(57)【要約】【課題】モータトルクの脈動の発生の原因となるインバータ負荷電流の変動を抑止する。【解決手段】燃料電池５の出力電圧を所望電圧で出力するＦＣ昇圧コンバータ７と、高圧バッテリ４の出力電圧を所望電圧で出力する昇降圧コンバータ６と、を有する。ＦＣ昇圧コンバータ７が燃料電池５の交流測定信号を重畳して燃料電池５の出力電圧を出力している間、バッテリ昇降圧システム２０は、交流測定信号と逆相の信号を生成する。これにより、昇降圧コンバータ６は、交流測定信号と逆相の信号を高圧バッテリ４の出力電圧に重畳して出力することで交流測定信号を打ち消し合い、モータを駆動する負荷電流の変動を抑止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を所望電圧で出力する燃料電池電圧変換装置と、
二次電池と、
前記二次電池の出力電圧を所望電圧で出力する二次電池電圧変換装置と、
を有し、前記燃料電池電圧変換装置及び前記二次電池電圧変換装置の出力が並列的に供給されるインバータと、前記インバータにより駆動されるモータと、前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段とを備える車両に搭載された電池システムにおいて、
前記燃料電池電圧変換装置は、所望周波数の交流測定信号を重畳して前記燃料電池の出力電圧を出力し、
前記二次電池電圧変換装置は、前記燃料電池の出力電圧に前記交流測定信号が重畳されている間、前記交流測定信号と逆相の信号を前記二次電池の出力電圧に重畳して出力する、
ことを特徴とする車載電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載電池システム、特に交流インピーダンス法を用いた燃料電池のインピーダンス測定機能を有する車両の車載電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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いる。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は低下する。
【０００３】
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ることが知られている。このため、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、燃料電池内部の水分状態を間接的に把握することが行われている。具体的には、燃料電池の出力信号に指定周波数を有する正弦波信号を重畳し、そのときの電流及び電圧を計測することで燃料電池のインピーダンスを測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３９２１６６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、指定周波数が可聴音若しくはラジオ電流等他への影響のある帯域の場合、燃料電池搭載の車両の乗員にとってノイズとなる。
【０００６】
また、燃料電池の出力信号に重畳した正弦波信号は、モータに交流電力を供給するインバータへ入力され、インバータ入力電圧の変動となり、これによりモータトルクが脈動し、車両の意図しない加減速となる。このトルク脈動が体感されないように、燃料電池の出力信号に重畳する電流を、例えば１０Ａ以下となるよう低く設定するとインピーダンスの測定性能が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、モータトルクの脈動の発生の原因となるインバータ負荷電流の変動を抑止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る車載電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を所望電圧で出力する燃料電池電圧変換装置と、二次電池と、前記二次電池の出力電圧を所望電圧で出力する二次電池電圧変換装置と、を有し、前記燃料電池電圧変換装置及び前記二次電池電圧変換装置の出力が並列的に供給されるインバータと、前記インバータにより駆動されるモータと、前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段とを備える車両に搭載された電池システムにおいて、前記燃料電池電圧変換装置は、所望周波数の交流測定信号を重畳して前記燃料電池の出力電圧を出力し、前記二次電池電圧変換装置は、前記燃料電池の出力電圧に前記交流測定信号が重畳されている間、前記交流測定信号と逆相の信号を前記二次電池の出力電圧に重畳して出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、モータトルクの脈動の発生の原因となるインバータ負荷電流の変動を抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る車載電池システムの実施の形態１の概略構成を示す図である。
【図２】実施の形態１において燃料電池の出力目標電圧の経時変化を示す図である。
【図３】実施の形態１におけるバッテリ昇降圧システムにおける処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明に係る車載電池システムの実施の形態２の概略構成を示す図である。
【図５】実施の形態２におけるバッテリ昇降圧システムにおける処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る車載電池システムの一実施の形態の概略構成を示す図である。なお、本実施の形態の説明に用いない構成要素については、図から省略している。本実施の形態における車載電池システムは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）に搭載される場合を例にして説明する。
【００１３】
図１には、インバータ１、モータ２及び車載電池システム１００が示されている。
【００１４】
インバータ１は、車載電池システム１００から出力される直流電流を交流電流に変換して、モータ２に供給する。
【００１５】
モータ２は、車両の動力源であり、例えば同期モータで構成されており、インバータ１を介して供給された電力によって駆動され、駆動軸（図示せず）にトルクを発生させる。
【００１６】
車載電池システム１００は、燃料電池５、ＦＣ（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）昇圧コンバータ７、高圧バッテリ４、昇降圧コンバータ６、ＦＣ昇圧制御システム１０、バッテリ昇降圧システム２０を備えている。
【００１７】
燃料電池５は、供給される燃料ガスおよび酸化ガスから電力を発生させる。燃料電池５は、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ。）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。燃料電池５としては、種々のタイプの燃料電池（例えば、固体高分子型や、熔融炭酸塩型等）を利用することができる。
【００１８】
ＦＣ昇圧コンバータ７は、燃料電池５とインバータ１との間に介挿され、燃料電池５から入力されたＤＣ電圧を所望の電圧、本実施の形態ではＦＣ昇圧制御システム１０から与えられた目標電圧へ昇圧（または降圧）して出力する電圧変換装置である。更に、ＦＣ昇圧コンバータ７は、ＦＣ昇圧制御システム１０でインピーダンス測定用の交流測定信号が生成されているときには、その交流測定信号が重畳されている燃料電池５の出力電圧を出力する。
【００１９】
高圧バッテリ４は、充放電可能な二次電池であり、例えば鉛蓄電池や、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム二次電池など種々の二次電池を用いることができる。高圧バッテリ４は、燃料電池５の放電経路に介挿され、燃料電池５と並列に接続されている。
【００２０】
昇降圧コンバータ６は、高圧バッテリ４とインバータ１との間に介挿され、高圧バッテリ４から入力されたＤＣ電圧を、所望の電圧まで昇圧（または降圧）して出力する電圧変換装置であり、燃料電池５及び高圧バッテリ４からの合算出力電流がモータ要求電流となるよう高圧バッテリ４からの出力電流を制御する。高圧バッテリ４及び燃料電池５の出力は、それぞれ昇降圧コンバータ６及びＦＣ昇圧コンバータ７を介してインバータ１に並列的に供給される。また、昇降圧コンバータ６は、燃料電池５またはモータ２から入力されたＤＣ電圧を調整して高圧バッテリ４側に出力する機能を有している。この昇降圧コンバータ６の機能により、高圧バッテリ４の充放電が実現される。そして、昇降圧コンバータ６は、交流測定信号が生成されている間、その交流測定信号の逆相の信号が重畳されている高圧バッテリ４の出力電圧を出力する。
【００２１】
ＦＣ昇圧制御システム１０及びバッテリ昇降圧システム２０は、制御ユニットを構成する。制御ユニットは、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成される。具体的には、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行する図示しないＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納された図示しないＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされる図示しないＲＡＭと、各種信号を入出力する図示しない入出力ポート等を備える。
【００２２】
ＦＣ昇圧制御システム１０は、図示しないアクセルペダルセンサやシフトポジションセンサ、ブレーキセンサ等と信号回線を介して接続される。ＦＣ昇圧制御システム１０は、これらの各センサからの検出信号から、アクセル開度や車速等、車両の運転に関する情報を取得し、ＦＣ昇圧コンバータ７に対する駆動信号を生成する。
【００２３】
ＦＣ昇圧制御システム１０は、目標電圧決定部１１、重畳タイミング指令部１２、重畳信号生成部１３、電圧指令信号生成部１４、インピーダンス演算部１５及び内部状態検出部１６を備えている。
【００２４】
目標電圧決定部１１は、アクセルペダルセンサやＳＯＣセンサ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１４に出力する。
【００２５】
重畳タイミング指令部１２は、目標電圧決定部１１によって決定された出力目標電圧などに基づいて、交流測定信号の生成開始及び生成中止を重畳信号生成部１３に指令する。以下、交流測定信号の生成開始の指令及び生成中止の指令を「切り換え指令」と総称する。また、本実施の形態における重畳タイミング指令部１２は、切り換え指令を重畳信号生成部１３に出力した旨、また切り換え指令が生成開始の指令の場合には開始タイミング及び電流値等交流測定信号の形状を特定する情報（以下、「信号形状情報」）、すなわち交流測定信号と逆相の信号の生成に必要な情報を合わせてバッテリ昇降圧システム２０に伝達する。
【００２６】
図２は、出力目標電圧の計時変化を示す図である。図２に示すように、出力目標電圧はシステム要求電力などに応じて時々刻々変化する。重畳タイミング指令部１２は、所定の信号生成開始条件、例えば出力目標電圧が閾値電圧Ｖｈ１を越えたことを検知すると、重畳信号生成部１３に対して交流測定信号の生成開始を指令する。一方、所定の信号生成中止条件、例えば出力目標電圧が閾値電圧Ｖｈ２を下回ったことを検知すると、重畳信号生成部１３に対して交流測定信号の生成中止を指令する。なお、前述した出力目標電圧に基づいて交流測定信号の生成開始、生成中止を指令する代わりに、他のパラメータ（例えば経過時間など）に基づいて交流測定信号の生成開始、生成中止を指令してもよい。また、当該車両が停止状態にあるときにインピーダンス測定を行うようにしてもよい。
【００２７】
重畳信号生成部１３は、重畳タイミング指令部１２からの切り換え指令に従って交流測定信号の生成を開始もしくは停止する。すなわち、交流測定信号の生成開始が指令されてから生成中止が指令されるまでの間、交流測定信号を生成する。重畳信号生成部１３によって生成された交流測定信号は電圧指令信号生成部１４に供給される。
【００２８】
電圧指令信号生成部１４は、重畳信号生成部１３から交流測定信号が供給される場合には、インピーダンス測定信号を出力目標電圧に重畳し、電圧指令信号（駆動信号）としてＦＣ昇圧コンバータ７に出力する。一方、重畳信号生成部１３から交流測定信号が供給されない場合には、出力目標電圧をそのまま電圧指令信号としてＦＣ昇圧コンバータ７に出力する。
【００２９】
インピーダンス演算部１５及び内部状態検出部１６は、燃料電池５のインピーダンスを測定する測定手段を形成する。このうち、インピーダンス演算部１５は、電圧センサ８によって検出される燃料電池５の電圧（ＦＣ電圧）及び電流センサ９によって検出される燃料電池５の電流（ＦＣ電流）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１５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５のインピーダンスを求める。
【００３０】
内部状態検出部１６は、インピーダンス演算部１５から供給される燃料電池５のインピーダンスを解析し、燃料電池５の内部状態を検出する。ＦＣ昇圧制御システム１０は、検出される燃料電池５の内部状態に基づき酸化ガス等に含まれる水分量の調整等を行い、これにより、燃料電池５の内部状態は適正に保持される。
【００３１】
バッテリ昇降圧システム２０は、高圧バッテリ４からの出力電圧の制御を行う手段である。また、バッテリ昇降圧システム２０は、指令監視部２１及び逆相信号生成部２２を有しており、ＦＣ昇圧制御システム１０における重畳信号生成部１３が生成する交流測定信号と逆相の信号を生成する機能を提供する。指令監視部２１は、重畳タイミング指令部１２からの出力を常時監視し、重畳タイミング指令部１２から伝達される切り換え指令を重畳信号生成部１３に出力した旨、また切り換え指令が生成開始の指令の場合には開始タイミング及び信号形状情報を受け取る。そして、重畳信号生成部１３が重畳タイミング指令部１２からの生成開始指令に応じて交流測定信号を生成している間、交流測定信号と逆相の信号を生成するよう逆相信号生成部２２に指示する。逆相信号生成部２２は、指令監視部２１からの指示に応じて重畳信号生成部１３が生成した交流測定信号と逆相の信号を生成し、昇降圧コンバータ６に出力する。
【００３２】
次に、本実施の形態における車載電池システム１００の動作について説明する。
【００３３】
前述したように、ＦＣ昇圧制御システム１０は、重畳信号生成部１３から交流測定信号が供給されない場合、目標電圧決定部１１によって決定された出力目標電圧をそのまま電圧指令信号としてＦＣ昇圧コンバータ７に出力する。
【００３４】
ここで、重畳タイミング指令部１２は、出力目標電圧が閾値電圧Ｖｈ１を越えたことを検知すると、重畳信号生成部１３に対して交流測定信号の生成開始を指令すると同時に、生成開始を指令した旨、開始タイミング及び信号形状情報をバッテリ昇降圧システム２０に伝達する。重畳信号生成部１３から交流測定信号が供給されると、ＦＣ昇圧制御システム１０は、目標電圧決定部１１によって決定された出力目標電圧にインピーダンス測定信号を重畳し、電圧指令信号としてＦＣ昇圧コンバータ７に出力する。このようにして、ＦＣ昇圧コンバータ７は、インピーダンス測定信号が重畳された燃料電池５の出力電圧を出力する。
【００３５】
また、重畳タイミング指令部１２は、出力目標電圧が閾値電圧Ｖｈ２を下回ったことを検知すると、重畳信号生成部１３に対して交流測定信号の生成中止を指令すると同時に、生成中止を指令した旨をバッテリ昇降圧システム２０に伝達する。重畳信号生成部１３から交流測定信号が供給されなくなると、ＦＣ昇圧制御システム１０は、前述したように目標電圧決定部１１によって決定された出力目標電圧をそのまま電圧指令信号としてＦＣ昇圧コンバータ７に出力する。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ７は、インピーダンス測定信号が重畳されていない燃料電池５の出力電圧を出力する。
【００３６】
以下、バッテリ昇降圧システム２０における動作について、図３に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３７】
指令監視部２１は、重畳タイミング指令部１２からの切り換え指令を出力した旨が伝達されてくることを常時監視している（ステップ１０１でＮ）。そして、切り換え指令の出力を検知した場合において（ステップ１０１でＹ）、その切り換え指令が重畳信号生成部１３に対する交流測定信号の生成開始指令の場合（ステップ１０２でＹ）、指令監視部２１は、交流測定信号と逆相の信号を生成するよう逆相信号生成部２２に指示する。逆相信号生成部２２は、指令監視部２１からの指示に応じて、生成開始指令を出力した旨と共に伝達されてきた信号形状情報を参照して重畳信号生成部１３が生成した交流測定信号と逆相の信号（以下、単に「逆相信号」ともいう）を生成し、開始タイミングを参照に昇降圧コンバータ６に出力する（ステップ１０３）。これにより、昇降圧コンバータ６は、交流測定信号と同時に逆相信号を出力する。
【００３８】
一方、検知した切り換え指令が重畳信号生成部１３に対する交流測定信号の生成中止指令の場合（ステップ１０２でＮ）、指令監視部２１は、逆相信号の生成を中止するよう逆相信号生成部２２に指示する。これに伴い、昇降圧コンバータ６からの逆相信号の出力は停止される（ステップ１０４）。
【００３９】
以上説明したように、本実施の形態においては、ＦＣ昇圧制御システム１０から交流測定信号が出力されている間、バッテリ昇降圧システム２０からは、その交流測定信号と逆相の信号が同時に出力されることになる。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ７からインバータ１へ出力される電圧に重畳されている交流測定信号は、昇降圧コンバータ６から出力される逆相信号によって相殺される。この結果、インバータ負荷電流（モータ要求電流）の変動を抑止することが可能となる。
【００４０】
このように、モータトルクの脈動の発生の原因となるインバータ負荷電流の変動を抑止できることになると、交流測定信号の出力電流を低く設定する必要がなくなるので、交流測定信号の出力電流を高く設定することによってインピーダンスの測定性能を向上させることが可能となる。
【００４１】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、バッテリ昇降圧システム２０に逆相信号生成部２２を設け、重畳タイミング指令部１２からの生成開始指令を出力した旨の伝達に応じて交流測定信号の逆相信号を生成するようにした。本実施の形態では、車載電池システム１００における制御周期、昇降圧コンバータ６におけるキャリア周波数を上げることによって応答速度を向上させ、これにより昇降圧コンバータ６からの出力される電流が交流測定信号と逆相の信号となるようにしたことを特徴とする。
【００４２】
図４は、本実施の形態における車載電池システムの概略構成を示す図であり、実施の形態１における図１に対応する図である。図４において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付け、説明を適宜省略する。本実施の形態における車載電池システムでは、バッテリ昇降圧システム２０の逆相信号生成部２２に代えてキャリア周波数制御部２３を設けた構成を有している。その他の構成要素においては、実施の形態１と同じでよいので説明を適宜省略する。
【００４３】
次に、本実施の形態における車載電池システム１００の動作について説明する。
【００４４】
ＦＣ昇圧制御システム１０における動作は、基本的には上記実施の形態１と同じでよい。ただ、実施の形態１では、特に制限する必要がないので言及していなかったが、本実施の形態では、車載電池システム１００における制御周期を上げることによって、１周期の交流測定信号（正弦波信号）の間においてＦＣ昇圧コンバータ７からの出力電流値を複数回検知できるようにしている。
【００４５】
以下、バッテリ昇降圧システム２０における動作について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。なお、実施の形態１と同じ処理ステップには同じステップ番号を付けている。
【００４６】
指令監視部２１は、重畳タイミング指令部１２からの切り換え指令を出力した旨が伝達されてくることを常時監視している（ステップ１０１でＮ）。そして、切り換え指令の出力を検知した場合（ステップ１０１でＹ）、その切り換え指令が重畳信号生成部１３に対する交流測定信号の生成開始指令の場合（ステップ１０２でＹ）、指令監視部２１は、キャリア周波数を上げることをキャリア周波数制御部２３に指示する。キャリア周波数制御部２３は、指令監視部２１からの指示に応じて制御周期と同じとなるようキャリア周波数を上げる（ステップ１１３）。
【００４７】
これにより、昇降圧コンバータ６は、バッテリ昇降圧システム２０により設定されたキャリア周波数に従った周期でＦＣ昇圧コンバータ７から出力される交流測定信号の電流値を検知すると、これを相殺する電流を発生する。すなわち、昇降圧コンバータ６は、キャリア周波数のタイミングで交流測定信号と逆相の信号を出力する。
【００４８】
本実施の形態では、このようにして交流測定信号と逆相の信号を昇降圧コンバータ６から出力させ、これにより、ＦＣ昇圧コンバータ７からインバータ１へ出力される電圧に重畳されている交流測定信号は、昇降圧コンバータ６から出力される逆相信号によって相殺される。この結果、インバータ負荷電流の変動を抑止することが可能となる。
【００４９】
一方、検知した切り換え指令が重畳信号生成部１３に対する交流測定信号の生成中止指令の場合（ステップ１０２でＮ）、指令監視部２１は、キャリア周波数を元の設定値に戻すことをキャリア周波数制御部２３に指示する。キャリア周波数制御部２３は、指令監視部２１からの指示に応じてキャリア周波数を元に戻す（ステップ１１４）。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、交流測定信号が出力されると、昇降圧コンバータ６におけるキャリア周波数を制御周期まで上げる。これにより、昇降圧コンバータ６からは、例えば１キャリア周波数分の若干の遅延は生じるかもしれないが、逆相の信号が出力されることになる。この若干の遅延によって、インバータ負荷電流は完全に０とはならないかもしれないが、交流測定信号がそのままインバータ１に出力される場合に比してインバータ負荷電流の変動を抑止することが可能となる。ＦＣ昇圧コンバータ７からのインバータ負荷電流は、バッテリ昇降圧システム２０にとって外乱となり得るが、キャリア周波数を上げることで、上記の通り逆相信号が出力され、結果として、その外乱を早期に抑制することが可能となる。
【００５１】
なお、本実施の形態では、車載電池システム１００における制御周期を通常制御時より常時上げた状態のままとして説明したが、交流測定信号の重畳時のみ上げるようにしてもよい。
【００５２】
上記各実施の形態においては、電池システムを車両（燃料電池自動車）に適用した場合を例にして説明したが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶、飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１  インバータ、２  モータ、４  高圧バッテリ、５  燃料電池、６  昇降圧コンバータ、７  ＦＣ昇圧コンバータ、８  電圧センサ、９  電流センサ、１０  ＦＣ昇圧制御システム、１１  目標電圧決定部、１２  重畳タイミング指令部、１３  重畳信号生成部、１４  電圧指令信号生成部、１５  インピーダンス演算部、１６  内部状態検出部、２０  バッテリ昇降圧システム、２１  指令監視部、２２  逆相信号生成部、２３  キャリア周波数制御部、１００  車載電池システム。
【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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