(57)【要約】【課題】燃料電池に交流を印加して燃料電池の内部インピーダンスを測定する燃料電池システムにおいて、燃料電池の目標電圧に対する実電圧の追従性を向上させる。【解決手段】燃料電池と、二次電池と、燃料電池および二次電池の間に設けられた昇降圧コンバータとを有する燃料電池システムは、燃料電池の目標電圧と実電圧との偏差を低減するためのフィードバック制御により、燃料電池の目標電圧を新たに算出し、新たに算出した燃料電池の目標電圧と、二次電池の実電圧と、昇降圧コンバータ内のリアクトルの目標両端電圧とに基づいて、昇降圧コンバータが交流を生成して燃料電池に印加するように、昇降圧コンバータ内のスイッチング素子を制御する。そして、昇降圧コンバータによって交流が印加された燃料電池に流れる電流の交流成分および燃料電池の電圧の交流成分に基づいて、燃料電池の内部インピーダンスを求める。【選択図】図４
2014235780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、二次電池と、前記燃料電池および前記二次電池の間に設けられた昇降圧コンバータとを有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の目標電圧と実電圧との偏差を低減するためのフィードバック制御により、前記燃料電池の目標電圧を新たに算出する目標電圧算出手段と、
前記新たに算出された燃料電池の目標電圧と、前記二次電池の実電圧と、前記昇降圧コンバータ内のリアクトルの目標両端電圧とに基づいて、前記昇降圧コンバータが交流を生成して前記燃料電池に印加するように、前記昇降圧コンバータ内のスイッチング素子を制御する昇降圧コンバータ制御手段と、
前記昇降圧コンバータによって交流が印加された燃料電池に流れる電流の交流成分および前記燃料電池の電圧の交流成分に基づいて、前記燃料電池の内部インピーダンスを求めるインピーダンス算出手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記昇降圧コンバータ制御手段は、前記二次電池の電圧が前記燃料電池の電圧よりも高い場合には、前記新たに算出された燃料電池の目標電圧に前記リアクトルの目標両端電圧を加算した値と、前記二次電池の電圧との比に基づいて、前記昇降圧コンバータ内のスイッチング素子を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記昇降圧コンバータ制御手段は、前記二次電池の電圧が前記燃料電池の電圧よりも低い場合には、前記新たに算出された燃料電池の目標電圧と、前記二次電池の電圧に前記リアクトルの目標両端電圧を加算した値との比に基づいて、前記昇降圧コンバータ内のスイッチング素子を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記二次電池の電圧が前記燃料電池の電圧よりも低い場合に、前記リアクトルの目標両端電圧を、前記燃料電池の目標電圧または実電圧と前記二次電池の実電圧との比に基づいて補正する目標リアクトル両端電圧補正手段をさらに備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記二次電池の電圧が前記燃料電池の電圧よりも低い場合に、前記昇降圧コンバータ内のスイッチング素子のうち燃料電池側のスイッチング素子をオン／オフするための時比率に基づいて、前記リアクトルの目標両端電圧を補正する目標リアクトル両端電圧補正手段をさらに備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に流れる電流の交流成分の振幅または前記燃料電池の電圧の交流成分の振幅と目標振幅との偏差に基づいて、前記リアクトルの目標両端電圧を補正する目標リアクトル両端電圧補正手段をさらに備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のインピーダンスを測定する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池と蓄電器との間に接続された電圧変換装置の出力目標電圧にインピーダンス測定用の交流信号を重畳して電圧指令信号を生成し、生成した電圧指令信号に基づいて電圧変換装置のスイッチング素子を制御して燃料電池の電圧を制御し、燃料電池の電圧および電流に基づいて、燃料電池の内部インピーダンスを測定する技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の技術では、出力目標電圧に交流信号を重畳して電圧指令信号を生成するので、燃料電池の目標電圧に対する実電圧の追従性、特に高周波側の追従性が悪くなるという課題があった。
【０００５】
本発明は、燃料電池に交流を印加して燃料電池の内部インピーダンスを測定する燃料電池システムにおいて、燃料電池の目標電圧に対する実電圧の追従性を向上させる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による燃料電池システムは、燃料電池と、二次電池と、燃料電池および二次電池の間に設けられた昇降圧コンバータとを有する。この燃料電池システムにおいて、燃料電池の目標電圧と実電圧との偏差を低減するためのフィードバック制御により、燃料電池の目標電圧を新たに算出し、新たに算出した燃料電池の目標電圧と、二次電池の実電圧と、昇降圧コンバータ内のリアクトルの目標両端電圧とに基づいて、昇降圧コンバータが交流を生成して燃料電池に印加するように、昇降圧コンバータ内のスイッチング素子を制御する。そして、昇降圧コンバータによって交流が印加された燃料電池に流れる電流の交流成分および燃料電池の電圧の交流成分に基づいて、燃料電池の内部インピーダンスを求める。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の目標電圧と実電圧との偏差を低減するためのフィードバック制御後の目標電圧と、二次電池の実電圧と、昇降圧コンバータ内のリアクトルの目標両端電圧とに基づいて、昇降圧コンバータを制御して、燃料電池の内部インピーダンスを求めるための交流を発生させるので、燃料電池の目標電圧に対する実電圧の追従性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、一実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図２は、デッドタイム期間を説明するための図である。
【図３】図３は、燃料電池の等価回路を示す図である。
【図４】図４は、交流負荷変動を与えるためのスイッチング素子の時比率を算出するために制御装置の内部で行われる制御の制御ブロック図である。
【図５】図５は、燃料電池の実電圧と強電バッテリの実電圧との偏差が小さいほど、また、リアクトルに流れる電流の大きさが小さいほど、単位時間当たりの最大電流変化量が大きくなる交流波形を示す図である。
【図６】図６は、燃料電池の電圧と強電バッテリの電圧の大小関係に応じて、スイッチング素子をオン／オフするための時比率を決定する方法について説明するための図である。
【図７】図７は、燃料電池の電圧と強電バッテリの電圧の大小関係に応じて、スイッチング素子をオン／オフするための時比率を決定するための回路構成図の一例である。
【図８】図８は、強電バッテリの電圧が燃料電池の電圧よりも低い場合に、リアクトルの目標両端電圧を、燃料電池の目標電圧または実電圧と強電バッテリの実電圧との比に基づいて補正する回路構成図の一例である。
【図９】図９は、強電バッテリの電圧が燃料電池の電圧よりも低い場合に、リアクトルの両端電圧を、燃料電池側のスイッチング素子をオン／オフするための時比率に基づいて補正する回路構成図の一例である。
【図１０】図１０は、燃料電池に印加される交流電流または交流電圧の振幅の検出値と目標振幅との偏差に基づいて、リアクトルの両端電圧を補正する回路構成図の一例である。
【図１１】図１１は、一実施の形態における燃料電池システムの他の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、一実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。一実施の形態における燃料電池システムは、燃料電池１と、強電バッテリ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３とを備える。この燃料電池システムは、例えば、燃料電池自動車に搭載されて使用されるが、車両以外のものに適用することもできる。
【００１０】
燃料電池１は、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）を供給するとともに、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給し、アノードガスとカソードガスとを反応させて電力を発生させる燃料電池セルまたはセルモジュールを積層してなる。
【００１１】
強電バッテリ２は、充放電可能な二次電池であり、燃料電池１と並列に接続されている。ただし、二次電池の代わりに、充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いることもできる。車両の運転時等に使用される様々な電力機器である補機負荷７には、強電バッテリ２から電力が供給される。
【００１２】
燃料電池１と強電バッテリ２との間には、双方向昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ３（以下、単にＤＣ−ＤＣコンバータ３とも呼ぶ）が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、燃料電池１の電圧を昇圧または降圧して強電バッテリ２に供給するとともに、強電バッテリ２の電圧を昇圧または降圧してインバータ４に供給する。
【００１３】
燃料電池１および／または強電バッテリ２の直流電圧は、インバータ４で三相交流電圧に変換されて、三相交流モータ５に供給される。三相交流モータ５は、発電機としても機能し得る。なお、燃料電池１からインバータ４への回路には、強電バッテリ２からの電流または三相交流モータ５で発電された電流が燃料電池１に流れるのを防ぐためのダイオード６が設けられている。
【００１４】
コンデンサ８およびコンデンサ９は、電圧を平滑化するために設けられている。
【００１５】
図１に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子３１〜３４と、各スイッチング素子３１〜３４に対して並列に接続されるフライホイールダイオード３５〜３８と、昇降圧用のリアクトル３９とを備える。
【００１６】
スイッチング素子３１及び３２とスイッチング素子３３及び３４はそれぞれ一対のアームをなし、制御装置１０からの指令に従ってオン／オフされる。すなわち、各スイッチング素子３１〜３４は、スイッチング素子３１（もしくは３３）がオンのときにはスイッチング素子３２（もしくは３４）がオフとなり、逆にスイッチング素子３１（もしくは３３）がオフのときにはスイッチング素子３２（もしくは３４）がオンとなるように、制御装置１０から出力される制御信号に従って駆動される。この際、各スイッチング素子３１〜３４をオン／オフするための制御信号には、スイッチング素子３１と３２（もしくはスイッチング素子３３と３４）が同時にオンすることによる短絡故障を防ぐために、スイッチング素子３１と３２（もしくはスイッチング素子３３と３４）を同時オフさせるデッドタイム期間が設けられる（図２）。
【００１７】
図３は、燃料電池１の簡易的な等価回路を示す図である。図３に示すように、燃料電池１は、理論起電力Ｖ０、セパレータ抵抗や電解質膜の合成抵抗Ｒ１、反応抵抗Ｒ２、及び電気２重層容量Ｃによって表される。これら抵抗Ｒ１、Ｒ２及び電極容量Ｃは、燃料電池１の内部インピーダンスを形成している。燃料電池１のセパレータ抵抗や電解質膜の合成抵抗Ｒ１は、燃料電池１に例えば１０００Ｈｚ程度の高周波の交流を印加することにより、既知の交流インピーダンス法によって測定することで、燃料電池内部の電解質膜の湿潤度を把握することができる。
【００１８】
一実施の形態における燃料電池システムでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３のスイッチング素子３１〜３４のスイッチング動作によって内部インピーダンスを測定するための交流負荷変動を燃料電池１に与える。より具体的には、電圧センサ１１によって検出される燃料電池１の実電圧を燃料電池１の目標電圧と一致させるための目標電圧指令値を算出するフィードバック制御を行い、フィードバック制御で算出される目標電圧指令値と、リアクトル３９の目標両端電圧と、電圧センサ１２によって検出される強電バッテリ２の実電圧とに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３のスイッチング素子３１〜３４をオン／オフするための時比率を決定して、スイッチング動作により交流負荷変動を与える。リアクトル３９の目標両端電圧Ｖcoil（Ｖ）は、リアクトル３９の目標電流Ｉcoil（Ａ）とリアクトル３９のインダクタンスＬ（Ｈ）を用いて、次式（１）により表される。
【００１９】
Ｖcoil＝Ｌ×ｄＩcoil／ｄｔ            …（１）
【００２０】
図４は、交流負荷変動を与えるためのスイッチング素子３１〜３４の時比率を算出するために制御装置１０の内部で行われる制御の制御ブロック図である。減算器４１は、燃料電池１の目標電圧と実電圧との差を求める。フィードバック制御部４２は、減算器４１によって算出された燃料電池１の目標電圧と実電圧との偏差に基づいて、実電圧を目標電圧に一致させるための目標電圧指令値（新たな目標電圧）を算出する。時比率決定部４３は、フィードバック制御部４２によって算出された目標電圧指令値と、リアクトル３９の目標両端電圧と、電圧センサ１２によって検出される強電バッテリ２の実電圧とに基づいて、燃料電池側のスイッチング素子３１、３２をオン／オフするための時比率、および、強電バッテリ側のスイッチング素子３３、３４をオン／オフするための時比率を決定する。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３のスイッチング素子３１〜３４のうち、一対のアームをなすスイッチング素子は、同時にオンとなるのを防ぐために、デッドタイムが設けられている。このため、燃料電池１の電圧と強電バッテリ２の電圧差が小さく、リアクトル３９に流れる電流が小さい場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の応答性が悪くなり、結果として、内部インピーダンスを測定するための交流負荷変動を燃料電池１に精度良く与えることができなくなる。
【００２２】
従って、一実施の形態における燃料電池システムでは、内部インピーダンスを測定するために、スイッチング素子３１〜３４のスイッチング動作によって発生させる交流負荷変動を、正弦波の交流に対して単位時間当たりの最大電流変化量が大きい信号の交流とする。正弦波の交流に対して単位時間当たりの最大電流変化量が大きい信号の交流とは、例えば、矩形波の交流である。内部インピーダンスを測定するために燃料電池１に印加する交流負荷変動を、正弦波の交流に対して単位時間当たりの最大電流変化量が大きい信号の交流とすることにより、正弦波を印加する場合に比べて電圧変動幅を大きくすることができるので、燃料電池１の電圧と強電バッテリ２の電圧差が小さく、リアクトル３９に流れる電流が小さいような条件下でも、精度良く交流負荷変動を燃料電池１に印加することができる。
【００２３】
ここで、燃料電池１の実電圧と強電バッテリ２の実電圧との偏差の大きさ、または、リアクトル３９に流れる電流の大きさに応じて、燃料電池１に印加する交流波形を変化させるようにしてもよい。すなわち、燃料電池１の実電圧と強電バッテリ２の実電圧との偏差が小さいほど、また、リアクトル３９に流れる電流の大きさが小さいほど、単位時間当たりの最大電流変化量が大きい信号の交流を燃料電池１に印加する。
【００２４】
図５は、燃料電池１の実電圧と強電バッテリ２の実電圧との偏差が小さいほど、また、リアクトル３９に流れる電流の大きさが小さいほど、単位時間当たりの最大電流変化量が大きくなる交流波形を示す図である。燃料電池１の実電圧と強電バッテリ２の実電圧との偏差が小さいほど、また、リアクトル３９に流れる電流が小さいほど、デッドタイムの影響を受けやすいので、単位時間当たりの最大電流変化量が大きい信号の交流を用いることによって、精度良く交流を印加することができる。また、燃料電池１の実電圧と強電バッテリ２の実電圧との偏差が大きい場合や、リアクトル３９に流れる電流が大きい場合には、デッドタイムの影響を受けにくいため、正弦波に近い波形の交流を印加することができ、高調波抑制により高調波ノイズを低減することができる。なお、図５では、３種類の波形しか示していないが、変化させる交流波形の種類を３種類より多くすることもできる。
【００２５】
また、燃料電池１の実電圧と強電バッテリ２の実電圧との偏差が所定電圧より小さい場合、または、リアクトル３９に流れる電流の大きさが所定値より小さい場合に、燃料電池１に印加する交流を、正弦波の交流から矩形波の交流に切り換えるようにしてもよい。燃料電池１の実電圧と強電バッテリ２の実電圧との偏差が所定電圧より小さい場合、または、リアクトル３９に流れる電流の大きさが所定値より小さい場合は、デッドタイムの影響を受けやすいので、単位時間当たりの最大電流変化量が大きい信号の交流を用いることによって、精度良く交流を印加することができる。また、燃料電池１の実電圧と強電バッテリ２の実電圧との偏差が所定電圧以上の場合や、リアクトル３９に流れる電流の大きさが所定値以上の場合には、デッドタイムの影響を受けにくいため、正弦波の交流を印加することができ、高調波抑制により高調波ノイズを低減することができる。
【００２６】
本実施形態では、強電バッテリ２の実電圧が低いほど、リアクトル３９に流れる電流の振幅、すなわち、燃料電池１に印加する交流の振幅が小さくなるように、交流を発生させる。強電バッテリ２の電圧が低いほど、同じ交流リアクトル電流の振幅に対する時比率の変化幅が大きくなるので、デッドタイムの影響が小さくなる。従って、強電バッテリ２の電圧が低い場合に、強電バッテリ２の電圧が高い場合と同様の振幅の交流を発生すると、想定以上の振幅を与えてしまう可能性があるが、強電バッテリ２の実電圧が低いほど、燃料電池１に印加する交流の振幅が小さくなるようにすることにより、振幅の急変を抑えて音圧低下による音振を改善することができる。
【００２７】
リアクトル３９の目標両端電圧の最大変化幅（燃料電池１に印加する交流の振幅）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３のスイッチングの１周期に対するデッドタイムの割合と、燃料電池１の実電圧および強電バッテリ２の実電圧のうち高い方の電圧との乗算値以上とする。これにより、デッドタイムに起因してリアクトル３９の両端電圧が変動しない条件を回避できるので、デッドタイムが存在する場合でも、燃料電池１に確実に交流を印加することができる。
【００２８】
ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ３のスイッチング制御について説明する。強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも高い場合には、フィードバック制御部４２によって算出された目標電圧指令値（フィードバック制御後の燃料電池１の目標電圧）にリアクトル３９の目標両端電圧を加算した値と、強電バッテリ２の実電圧との比に基づいて、スイッチング素子３１〜３４をオン／オフするための時比率を決定する。電圧が高い側のスイッチング素子を駆動して、高い側の電圧の平均電圧Ｖａ（図６（ａ）参照）を精度良くコントロールする構成であることから、燃料電池１の電圧と強電バッテリ２の電圧のうち、低い側の電圧にリアクトル３９の目標両端電圧（交流電圧）を印加することで、平均電圧Ｖａを所望の値に制御することができる。すなわち、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧に比べて高い条件下において、高周波インピーダンスを測定するための交流負荷変動を正確に与えることができる。
【００２９】
また、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合には、フィードバック制御部４２によって算出された目標電圧指令値と、強電バッテリ２の電圧にリアクトル３９の目標両端電圧を加算した値との比に基づいて、スイッチング素子３１〜３４をオン／オフするための時比率を決定する。電圧が高い側のスイッチング素子を駆動して、高い側の電圧の平均電圧Ｖａ（図６（ｂ）参照）を精度良くコントロールする構成であることから、燃料電池１の電圧と強電バッテリ２の電圧のうち、低い側の電圧にリアクトル３９の目標両端電圧（交流電圧）を印加することで、平均電圧Ｖａを所望の値に制御することができる。すなわち、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い条件下において、高周波インピーダンスを測定するための交流負荷変動を正確に与えることができる。
【００３０】
図７は、上述した燃料電池１の電圧と強電バッテリ２の電圧の大小関係に応じて、スイッチング素子３１〜３４をオン／オフするための時比率を決定する制御フローを示す制御ブロック図である。この制御は、制御装置１０によって行われる。
【００３１】
リアクトル目標両端電圧出力部６１は、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも高い場合には、制御線６２にリアクトル３９の目標両端電圧を出力し、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合には、制御線６３にリアクトル３９の目標両端電圧を出力する。これにより、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも高い場合には、フィードバック制御部４２によって算出された目標電圧指令値にリアクトル３９の目標両端電圧が加算され、加算後の値と強電バッテリ２の電圧との比率に基づいて、スイッチング素子３１〜３４をオン／オフするための時比率が決定される。また、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合には、強電バッテリ２の電圧にリアクトル３９の目標両端電圧が加算され、加算後の値とフィードバック制御部４２によって算出された目標電圧指令値との比率に基づいて、スイッチング素子３１〜３４をオン／オフするための時比率が決定される。
【００３２】
強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合、スイッチング素子３１、３２のスイッチングによる昇圧動作によって、燃料電池１と並列に接続されているコンデンサ８の電圧とリアクトル３９の燃料電池側の電圧とは異なる値となる。従って、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合には、リアクトル３９の目標両端電圧を、燃料電池１の目標電圧または燃料電池１の実電圧と強電バッテリ２の実電圧との比に基づいて補正する。これにより、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合でも、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも高い場合と同様に、燃料電池１に一定の振幅の交流を印加することができ、燃料電池１の内部インピーダンスを精度良く測定することができる。
【００３３】
図８は、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合に、リアクトル３９の目標両端電圧を、燃料電池１の目標電圧または燃料電池１の実電圧と強電バッテリ２の実電圧との比に基づいて補正する回路構成図の一例である。制御ブロック７１は、燃料電池１の目標電圧または実電圧を強電バッテリ２の実電圧で除算する演算を行う。リミッタ７２は、制御ブロック７１の除算結果を、所定の下限値および所定の上限値で制限する。制御ブロック７３は、リアクトル３９の目標両端電圧に対して、制御ブロック７１の除算結果に対して上下限値が制限された値を乗算することによって補正し、補正後の目標リアクトル両端電圧を時比率決定部４３に出力する。
【００３４】
図８では、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合に、リアクトル３９の両端電圧を、燃料電池１の目標電圧または燃料電池１の実電圧と強電バッテリ２の実電圧との比に基づいて補正する回路構成を示したが、燃料電池１側のスイッチング素子３１、３２をオン／オフするための時比率に基づいて、リアクトル３９の両端電圧を補正するようにしてもよい。
【００３５】
図９は、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合に、リアクトル３９の両端電圧を、燃料電池１側のスイッチング素子３１、３２をオン／オフするための時比率に基づいて補正する回路構成図の一例である。制御ブロック８２は、リアクトル３９の目標両端電圧を、燃料電池１側のスイッチング素子３１、３２をオン／オフするための時比率をローパスフィルタ８１に通過させた後の値で除算する補正を行う。燃料電池１の電圧と強電バッテリ２の電圧の大小関係に基づいて決定した時比率に基づいてリアクトル３９の両端電圧を補正することにより、電圧センサ誤差等の影響を受けることなく、リアクトル３９の目標両端電圧を補正することができる。これにより、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合でも、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも高い場合と同様に、燃料電池１に一定の振幅の交流を印加することができ、燃料電池１の内部インピーダンスを精度良く測定することができる。なお、ローパスフィルタ８１を設けているのは以下の理由による。すなわち、燃料電池側時比率は、燃料電池１に印加する交流の周期で変化するが、その交流の周波数をカットした値で補正を行うために、ローパスフィルタ８１を設けている。
【００３６】
燃料電池１に印加される交流電流または交流電圧の振幅を検出し、検出した振幅と、燃料電池１に印加する交流電流または交流電圧の目標振幅との偏差をゼロとするための補正値を算出し、算出した補正値に基づいて、リアクトル３９の目標両端電圧を補正する構成としてもよい。
【００３７】
図１０は、燃料電池１に印加される交流電流または交流電圧の振幅の検出値と目標振幅との偏差に基づいて、リアクトル３９の両端電圧を補正する回路構成図の一例である。減算器９１は、燃料電池１に印加する交流電流または交流電圧の目標振幅と、燃料電池１に印加される交流電流または交流電圧の振幅の検出値との偏差を求める。ＦＢ制御部９２は、減算器９１で算出された偏差をゼロとするためのフィードバック補正値を求める。乗算器９３は、リアクトル３９の目標両端電圧に、ＦＢ制御部９２で求められたフィードバック補正値を乗算することによって、リアクトル３９の目標両端電圧を補正する。補正後の目標リアクトル両端電圧は、時比率決定部４３に入力される。この方法によれば、経時劣化や温度変化によるＤＣ−ＤＣコンバータの回路定数の変化等の影響や、燃料電池１の高周波インピーダンスの変化の影響を受けることなく、燃料電池１に交流負荷変動を与えることができる。
【００３８】
なお、本発明は、双方向昇降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを備えた燃料電池システムに限定されることはなく、図１１に示す燃料電池システムにも適用可能である。図１０に示す燃料電池システムでは、燃料電池１と強電バッテリ２との間に、ＤＣ−ＤＣコンバータ３Ａが設けられている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３Ａは、燃料電池１の電圧を昇圧または降圧して、強電バッテリ２および／またはインバータ４に供給可能であり、スイッチング素子３１１、３１２と、ダイオード３１３、３１４と、昇降圧用のリアクトル３９とを備える。スイッチング素子３１１は、図７に示す制御ブロック図で算出される燃料電池側上アーム時比率に基づいて制御され、スイッチング素子３１２は、図７に示す制御ブロック図で算出されるバッテリ側下アーム時比率に基づいて制御される。
【００３９】
以上、一実施の形態における燃料電池システムは、燃料電池１と、強電バッテリ２と、燃料電池１および強電バッテリ２の間に設けられたＤＣ−ＤＣコンバータ３とを有する。この燃料電池システムにおいて、燃料電池１の目標電圧と実電圧との偏差を低減するためのフィードバック制御により、燃料電池１の目標電圧を新たに算出し、新たに算出した燃料電池１の目標電圧と、強電バッテリ２の実電圧と、ＤＣ−ＤＣコンバータ３内のリアクトル３９の目標両端電圧とに基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ３が交流を生成して燃料電池１に印加するように、ＤＣ−ＤＣコンバータ３内のスイッチング素子３１〜３４を制御する。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ３によって交流が印加された燃料電池１に流れる電流の交流成分および燃料電池１の電圧の交流成分に基づいて、燃料電池１の内部インピーダンスを求める。フィードバック制御では、直流に対して交流の追従性は悪いが、本実施形態では、燃料電池１の目標電圧と実電圧に基づいたフィードバック制御によって新たに算出された燃料電池１の目標電圧と、強電バッテリ２の実電圧と、ＤＣ−ＤＣコンバータ３内のリアクトル３９の目標両端電圧に基づいて、燃料電池１に印加するための交流を生成するので、交流を重畳させた目標電圧に実電圧を追従させるフィードバック制御を行う場合に比べて、燃料電池１の目標電圧に対する実電圧の追従性を向上させることができる。
【００４０】
強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも高い場合には、新たに算出した目標電圧にリアクトル３９の目標両端電圧を加算した値と、強電バッテリ２の電圧との比に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ３内のスイッチング素子３１〜３４を制御するので、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧に比べて高い条件下において、高周波インピーダンスを測定するための交流負荷変動を正確に与えることができる。
【００４１】
また、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合には、新たに算出した目標電圧と、強電バッテリ２の電圧にリアクトル３９の目標両端電圧を加算した値との比に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ３内のスイッチング素子３１〜３４を制御するので、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い条件下において、高周波インピーダンスを測定するための交流負荷変動を正確に与えることができる。
【００４２】
一実施の形態における燃料電池システムによれば、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合に、リアクトル３９の目標両端電圧を、燃料電池１の目標電圧または実電圧と強電バッテリ２の実電圧との比に基づいて補正する。これにより、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合でも、強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも高い場合と同様に、燃料電池１に一定の振幅の交流を印加することができ、燃料電池１の内部インピーダンスを精度良く測定することができる。
【００４３】
強電バッテリ２の電圧が燃料電池１の電圧よりも低い場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ３内のスイッチング素子３１〜３４のうち燃料電池側のスイッチング素子３１、３２をオン／オフするための時比率に基づいて、リアクトル３９の目標両端電圧を補正するようにしてもよい。この方法によれば、電圧センサ誤差等の影響を受けることなく、リアクトル３９の目標両端電圧を補正することができる。
【００４４】
燃料電池１に流れる電流の交流成分の振幅または燃料電池１の電圧の交流成分の振幅と目標振幅との偏差に基づいて、リアクトル３９の目標両端電圧を補正するようにしてもよい。この方法によれば、経時劣化や温度変化によるＤＣ−ＤＣコンバータの回路定数の変化等の影響や、燃料電池１の高周波インピーダンスの変化の影響を受けることなく、燃料電池１に交流負荷変動を与えることができる。
【００４５】
本発明は、上述した実施形態に限定されることはない。例えば、燃料電池１と強電バッテリ２との間に設けられる昇降圧コンバータの構成は、図１や図１１に示す構成に限定されることはない。
【００４６】
内部インピーダンスを測定するために、スイッチング素子３１〜３４のスイッチング動作によって発生させる交流負荷変動を、正弦波の交流に対して単位時間当たりの最大電流変化量が大きい信号の交流としたが、正弦波としてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１…燃料電池
２…強電バッテリ
３…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０…制御装置（目標電圧算出手段、昇降圧コンバータ制御手段、インピーダンス算出手段、目標リアクトル両端電圧補正手段）
３１〜３４…スイッチング素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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