。

しかしながら、インピーダンス測定装置２００を有する場合には、減速あるいは制動時の負荷変動による燃料電池スタック１の端子間電圧Ｖｐｎの電圧変動の影響（交流ノイズ）により、インピーダンス測定装置２００の測定不良が発生する場合がある。このような現象は、電圧変動の大きさがトリガとなっており、その電圧変動の大きさＶｅ（交流電圧の振幅）は、以下に示すように、端子間電圧Ｖｐｎに比例する。

Ｖｅ＝ＲＬ×（Ｖｐｎ−Ｖｒ）／Ｒｉｎｖ （２）
Ｉｅ＝（Ｖｐｎ−Ｖｒ）／Ｒｉｎｖ （３）
ここで、ＲＬは、燃料電池スタック１の出力端子間に接続された負荷、すなわち、駆動モータ５の合成抵抗であり、Ｒｉｎｖは、インバータ４の内部抵抗であり、Ｖｒは、駆動モータ５の定格電圧である。これらの値は、概略一定とみなすことができる。また、Ｉｅは、負荷変動によりシステム内に流れる電流である。

したがって、電圧変動を抑制するためには、直流電圧分を含む燃料電池スタック１の端子間電圧Ｖｐｎが所定の電圧変動抑制レベル以下であればよい。図２に示すように、電圧変動抑制レベルが設定されると、燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃの電流閾値も決定される。そして、図２の斜線部で示す領域が、インピーダンス測定装置２００のインピーダンス測定に影響を与える領域となる。すなわち、インピーダンス測定装置２００が測定不良を引き起こす状況は、燃料電池スタック１からの出力電流Ｉｃが電流閾値（所定値）よりも少ない範囲となる。なお、電流閾値としては、本実施形態の電力調整システム１００においては、１０〜２０Ａ程度である。

そのため、少なくとも燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃが電流閾値以下の場合には、本実施形態の電圧シャント部１０の機能を有効にする（後述するシャントスイッチをＯＮする）。これにより、負荷変動電流Ｉｅが電圧シャント部１０を流れることにより、正負極間の合成抵抗（すなわち、燃料電池スタックの内部抵抗Ｒｃと、駆動モータ５の合成抵抗ＲＬと、電圧シャント部１０の内部抵抗とが並列に接続されている場合の合成抵抗）が引き下げられ、端子間電圧Ｖｐｎが低下する。したがって、従来問題となっていたインピーダンス測定装置２００の測定不良を軽減あるいは回避することができる。

次に、本実施形態の電圧シャント部１０の回路構成を説明する。図３は、第１実施形態における交流電圧シャント装置を構成する電圧シャント部１０の回路図である。図３に示すように、本実施形態の電圧シャント部１０は、シャントスイッチ１１と、シャント抵抗１２とを含む。

シャントスイッチ１１は、コントローラ８によりその開閉動作を制御される。燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃが図２に示す電流閾値以下になると、コントローラ８は、シャントスイッチ１１を閉じる。これにより、電圧シャント部１０に電流が流れることにより、上述のように、インピーダンス測定装置２００の測定不良を軽減あるいは回避することができる。

このシャントスイッチ１１としては、機械接点のリレー又はＩＧＢＴなどの電子スイッチングデバイスを用いた開閉スイッチを用いればよい。このような構成とすることにより、電圧シャント部１０を容易に構成することができるとともに、交流電圧シャント装置の製造コストを低く抑えることができる。

シャント抵抗１２は、抵抗素子から構成される。シャント抵抗１２の抵抗値は、上述の電圧変動の大きさＶｅを所望の大きさ以下に抑えるために必要な大きさ（またはそれ以下）の値とすればよい。本実施形態では、シャント抵抗１２の抵抗値は、例えば、１Ωである。

シャント抵抗１２には、空冷又は液冷式の抵抗器を適用することもできる。また、本実施形態では、シャント抵抗１２は、車室内の暖房用ヒータや、窓ガラスの曇り防止ヒータに通電させることにより、代用することも可能である。

本実施形態では、シャントスイッチ１１とシャント抵抗１２により電圧シャント部１０を構成している。電流センサ６により検出した燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃが所定の電流閾値以下になると、電圧シャント部１０の機能を発揮するようにしたので、このような簡単な構成で電圧シャント部１０を製造することができる。

次に、インピーダンス測定装置２００の構成を説明する。図４は、図１に示す燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定するためのインピーダンス測定装置２００の回路図である。実線により示される接続は、電気的な接続を示し、破線（ダッシュ線）で示される接続は、電気信号の接続を示す。

このインピーダンス測定装置２００は、燃料電池スタック１の正極端子（カソード極側端子）１Ｂと、負極端子（アノード極側端子）１Ａと、中途端子１Ｃとに接続されている。なお、中途端子１Ｃに接続された部分は図に示すようにアースされている。

図４に示すように、インピーダンス測定装置２００は、正極側電圧センサ２１０と、負極側電圧センサ２１２と、正極側電源部２１４と、負極側電源部２１６と、交流調整部２１８と、インピーダンス演算部２２０と、を備えている。

正極側電圧センサ２１０は、正極端子１Ｂと中途端子１Ｃとに接続され、中途端子１Ｃに対する正極端子１Ｂの正極側交流電位差Ｖ１を測定し、交流調整部２１８及びインピーダンス演算部２２０にその測定結果を出力する。負極側電圧センサ２１２は、中途端子１Ｃと負極端子１Ａとに接続され、中途端子１Ｃに対する負極端子１Ａの負極側交流電位差Ｖ２を測定し、交流調整部２１８及びインピーダンス演算部２２０にその測定結果を出力する。

正極側電源部２１４は、例えば、図示しないオペアンプによる電圧電流変換回路によって実現され、正極端子１Ｂと中途端子１Ｃからなる閉回路に交流電流Ｉ１が流れるように、交流調整部２１８により制御される。また、負極側電源部２１６は、例えば、オペアンプ（ＯＰアンプ）による電圧電流変換回路によって実現され、負極端子１Ａと中途端子１Ｃからなる閉回路に交流電流Ｉ２が流れるように、交流調整部２１８により制御される。

交流調整部２１８は、例えば、図示しないＰＩ制御回路によって実現され、上述のような交流電流Ｉ１、Ｉ２が各閉回路に流れるように、正極側電源部２１４及び負極側電源部２１６への指令信号を生成する。このように生成された指令信号に応じて正極側電源部２１４及び負極側電源部２１６の出力が増減されることにより、各端子間の交流電位差Ｖ１及びＶ２が共に所定のレベル（所定値）に制御される。これにより、交流電位差Ｖ１及びＶ２は等電位になる。

インピーダンス演算部２２０は、図示しないＡＤ変換器やマイコンチップ等のハードウェア、及びインピーダンスを算出するプログラム等のソフトウェア構成を含む。インピーダンス演算部２２０は、各部２１０、２１２、２１４、２１６から入力された交流電流（Ｉ１、Ｉ２）及び交流電圧（Ｖ１、Ｖ２）をＡＤ変換器によりデジタル数値信号に変換し、インピーダンス測定のための処理を行う。

具体的には、インピーダンス演算部２２０は、正極側交流電位差Ｖ１を交流電流Ｉ１で除算することにより、中途端子１Ｃから正極端子１Ｂまでの第１インピーダンスＺ１を算出する。また、インピーダンス演算部２２０は、負極側交流電位差Ｖ２を交流電流Ｉ２で除算することにより、中途端子１Ｃから負極端子１Ａまでの第２インピーダンスＺ２を演算する。さらに、インピーダンス演算部２２０は、第１インピーダンスＺ１と第２インピーダンスＺ２を加算することにより、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを演算する。

なお、本実施形態では、電力調整システム１００は、燃料電池スタック１の出力側にＤＣ／ＤＣコンバータを備え、燃料電池スタック１の出力電圧を昇圧可能に構成してもよい。この場合において、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する際には、コントローラ８は、まず、そのＤＣ／ＤＣコンバータに燃料電池スタック１の出力電圧を昇圧させる。これにより、インバータ４から燃料電池スタック１側を見た場合のインピーダンスが上昇し、負荷変動があってもインピーダンス測定に悪影響を与えないという効果を奏する。本実施形態の交流電圧シャント装置とともに用いることにより、燃料電池スタック１の内部インピーダンスをより正確に測定することができる。

図４では、図示の都合上、正極端子１Ｂ及び負極端子１Ａを燃料電池スタック１の各出力端子に直接的に接続するように示している。しかしながら、本実施形態の電力調整システム１００では、このような結線に限らず、正極端子１Ｂ及び負極端子１Ａは、燃料電池スタック１内に積層される複数の燃料電池の最も正極側の燃料電池の正極端子と、最も負極側の燃料電池の負極端子とに接続されてもよい。

また、本実施形態では、インピーダンス演算部２２０は、マイコンチップ等のハードウェアが図示しないメモリに予め記憶されているプログラムを実行することにより、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを演算する構成としている。しかしながら、インピーダンス演算部２２０は、このような構成に限らない。例えば、インピーダンス演算部２２０は、アナログ演算ＩＣを用いたアナログ演算回路で実現されてもよい。アナログ演算回路を用いることにより、時間的に連続したインピーダンスの変化を出力することができる。

ここで、本実施形態では、インピーダンス測定装置２００は、交流電流及び交流電圧として、正弦波信号からなる交流信号を用いている。しかしながら、これらの交流信号は、正弦波信号に限らず、矩形波信号や三角波信号、鋸波信号などであってもよい。

次に、本実施形態の電力調整システム１００を搭載した車両（電気自動車）の走行パターンの一例に基づいて、交流電圧シャント装置の動作を説明する。図５は、本実施形態の電圧シャント処理を示すタイムチャートである。図５（ａ）は、端子間電圧Ｖｐｎを示し、図５（ｂ）は、燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃを示し、図５（ｃ）は、電圧シャント部１０のシャントスイッチ１１のＯＮ／ＯＦＦ動作を示す。なお、図５（ａ）において、点線は、電圧シャント部１０の機能を発揮させなかった場合の端子間電圧Ｖｐｎを示し、実線は、電圧シャント部１０の機能を発揮させたことにより、電圧変動抑制レベルまで下がった端子間電圧Ｖｐｎを示す。

図５に示すように、本例では、車両は、電力調整システム１００を起動すると、加速して車速を上げていき、あるタイミングでアクセルペダルの踏込みを止める。その後、車両は、追い越し車線に入り、他の車両を追い越すために再度加速をする。最終的に、車両を停車させ、電力調整システム１００を停止させる。

システム起動時には、駆動モータ５などの負荷が軽いため、燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃは起動時に一瞬だけ大きくなり、その後少なくなる。また、端子間電圧Ｖｐｎは高くなるため、インピーダンス測定装置２００の測定不良が発生する可能性がある。そのため、システム起動直後（出力電流Ｉｃがシャント実行閾値未満になった後）には、電圧シャント部１０のシャントスイッチ１１をＯＮにしてシャント抵抗１２に電流を流すことにより、端子間電圧Ｖｐｎは、点線から実線で示す所定電圧まで低減・維持される。

なお、この場合におけるシャントスイッチ１１のＯＮ／ＯＦＦタイミングの判定は、端子間電圧Ｖｐｎが電圧変動抑制レベルよりも高いか否かに基づいて、あるいは、燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃがシャント実行閾値（電圧閾値）よりも小さいか否かに基づいて、コントローラ８により実行される。

次いで、車両が発進加速をしたり、追い越し加速をしたりするときには、燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃが増加する。端子間電圧Ｖｐｎが電圧変動抑制レベルよりも下がるか、燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃがシャント実行閾値よりも大きくなったことに基づいて、コントローラ８は、電圧シャント部１０のシャントスイッチ１１をＯＦＦさせる。これにより、電圧シャント部１０のシャント抵抗１２に電流が流れることを停止させるので、シャント抵抗１２の無用な発熱を抑えることができる。

また、車両が走行状態からアクセルをＯＦＦにして減速したり、ブレーキをかけたりするときには、駆動モータ５からの回生電流Ｉｒが燃料電池スタック１側に逆流することとなる。そのため、コントローラ８は、電圧シャント部１０のシャントスイッチ１１をＯＮにして、端子間電圧Ｖｐｎの上昇をより強く抑制する。この場合、電圧シャント部１０は、複数のシャント抵抗１２を直列又は並列に接続しておき（図示せず）、回生電流Ｉｒの大きさに応じて、複数のシャント抵抗１２のいずれか又はいくつかを選択するようにしても構成してもよい。シャント抵抗１２を複数に分けることにより、１つのシャント抵抗１２の抵抗値（定格電力）を少なくすることができるので、電圧シャント部１０全体の小型化・低コスト化を図ることができる。

次に、図６に示すフローチャートを用いて、本実施形態の電圧シャント部１０の動作を説明する。図６は、本実施形態のコントローラ８により実行される電圧シャント処理を示すフローチャートである。この電圧シャント処理は、電力調整システム１００が起動している間、所定の時間間隔（例えば、０．１秒毎）で実行される。

この電圧シャント処理では、コントローラ８は、まず、電圧センサ７を用いて、燃料電池スタック１の出力端子間の端子間電圧Ｖｐｎを検出する（ステップＳ１０１）。そして、コントローラ８は、検出した端子間電圧Ｖｐｎが上述の電圧変動抑制レベルの電圧値（以下、「所定の電圧値」ともいう）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

端子間電圧Ｖｐｎが所定の電圧値よりも大きいと判定した場合には、コントローラ８は、電圧シャント部１０内のシャントスイッチ１１をＯＮにする（ステップＳ１０４）。一方、端子間電圧Ｖｐｎが所定の電圧値以下であると判定した場合には、コントローラ８は、電圧シャント部１０内のシャントスイッチ１１をＯＦＦにする（ステップＳ１０３）。

次いで、コントローラ８は、電力調整システム１００の停止シーケンスが開始されたか否かを判定する（ステップＳ１０５）。なお、この判定では、例えば、電力調整システム１００を搭載する車両のユーザがイグニッションキーをＯＦＦしたか否かを監視することにより実行されればよい。

ステップＳ１０５において、電力調整システム１００の停止シーケンスが開始されていないと判定した場合には、コントローラ８は、この電圧シャント処理を終了する。一方、電力調整システム１００の停止シーケンスが開始されたと判定した場合には、コントローラ８は、電圧シャント部１０内のシャントスイッチ１１をＯＦＦにする（ステップＳ１０６）。

ここで、電力調整システム１００の停止時に、シャントスイッチ１１をＯＦＦするのは、電力調整システム１００全体の安全性に加えて、システム停止中の無駄なバッテリ３の充電電力の消費を防止するためである。

そして、コントローラ８は、所定のシステム停止シーケンスを実行して（ステップＳ１０７）、この電圧シャント処理を終了する。なお、システム停止シーケンスについては、電力調整システム１００のシステム構成に応じて、公知の方法で行えばよいので、ここではその詳細な説明を省略する。

本実施形態の電圧シャント処理は、上述のように電力調整システム１００が起動しているときであって、燃料電池スタック１が起動中に実行されるものである。しかしながら、電力調整システム１００を搭載した車両の一時停止中などのアイドルストップや、車両が下り坂等を走行中であって、駆動モータ５が回生動作を行っているときなど、燃料電池スタック１が発電を停止しているときには、たとえ車両の図示しない制動装置が作動していたとしても、この電圧シャント処理が実行されることはない。これにより、燃料電池スタック１の発電停止中におけるバッテリ３の充電電力や駆動モータ５による回生エネルギーの無駄な消費を防止することができる。

次に、図７に示すフローチャートを用いて、本実施形態の電圧シャント部１０の別の動作を説明する。図７は、本実施形態のコントローラ８により実行される別の電圧シャント処理を示すフローチャートである。図６のフローチャートと同様のステップには、同じステップ番号を付してある。この電圧シャント処理は、電力調整システム１００が起動している間、所定の時間間隔（例えば、０．１秒毎）で実行される。

この電圧シャント処理では、コントローラ８は、まず、電流センサ６を用いて、燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃを検出する（ステップＳ２０１）。そして、コントローラ８は、検出した出力電流Ｉｃが上述の電流閾値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２０２）。

出力電流Ｉｃが電流閾値よりも小さいと判定した場合には、コントローラ８は、電圧シャント部１０内のシャントスイッチ１１をＯＮにする（ステップＳ１０４）。一方、出力電流Ｉｃが電流閾値以上であると判定した場合には、コントローラ８は、電圧シャント部１０内のシャントスイッチ１１をＯＦＦにする（ステップＳ１０３）。

次いで、コントローラ８は、電力調整システム１００の停止シーケンスが開始されたか否かを判定する（ステップＳ１０５）。なお、この判定では、例えば、電力調整システム１００を搭載する車両のユーザがイグニッションキーをＯＦＦしたか否かを監視することにより実行されればよい。

ステップＳ１０５において、電力調整システム１００の停止シーケンスが開始されていないと判定した場合には、コントローラ８は、この電圧シャント処理を終了する。一方、電力調整システム１００の停止シーケンスが開始されたと判定した場合には、コントローラ８は、電力調整システム１００全体の安全性のために、電圧シャント部１０内のシャントスイッチ１１をＯＦＦにする（ステップＳ１０６）。

そして、コントローラ８は、所定のシステム停止シーケンスを実行して（ステップＳ１０７）、この電圧シャント処理を終了する。なお、システム停止シーケンスについては、電力調整システム１００のシステム構成に応じて、公知の方法で行えばよいので、ここではその詳細な説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態の交流電圧シャント装置は、アノードガス及びカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池スタック１（燃料電池）と、燃料電池スタック１の発電電力により駆動される負荷としての駆動モータ５と、燃料電池スタック１に連結され、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定するインピーダンス測定装置２００と、を備える電力調整システム１００に用いられる交流電圧シャント装置である。交流電圧シャント装置（電圧シャント部１０）は、インピーダンス測定装置２００及び燃料電池スタック１の正極１Ｂを結ぶ正極側強電ライン１０Ｂと、インピーダンス測定装置２００及び燃料電池スタック１の負極１Ａを結ぶ負極側強電ライン１０Ａとの間に設けられ、燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃ又は端子間電圧Ｖｐｎ（出力電圧）に基づいて、負荷の変動により生ずる駆動電圧脈動がインピーダンス測定装置２００によるインピーダンス測定に与える影響を除去する電圧シャント部１０（シャント部）を備えている。本実施形態の交流電圧シャント装置はこのように構成されているので、電圧シャント部１０により、負荷の変動、特に、電圧変動（電圧上昇）により、インピーダンス測定装置２００のインピーダンス測定に用いられる周波数の交流電圧がインピーダンス測定装置２００側に流入することを防止することができる。これにより、インピーダンス測定装置２００が測定不良になる状況を確実に防止することができる。

このように、本実施形態の交流電圧シャント装置は、インピーダンス測定装置２００のインピーダンス測定に影響を与える場面のみ、その影響を除去するように構成したため、インピーダンス測定装置２００が測定不良に至るような場面で確実に対策することができる。また、本実施形態の交流電圧シャント装置では、電圧シャント部１０による機能をこのような場合のみに限定しているので、電圧シャント部１０内部のシャント抵抗１２による発熱（放熱）を最小限にすることができる。したがって、交流電圧シャント装置を小型・安価な構成で実現することができる。

本実施形態では、電圧シャント部１０は、リレー又はスイッチングデバイスを用いたシャントスイッチ１１（開閉スイッチ）を含むように構成される。交流電圧シャント装置をこのように構成することにより、インピーダンス測定装置２００が測定不良になる状況を確実に防止することができるとともに、交流電圧シャント装置を小型・安価に構成することができる。

本実施形態では、電圧シャント部１０は、燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃが所定の電流閾値（所定値）未満のとき、シャントスイッチ１１を閉じるように構成されればよい。あるいは、電圧シャント部１０は、燃料電池スタック１の出力端子間の端子間電圧Ｖｐｎが所定の電圧値（電圧変動抑制レベルに相当する電圧値）より大きいとき、シャントスイッチ１１を閉じるように構成してもよい。交流電圧シャント装置をこのように構成することにより、インピーダンス測定装置２００が測定不良になる状況を確実に防止することができる。

なお、本実施形態では、電圧シャント部１０を別体として設ける場合を説明した。しかしながら、本発明は、このような構成に限らない。電圧シャント部１０（交流電圧シャント装置）は、例えば、インピーダンス測定装置２００に内蔵されていてもよい。これにより、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの測定不良が発生するという問題をインピーダンス測定装置２００の内部で解決することができるので、インピーダンス測定装置２００以外の構成部品は、交流電圧シャント装置を設けていない電力調整システム１００と共通部品化することができる。したがって、種々のシステム構成を備えることが可能な電力調整システム１００全体の製造コストを削減することができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について、第１実施形態との相違点を主として説明する。なお、電力調整システム１００の全体構成は、第１実施形態と実質的に同様であるので、ここでは、システム全体構成の説明を省略する。また、本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

上記第１実施形態では、図３に示すように、電圧シャント部１０がシャントスイッチ１１と、シャント抵抗１２とから構成された交流電圧シャント装置を用いた場合を説明した。本実施形態では、シャントスイッチ１１の代わりに、電圧シャント部１０が共振回路を備える点で第１実施形態とは相違する。

まず、電圧シャント部１０の構成を説明する。図８は、第２実施形態における交流電圧シャント装置の回路図である。本実施形態の交流電圧シャント装置は、図８に示すような電圧シャント部１０を備える。この電圧シャント部１０は、シャントスイッチ１１の代わりに、コンデンサ１３及びコイル１４からなる共振回路を備えている。

コンデンサ１３とコイル１４は、所定の周波数において共振することにより、選択的なスイッチング効果を有するものである。ここで、「所定の周波数」は、インピーダンス測定装置２００のインピーダンス測定に用いられる周波数に設定される。その所定の周波数が１ｋＨｚの場合、例えば、コイル１４のインダクタンスを２．５ｍＨに設定すると、その周波数で直列共振するためのコンデンサ１３の静電容量は、以下の式を用いて、約１０μＦとなる。

ωＬ＝１／ωＣ （４）
ω＝１／２πｆ （５）
ここで、ωは、直列共振回路（ＲＬＣ回路）の角波数を示し、ｆは、この直列共振回路に供給される交流電源の周波数を示す。

図９は、本実施形態の交流電圧シャント装置のインピーダンスの複素平面を示す図である。図９に示すように、コンデンサ１３のインピーダンス（１／ωＣ）の虚軸成分の絶対値と、コイル１４のインピーダンス（ωＬ）の虚軸成分の絶対値とを等しくするように設定することにより、電圧シャント部１０全体のインピーダンスは、実軸成分のみとなり、対応する周波数の交流電流のみが流れやすくなる。

すなわち、このＲＬＣ回路が直列共振しているとき、コイル１４のインピーダンスの虚軸成分の絶対値とコンデンサ１３のインピーダンスの虚軸成分の絶対値が等しくなるため、電圧シャント部１０の両端間のインピーダンス（交流抵抗）は、ほぼシャント抵抗１２の抵抗値となる。

したがって、インピーダンス測定装置２００のインピーダンス測定に用いられる周波数である１ｋＨｚ近傍においては、第１実施例と同様に、図１に示す電圧シャント部１０の両端子間において、シャント抵抗１２を接続した場合（第１実施形態におけるシャントスイッチ１１のＯＮ）と同様の効果を得られる。

また、この所定の周波数（共振周波数）以外の周波数の交流電圧に対しては、シャントスイッチ１１をＯＦＦしたときと等価に作用するため、シャント抵抗１２に流れる実際の電流を小さくすることができる。これにより、第１実施形態の場合と比べて、シャント抵抗１２には定格電力のより小さい安価な抵抗器を用いることができる。

さらに、本実施形態の電圧シャント部１０は、所定の周波数帯の電流のみを通電することにより、インピーダンス測定装置２００のインピーダンス測定への影響を除去しているので、交流電圧シャント装置全体の発熱量を低く抑えることができる。そのため、交流電圧シャント装置を更に小型・安価に実現することができる。

以上説明したように、本実施形態の交流電圧シャント装置は、電圧シャント部１０（シャント部）が、シャント抵抗１２に加え、コイル１４及びコンデンサ１３から構成される共振回路となるように構成される。この電圧シャント部１０は、上述の共振周波数以外の交流電流を流すことがなく、インピーダンス測定装置２００のインピーダンス測定に影響を与える負荷変動を効果的に除去することができる。したがって、安価なコンデンサ１３とコイル１４とを用いることにより、電圧シャント部１０を構成するシャント抵抗１２及び共振回路のコストを低減することができるので、インピーダンス測定装置２００を備える電力調整システム１００全体の製造コストを低減することができる。

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。

上述の実施形態では、交流電圧シャント装置を構成する電圧シャント部１０が、燃料電池スタック１に対して、インピーダンス測定装置２００と並列に接続されるように、別部材として構成した例を説明した。しかしながら、本発明はこのような構成に限らない。例えば、電力調整システム１００は、電圧シャント部１０（交流電圧シャント装置）がインピーダンス測定装置２００に内蔵されているように構成してもよい。このように構成することにより、複数の部材によって構成される電力調整システム１００を製造する際に、部品の共有化（同じインピーダンス測定装置２００の使用）を図ることができる。これにより、電力調整システム１００全体の製造コストを低減することができる。

特に、インピーダンス測定装置２００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場合、インピーダンス測定装置２００から燃料電池スタック１に出力する交流電圧の周波数は一定に設定される。そのため、上述の第２実施形態のように、電圧シャント部１０を共振回路から構成する場合には、コイル１４のインダクタンスやコンデンサ１３の静電容量を固定値にすることができるので、部品の共有化に貢献することができる。

上述の実施形態では、電力調整システム１００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のインピーダンス測定装置２００を別装置として備えるように構成していたが、本発明はこのような構成に限らない。インピーダンス測定装置２００の代わりに、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を用いて重畳した電圧信号を利用する電力変調式インピーダンス測定装置を構成してもよい。この電力変調式インピーダンス測定装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の図示しないスイッチング素子のスイッチング動作により、所定の周波数の交流電圧を重畳して生成し、生成した交流電圧を燃料電池スタック１に印加したときのこの所定周波数における出力電流及び出力電圧の振幅を検出する。そして、コントローラ８は、検出した出力電圧の交流成分を検出した出力電流の交流成分で除算することにより、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定（演算）するように構成される。

上述の実施形態の交流電圧シャント装置（電圧シャント部１０）は、インピーダンスを測定するための交流電圧の周波数を考慮することにより、このような電力変調式インピーダンス測定装置に対しても適用することができる。

上述の第１実施形態では、電圧シャント部１０が、１つのシャントスイッチ１１と１つのシャント抵抗１２から構成される場合を説明し、上述の第２実施形態では、電圧シャント部１０が、シャント抵抗１２、コンデンサ１３及びコイル１４をそれぞれ１つ備える場合を説明した。しかしながら、本発明はこのような構成に限らず、各素子を複数備え、それらが並列に接続されるような構成を有してもよい。

一例として、各素子を３つずつ備える場合を示す。図１０は、第１及び第２実施形態の変形例における交流電圧シャント装置の回路図である。図１０（ａ）は、第１実施形態の電圧シャント部１０の変形例である電圧シャント部１０’を示す。図１０（ｂ）は、第２実施形態の電圧シャント部１０の変形例である電圧シャント部１０”を示す。

交流電圧シャント装置をこれらの変形例のように構成することにより、並列接続されるシャント抵抗１２を流れる電流量を低減することができる。これにより、シャント抵抗１２の発熱を効果的に低減することができ、各シャント抵抗１２の抵抗値を下げることもできる。また、第１実施形態の変形例である電圧シャント部１０’によれば、燃料電池スタック１の出力電流Ｉｃや端子間電圧Ｖｐｎの大きさに基づいて、シャントスイッチ１１をＯＮする数を調整することができる。

なお、これらの変形例では、各素子が３つの場合について図示したが、本発明は、このような構成に限らない。本発明の交流電圧シャント装置では、電力調整システム１００のシステム構成に基づいて、各素子の数を適宜決定すればよい。

上述の実施形態では、交流電圧シャント装置を用いた電圧シャント処理が、電力調整システム１００が起動しているときであって、燃料電池スタック１が起動中に実行されるとして説明した（例えば、図６及び図７のフローチャート参照）。しかしながら、電力調整システム１００を搭載した車両の一時停止中などのアイドルストップや、車両が下り坂等を走行中であって、駆動モータ５が回生動作を行っているときなど、燃料電池スタック１が発電を停止しているときには、たとえ車両の図示しない制動装置が作動していたとしても、この電圧シャント処理が実行されることはない。これにより、燃料電池スタック１の発電停止中におけるバッテリ３の充電電力や駆動モータ５による回生エネルギーの無駄な消費を防止することができる。

１ 燃料電池スタック
２ コンバータ
３ バッテリ
４ インバータ
５ 駆動モータ
６ 電流センサ
７ 電圧センサ
８ コントローラ
１０、１０’、１０” 電圧シャント部
１１ シャントスイッチ
１２ シャント抵抗
１３ コンデンサ
１４ コイル
１００ 電力調整システム
２００ インピーダンス測定装置

Claims (6)

1. アノードガス及びカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の発電電力により駆動される負荷と、
   前記燃料電池に連結され、該燃料電池の内部インピーダンスを測定するインピーダンス測定装置と、
   を備える電力調整システムに用いられる交流電圧シャント装置であって、
   前記インピーダンス測定装置及び前記燃料電池の正極を結ぶ正極側強電ラインと、前記インピーダンス測定装置及び前記燃料電池の負極を結ぶ負極側強電ラインとの間に設けられ、前記燃料電池の出力電流又は出力電圧に基づいて、前記負荷の変動により生ずる駆動電圧脈動が前記インピーダンス測定装置によるインピーダンス測定に与える影響を除去するシャント部を備えた、
   交流電圧シャント装置。
2. 請求項１に記載の交流電圧シャント装置であって、
   前記シャント部は、リレー又はスイッチングデバイスを用いた開閉スイッチを含む、
   交流電圧シャント装置。
3. 請求項２に記載の交流電圧シャント装置であって、
   前記シャント部は、前記燃料電池の出力電流が所定値未満のとき、前記開閉スイッチを閉じる、
   交流電圧シャント装置。
4. 請求項１に記載の交流電圧シャント装置であって、
   前記シャント部は、コイル及びコンデンサから構成される共振回路を含む、
   交流電圧シャント装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の交流電圧シャント装置であって、
   前記交流電圧シャント装置は、前記インピーダンス測定装置に内蔵されている、
   交流電圧シャント装置。
6. アノードガス及びカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の発電電力により駆動される負荷と、
   前記燃料電池に連結され、該燃料電池の内部インピーダンスを測定するインピーダンス測定装置と、
   前記インピーダンス測定装置及び前記燃料電池の正極を結ぶ正極側強電ラインと、前記インピーダンス測定装置及び前記燃料電池の負極を結ぶ負極側強電ラインとの間に設けられ、前記燃料電池の出力電流又は出力電圧に基づいて、前記負荷の変動により生ずる駆動電圧脈動が前記インピーダンス測定装置へ与える影響を除去する交流電圧シャント装置と、
   を備える電力調整システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の出力端子間の出力電圧を検出するステップと、
   前記検出した出力電圧が所定の閾値よりも大きいか否かを判定するステップと、
   前記検出した出力電圧が所定の閾値よりも大きいと判定した場合には、前記交流電圧シャント装置の機能を有効にするステップと、
   を含む、
   電力調整システムの制御方法。

Images