(57)【要約】【課題】インピーダンスを測定する精度を維持しつつ、簡素な構成にするとともに製造コストを抑制する。【解決手段】インピーダンス測定装置は、積層電池の正極及び負極のうち一方の電極に対して予め定められた交流電流を出力する第１電源手段と、他方の電極に対して、第１電源手段から出力される交流電流の周波数を有する交流電流を出力する第２電源手段とを含む。そしてインピーダンス測定装置は、一方の電極と積層電池の中途点との間の交流電位差を検出する第１検出手段と、他方の電極と中途点との間の交流電位差を検出する第２検出手段とを含む。インピーダンス測定装置は、第１検出手段により検出される交流電位差を基準値とし、第２検出手段により検出される交流電位差が基準値となるように、第２電源手段の交流電流を調整する調整手段と、調整された交流電流及び交流電位差に基づいて積層電池のインピーダンスを演算する演算手段とを含む。【選択図】図２
2015232459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルが積層された積層電池の正極及び負極のうち一方の電極に対して、予め定められた交流電流を出力する第１電源手段と、
前記正極及び負極のうち他方の電極に対して、前記第１電源手段から出力される交流電流の周波数を有する交流電流を出力する第２電源手段と、
前記一方の電極と前記積層電池の中途点との間の交流電位差を検出する第１検出手段と、
前記他方の電極と前記中途点との間の交流電位差を検出する第２検出手段と、
前記第１検出手段により検出される交流電位差を、前記正極及び前記負極に生じる各交流電位を一致させる基準値とし、前記第２検出手段により検出される交流電位差が前記基準値となるように、前記第２電源手段から出力される交流電流を調整する調整手段と、
前記調整手段により調整された交流電流及び交流電位差に基づいて、前記積層電池のインピーダンスを演算する演算手段と、
を含むことを特徴とするインピーダンス測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のインピーダンス測定装置であって、
前記第１電源手段は、固定電源部を含み、
前記第１検出手段の第１入力端子は、前記第１電源手段の出力端子と接続されるとともに、前記第１検出手段の第２入力端子は、前記中途点に接続され、
前記第２電源手段は、可変電源部を含み、
前記第２検出手段の第１入力端子は、前記第２電源手段の出力端子と接続されるとともに、前記第２検出手段の第２入力端子は、前記中途点に接続され、
前記調整手段の基準端子は、前記第１検出手段の出力端子と接続されるとともに、前記調整手段の入力端子は、前記第２検出手段の出力端子と接続され、
前記調整手段の出力端子は、前記第２電源手段の制御端子にのみ接続される、
インピーダンス測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載のインピーダンス測定装置であって、
前記第２電源手段から出力される交流電流を検出する電流検出回路をさらに含み、
前記演算手段には、前記第１電源手段から出力される交流電流の値が保持され、前記第２電源手段の前記電流検出回路が接続されるとともに、前記第１検出手段及び前記第２検出手段の各出力端子が接続される、
インピーダンス測定装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載のインピーダンス測定装置であって、
前記可変電源部は、
前記他方の電極に出力される交流電流を検出する検出回路と、
前記調整手段から出力される指令値に基づいて前記他方の電極に出力される交流電流を、前記検出回路により検出された検出値に応じて調整する出力調整回路と、を含み、
前記演算手段は、前記第２電源手段から出力された交流電流の値として、前記検出回路により検出された検出値を兼用する、
インピーダンス測定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のインピーダンス測定装置であって、
前記第１電源手段と前記一方の電極との間に接続された第１直流遮断部と、
前記第２電源手段と前記他方の電極との間に接続された第２直流遮断部と、を含み、
前記第１直流遮断部の静電容量は、前記第２直流遮断部の静電容量よりも小さな値に設定される、
インピーダンス測定装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のインピーダンス測定装置であって、
前記第１検出手段は、検出された検出信号を増幅して出力し、
前記調整手段は、前記積層電池が有するインピーダンスの変動に起因して前記第１検出手段から出力される検出信号が所定の変動範囲を超えたときには、前記第１検出手段の増幅率を増減させる、
インピーダンス測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載のインピーダンス測定装置であって、
前記検出信号から前記交流電流と同じ周波数の交流成分を抽出する抽出回路をさらに含み、
前記調整手段は、前記抽出回路から抽出される交流成分に基づいて、前記検出信号が前記所定の変動範囲を超えたか否かを判断する、
インピーダンス測定装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のインピーダンス測定装置であって、
前記第１電源手段は、互いに異なる固定値の電力を出力する複数の固定電源を備え、いずれか１つの固定電源を用いて前記一方の電極に交流電流を出力し、
前記調整手段は、前記積層電池が有するインピーダンスの変動に起因して前記第１検出手段から出力される検出信号が所定の変動範囲を超えたときには、前記１つの固定電源を他の固定電源に切り替える、
インピーダンス測定装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のインピーダンス測定装置であって、
前記第１電源手段は、前記正極と前記中途点との間、及び、前記負極と前記中途点との間のうち、前記積層電池が有するインピーダンスが小さい方に設けられた電極と接続される、
インピーダンス測定装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までいずれか１項に記載のインピーダンス測定装置であって、
前記第１電源手段は、前記積層電池の正極及び負極のうち、電位変動が大きな電極と接続され、
前記第２電源手段は、前記電極とは反対に位置するもう一方の電極と接続される、
インピーダンス測定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のインピーダンス測定装置であって、
前記第１電源手段は、前記積層電池と負荷との間を接続又は遮断する遮断器が接続された前記電極端子と接続される、
インピーダンス測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、積層電池が有するインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、積層電池から負荷に電力を供給した状態で、積層電池の内部抵抗を測定する装置が提案されている。
【０００３】
この測定装置は、積層電池に接続された負荷の方に電流が漏れ出ないように積層電池の正極端子及び負極端子の各々に同一周波数の交流電流を出力する２つの可変電源を有する。そして測定装置は、積層電池の正極端子の電位から、正極端子と負極端子との間に位置する中途点端子の電位を引いた正極側の交流電位差と、負極端子の電位から上記中途点端子の電位を引いた負極側の交流電位差とを検出する。
【０００４】
さらに測定装置は、正極側及び負極側の交流電位差の両者が、予め定められた基準値となるように２つの可変電源を別々に制御して、可変電源から出力された交流電流と、検出した交流電位差とに基づいて積層電池の内部抵抗を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０７７４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のような測定装置では、正極側の交流電位差と負極側の交流電位差とが一致するように、２つの可変電源が互いに独立して制御される。このため、測定装置の構成が複雑になり、製造コストが増加してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、インピーダンスを測定する精度を維持しつつ、簡素な構成にするとともに製造コストを抑制するインピーダンス測定装置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】
【０００８】
本発明のある態様によれば、インピーダンス測定装置は、複数の電池セルが積層された積層電池の正極及び負極のうち一方の電極に対して、予め定められた交流電流を出力する第１電源手段と、前記正極及び負極のうち他方の電極に対して、前記第１電源手段から出力される交流電流の周波数成分を含む交流電流を出力する第２電源手段とを含む。そしてインピーダンス測定装置は、前記一方の電極と前記積層電池の中途点との間の交流電位差を検出する第１検出手段と、前記他方の電極と前記中途点との間の交流電位差を検出する第２検出手段とを含む。さらにインピーダンス測定装置は、前記第１検出手段により検出される交流電位差を、正極及び負極に生じる各交流電位を一致させる基準値とし、前記第２検出手段により検出される交流電位差が前記基準値となるように、前記第２電源手段から出力される交流電流を調整する調整手段を含む。またインピーダンス測定装置は、前記調整手段により調整された後の交流電流と、当該交流電流によって前記積層電池に生じる交流電位差とに基づいて、前記積層電池のインピーダンスを演算する演算手段と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この態様によれば、予め定められた交流電流が入力される積層電池の電極と中途点との間に生じる交流電位差を基準にもう一方の交流電流のみを調整することにより、両者の交流電位差を互いに一致させることができる。このため、インピーダンスを測定する精度を維持しつつ、一方の交流電流を固定することが可能となり、インピーダンス測定装置を簡素な構成にすると共に製造コストの増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１実施形態におけるインピーダンス測定装置の測定対象である積層電池の一例を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、積層電池に形成される電池セルの構造を示す分解図である。
【図２】図２は、本実施形態におけるインピーダンス測定装置の基本構成を示す図である。
【図３】図３は、直流遮断部、及び、電極と中途点との間に生じる交流電位差を検出する検出部の構成を示す図である。
【図４】図４は、積層電池の一方の電極に一定の交流電流を出力する固定電源部を示す図である。
【図５】図５は、積層電池の他方の電極に出力される交流電流を増減可能な可変電源部を示す図である。
【図６】図６は、可変電源部から出力される交流電流を調整する交流調整部の構成を示す図である。
【図７】図７は、積層電池の内部インピーダンスを演算する演算部の構成を示す図である。
【図８】図８は、インピーダンス測定装置による等電位制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、等電位制御手法の一例を示すタイムチャートである。
【図１０】図１０は、等電位制御による積層電池の正極及び負極に生じる電位を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第２実施形態におけるインピーダンス測定装置の基本構成を示す図である。
【図１２】図１２は、本実施形態における交流調整部の構成を示す図である。
【図１３】図１３は、本実施形態における検出部の構成を示す図である。
【図１４】図１４は、インピーダンス測定装置による等電位制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、等電位制御手法の一例を示すタイムチャートである。
【図１６】図１６は、本発明の第３実施形態における固定電源部の構成を示す図である。
【図１７】図１７は、本実施形態における等電位制御方法の一例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、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１Ａは、本発明の第１実施形態におけるインピーダンス測定装置により測定される測定対象である積層電池の一例を示す図である。図１Ａには、積層電池の一例として複数の電池セルが積層された燃料電池スタック１の外観斜視図が示されている。
【００１３】
図１Ａに示されるように、燃料電池スタック１は、複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、４本のテンションロッド５０とを備える。
【００１４】
発電セル１０は、いわゆる電池セルのことであり、燃料電池スタック１に積層された複数の燃料電池のうちのひとつを指す。発電セル１０は、例えば１Ｖ（ボルト)程度の起電圧を生じる。発電セル１０の詳細な構成については図１Ｂを参照して後述する。
【００１５】
集電プレート２０は、積層された発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、例えば緻密質カーボンで形成される。燃料電池スタック１の正の電極（以下、「正極」という。）に相当する集電プレート２０には正極端子２１１が設けられ、燃料電池スタック１の負の電極（以下、「負極」という。）に相当する集電プレート２０には負極端子２１２が設けられている。なお、負極端子２１２から、発電セル１０で生じた電子ｅ-が外部に取り出される。
【００１６】
また、正極端子２１１と負極端子２１２との中間（中点）に位置する発電セル１０には中途点端子２１３が設けられる。中途点端子２１３は、正極端子２１１から負極端子２１２へ積層された複数枚の発電セル１０のうち中間に位置する発電セル１０に接続されている。なお、中途点端子２１３は、正極端子２１１と負極端子２１２との中点から外れた位置（中途点）に位置する発電セル１０に設けられてもよい。
【００１７】
絶縁プレート３０は、集電プレート２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３０は、絶縁性の部材、例えばゴムなどで形成される。
【００１８】
エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、例えば鋼などで形成される。
【００１９】
一方のエンドプレート４０(図１Ａでは、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード排出口４１ｂ、冷却水排出口４３ｂ及びカソード供給口４２ａは図中右側に設けられている。またカソード排出口４２ｂ、冷却水供給口４３ａ及びアノード供給口４１ａは図中左側に設けられている。
【００２０】
テンションロッド５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５０が挿通される。テンションロッド５０は、剛性のある金属材料、例えば鋼などで形成される。テンションロッド５０は、発電セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド５０にナット(奥にあるため図示されない)が螺合する。テンションロッド５０とナットとが燃料電池スタック１を積層方向に締め付ける。
【００２１】
アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して供給する方法などがある。なお、水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口４２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。
【００２２】
図１Ｂは、燃料電池スタック１に積層された発電セル１０の構造を示す分解図である。
【００２３】
図１Ｂに示されるように、発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレーター(アノードバイポーラープレート)１２ａ及びカソードセパレーター(カソードバイポーラープレート)１２ｂが配置される構造である。
【００２４】
ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２が形成される。この電極触媒層１１２の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３が形成される。
【００２５】
電極触媒層１１２は、例えば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。
【００２６】
ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、例えばカーボン繊維で形成される。
【００２７】
アノード供給口４１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口４１ｂから排出される。
【００２８】
カソード供給口４２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口４２ｂから排出される。
【００２９】
アノードセパレーター１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図１Ｂの裏面)に重ねられる。カソードセパレーター１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図１Ｂの表面)に重ねられる。アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂは、例えばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応ガス流路が形成され、その反対面に反応ガス流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図１Ｂに示すようにアノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂが重ねられて、冷却水流路が形成される。
【００３０】
ＭＥＡ１１、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂには、それぞれ孔４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口４１ａ、アノード排出口４１ｂ、カソード供給口４２ａ、カソード排出口４２ｂ、冷却水供給口４３ａ及び冷却水排出口４３ｂが形成される。
【００３１】
図２は、本発明の実施形態におけるインピーダンス測定装置５の基本的な構成を示す図である。
【００３２】
燃料電池スタック１は、負荷３と接続されて負荷３に電力を供給する積層電池であり、例えば車両に搭載される。燃料電池スタック１は、内部にインピーダンスを有する。負荷３は、例えば、電動モータや燃料電池スタック１の発電のために用いられる補機などである。燃料電池スタック１と接続される補機は、例えば、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するコンプレッサや、燃料電池スタック１を暖機するときに燃料電池スタック１を流れる冷却水を加熱するヒータなどである。
【００３３】
コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）６は、燃料電池スタック１の発電状態や、湿潤状態、内部の圧力状態、温度状態などの燃料電池スタック１の運転状態を負荷３の作動状態に応じて制御する。
【００３４】
例えばコントロールユニット６は、負荷３から要求される発電電力に応じて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスやアノードガスのガス流量を制御する。また、燃料電池スタック１では電解質膜１１１が乾いた状態になると発電性能が低下する。この対策としてコントロールユニット６は、電解質膜１１１の湿潤度と相関関係のある燃料電池スタック１の内部抵抗値を用いて、電解質膜１１１が乾いた状態や過剰に湿った状態にならないようにガス流量を調整する。
【００３５】
インピーダンス測定装置５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。本実施形態では、インピーダンス測定装置５は、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒを測定し、その内部抵抗Ｒの測定値をコントロールユニット６に送信する。コントロールユニット６は、インピーダンス測定装置５から燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒの測定値を受信すると、その内部抵抗Ｒの測定値に基づいて燃料電池スタック１の湿潤状態を制御する。
【００３６】
インピーダンス測定装置５は、正極側直流遮断部５１１と、負極側直流遮断部５１２と、中途点直流遮断部５１３と、正極側検出部５２１と、負極側検出部５２２と、正極側電源部５３１と、負極側電源部５３２と、交流調整部５４０と、演算部５５０とを含む。
【００３７】
正極側直流遮断部５１１、負極側直流遮断部５１２、中途点直流遮断部５１３、正極側検出部５２１、及び負極側検出部５２２の詳細については、図３を参照して説明する。
【００３８】
正極側直流遮断部５１１は、燃料電池スタック１の正極端子２１１と正極側電源部５３１との間に接続される第１直流遮断部である。
【００３９】
負極側直流遮断部５１２は、燃料電池スタック１の負極端子２１２と負極側電源部５３２との間に接続される第２直流遮断部である。
【００４０】
中途点直流遮断部５１３は、燃料電池スタック１の中途点端子２１３に接続される。直流遮断部５１１〜５１３は、直流信号を遮断するが交流信号を通す。直流遮断部５１１〜５１３は、例えばコンデンサやトランスにより実現される。なお、波線により示された中途点直流遮断部５１３は、省略することが可能である。
【００４１】
本実施形態では、図３に示すように直流遮断部５１１〜５１３の各々は、コンデンサにより実現される。
【００４２】
正極側検出部５２１は、正極端子２１１に生じる交流電位成分である交流電位Ｖａと、中途点端子２１３に生じる交流電位成分である交流電位Ｖｃとの間の電位差（以下、「交流電位差Ｖ１」という。）を検出する第１検出手段である。
【００４３】
正極側検出部５２１は、交流電位差Ｖ１の振幅に応じて値が変化する検出信号を、交流調整部５４０及び演算部５５０に出力する。例えば交流電位差Ｖ１が大きくなるほど検出信号のレベルは高くなり、交流電位差Ｖ１が小さくなるほど検出信号のレベルは低くなる。
【００４４】
正極側検出部５２１については、第１入力端子５２１Ａが、直流遮断部５１１を介して正極端子２１１と接続され、第２入力端子５２１Ｂが接地され、出力端子５２１Ｃが交流調整部５４０及び演算部５５０の双方に接続される。
【００４５】
正極側検出部５２１は、差動アンプ５２１１と、帯域通過フィルタ（Band Pass filter；ＢＰＦ）５２１２と、増幅回路５２１３と、同期検波回路５２１４とを含む。
【００４６】
差動アンプ５２１１は、正極端子２１１から出力される信号のうち直流遮断部５１１を通過する交流電位Ｖａの信号成分から、中途点端子２１３から出力される信号のうち直流遮断部５１３を通過する交流電位Ｖｃの信号成分を減算した検出信号を出力する。
【００４７】
帯域通過フィルタ５２１２は、検出信号に含まれる不要信号を除去して必要な周波数帯域の信号成分のみを抽出する抽出回路である。具体的には帯域通過フィルタ５２１２は、差動アンプ５２１１から出力される検出信号のうち、交流電流Ｉ１の周波数と同一周波数を有する信号成分を通過させると共に、他の周波数帯域の信号成分を除去する。
【００４８】
増幅回路５２１３は、帯域通過フィルタ５２１２から出力される検出信号を増幅して出力する。増幅回路５２１３の増幅率（ゲイン）は、実験等によって定められる。
【００４９】
同期検波回路５２１４は、増幅回路５２１３から出力される検出信号のうち、交流電流Ｉ１と同じ周波数を有し、かつ、交流電流Ｉ１と位相が同じ信号成分、すなわち検出信号の実軸成分のみを抽出する抽出回路である。
【００５０】
具体的には、同期検波回路５２１４は、交流電流Ｉ１と同じ周波数ｆｂを有する信号であって交流電流Ｉ１と位相が一致した同相の信号を検出信号に乗算し、その乗算された交流の検出信号を平滑化することによって直流の検出信号Ｖ１に変換する。平滑化された検出信号Ｖ１は、交流電位差Ｖ１の振幅の大きさに応じて変化する。なお、同期検波回路５２１４に代えて交流電位差Ｖ１の平均値又は実効値を出力する回路を設けてもよい。
【００５１】
このように正極側検出部５２１は、交流電位差Ｖ１の振幅に比例した検出信号を生成し、その検出信号Ｖ１を交流調整部５４０及び演算部５５０に出力する。
【００５２】
負極側検出部５２２は、負極端子２１２に生じる交流成分である交流電位Ｖｂと、中途点端子２１３に生じる交流成分である交流電位Ｖｃとの間の電位差（以下「交流電位差Ｖ２」という。）を検出する第２検出手段である。
【００５３】
負極側検出部５２２は、交流電位差Ｖ２の振幅に応じて値が変化する検出信号を演算部５５０に出力する。負極側検出部５２２については、第１入力端子５２２Ａが、直流遮断部５１２を介して負極端子２１２と接続され、第２入力端子５２２Ｂが接地され、出力端子５２２Ｃが交流調整部５４０及び演算部５５０の双方に接続される。
【００５４】
負極側検出部５２２は、差動アンプ５２２１と、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）５２２２と、増幅回路５２２３と、同期検波回路５２２４とを含む。なお、これらの構成は、基本的に正極側検出部５２１と同じ構成であるため、ここでの説明を省略する。
【００５５】
正極側電源部５３１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に定められた基準周波数ｆｂを有する交流電流Ｉ１を正極端子２１１へ出力する。
【００５６】
正極側電源部５３１は、交流電流Ｉ１の振幅及び位相を固定した固定電源である。すなわち、本実施形態では正極側電源部５３１が、予め定められた交流電流を出力する第１電源手段である。正極側電源部５３１は、例えばオペアンプ(Operational Amplifier)などの電圧電流変換回路を用いて実現される。
【００５７】
正極側電源部５３１の詳細構成について、図４を参照して説明する。
【００５８】
正極側電源部５３１は、固定電源５３１１と、交流信号発生器５３１２と、乗算器５３１３と、電圧電流変換回路５３１４とを含む。
【００５９】
固定電源５３１１は、予め定められた固定値の直流電圧を出力する。固定電源５３１１は、例えば数百ｍＶ（ミリボルト）の直流電圧を出力する。
【００６０】
交流信号発生器５３１２は、基準周波数ｆｂの交流信号を発振する交流源である。基準周波数ｆｂ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のに適した値に定められる。基準周波数ｆｂは、例えば１ｋＨｚ（キロヘルツ）に設定される。
【００６１】
乗算器５３１３は、固定電源５３１１から出力される直流電圧信号に基準周波数ｆｂの交流信号を乗算することにより、基準周波数ｆｂの交流電圧Ｖｉ１を生成して電圧電流変換回路５３１４に出力する。
【００６２】
電圧電流変換回路５３１４は、基準周波数ｆｂの交流電圧Ｖｉ１を交流電流Ｉ１に変換し、その交流電流Ｉ１を、出力端子５３１Ａを介して直流遮断部５１１へ出力する。
【００６３】
電圧電流変換回路５３１４は、交流電圧Ｖｉ１に対応する交流電流Ｉ１を出力するオペアンプＯＡ１と、検出抵抗素子Ｒｓと、検出抵抗素子Ｒｓに生じる検出電圧Ｖｓ１の大きさに応じて交流電流Ｉ１を調整するオペアンプＯＡ２と、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ５とを含む。
【００６４】
オペアンプＯＡ１は、交流電圧Ｖｉ１に基づいて交流電流Ｉ１を出力する。オペアンプＯＡ１の非反転入力端子は、乗算器５３１３の出力端子に接続されると共に、反転入力端子は、抵抗素子Ｒ５を介して電流調整用のオペアンプＯＡ２と接続される。そしてオペアンプＯＡ１の出力端子は、抵抗素子Ｒ２及び抵抗素子Ｒ３を介して接地される。
【００６５】
検出抵抗素子Ｒｓは、オペアンプＯＡ１から出力される交流電流Ｉ１を検出するために設けられた抵抗素子である。検出抵抗素子Ｒｓの両端に生じる検出電圧Ｖｓ１は、交流電流Ｉ１の電流値と検出抵抗素子Ｒｓの抵抗値とを乗算した値である。検出抵抗素子Ｒｓの一端は、オペアンプＯＡ１の出力端子に接続され、検出抵抗素子Ｒｓの他端は、電圧電流変換回路５３１４の出力端子を介して直流遮断部５１１と接続される。
【００６６】
オペアンプＯＡ２は、検出抵抗素子Ｒｓに生じる検出電圧Ｖｓ１を検出する検出回路である。オペアンプＯＡ２から出力される検出信号Ｖｓ１は、オペアンプＯＡ１の反転入力端子にフィードバックされる。これにより、オペアンプＯＡ１は、交流電流Ｉ１が交流電圧Ｖｉ１と一致するように、検出信号Ｖｓ１に応じて交流電流Ｉ１を調整する。
【００６７】
このように、固定電源５３１１によって振幅が固定された交流電圧Ｖｉ１がオペアンプＯＡ１の非反転入力端子に入力され、オペアンプＯＡ１は、交流電圧Ｖｉｌに基づいて振幅が一定の流電流Ｉ１を出力する。
【００６８】
そしてオペアンプＯＡ２は、検出抵抗素子Ｒｓに生じる検出電圧Ｖｓ１を検出してオペアンプＯＡ１の反転入力端子へ出力する。これにより、オペアンプＯＡ１は、交流電流Ｉ１が交流電圧Ｖｉ１と一致するように交流電流Ｉ１を増幅する。
【００６９】
なお、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ５の抵抗値は、インピーダンス測定装置５の設計に応じて適宜設定される。
【００７０】
なお、本実施形態では汎用のオペアンプＯＡ１及びＯＡ２を用いて電圧電流変換回路５３１４を構成する例について説明したが、２つのオペアンプＯＡ１及びＯＡ２に代えて２つの差動アンプ（計装アンプ）を用いてもよい。
【００７１】
次に負極側電源部５３２の構成について図５を参照して説明する。
【００７２】
負極側電源部５３２は、交流電流Ｉ１と同じ基準周波数ｆｂを有する交流電流Ｉ２を負極端子２１２へ出力する。負極側電源部５３２は、交流電流Ｉ２の振幅を変更可能な可変電源である。
【００７３】
本実施形態では、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の振幅が交流調整部５４０によって制御される。すなわち、負極側電源部５３２は、交流調整部５４０によって調整された振幅の交流電流Ｉ２を出力する第２電源手段である。
【００７４】
負極側電源部５３２は、電圧電流変換回路５３２４と電流検出回路５３２５とを含む。
【００７５】
電圧電流変換回路５３２４の制御端子５３２Ｂには、交流調整部５４０から出力される交流電圧Ｖｉ２が交流電流Ｉ２の指令値として入力される。電圧電流変換回路５３２４は、出力端子５３２Ａを介して、交流電圧Ｖｉ２に応じて交流電流Ｉ２の振幅を変化させる可変電源部である。
【００７６】
電圧電流変換回路５３２４は、交流電圧Ｖｉ２に対応する交流電流Ｉ２を出力するオペアンプＯＡ１と、検出抵抗素子Ｒｓと、検出抵抗素子Ｒｓの両端に生じる電圧Ｖｓ２に応じて交流電流Ｉ２を調整するオペアンプＯＡ２と、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ５とを含む。なお、これらの構成は、正極側電源部５３１の電圧電流変換回路５３１４と基本的に同じ構成であるため、ここでの詳細な説明を省略する。
【００７７】
電流検出回路５３２５は、オペアンプＯＡ２の出力端子に接続される。電流検出回路５３２５は、オペアンプＯＡ２により検出された検出電圧Ｖｓ２に基づいて交流電流Ｉ２の振幅を検出する。
【００７８】
本実施形態は、電流検出回路５３２５は、検出電圧Ｖｓ２を整流する整流回路であり、交流電流Ｉ２の振幅と比例した直流の検出信号Ｉ２を生成する。例えば交流電流Ｉ２の振幅が大きくなるほど検出信号Ｉ２は高くなり、交流電流Ｉ２の振幅が小さくなるほど検出信号Ｉ２は低くなる。
【００７９】
このように、オペアンプＯＡ１は、振幅が変更される交流電圧Ｖｉ２に基づいて交流電流Ｉ２を出力するとともに、オペアンプＯＡ２は、検出抵抗素子Ｒｓに生じる検出電圧Ｖｓ２を検出してオペアンプＯＡ１の反転入力端子へ出力する。
【００８０】
これにより、オペアンプＯＡ１は、交流電流Ｉ２が交流電圧Ｖｉ２と一致するように交流電流Ｉ２を増幅する。すなわち、オペアンプＯＡ１は、交流電圧Ｖｉ２に基づいて出力された交流電流Ｉ２を、オペアンプＯＡ２によって検出された交流電流Ｉ２の検出信号Ｖｓ２に応じて調整する出力調整回路に相当する。
【００８１】
また、交流調整部５４０によって交流電圧Ｖｉ２の振幅が変更された場合には、オペアンプＯＡ１は、オペアンプＯＡ２から出力される検出信号Ｖｓ２に応じて交流電流Ｉ２の振幅を増幅する。そして電流検出回路５３２５は、検出信号Ｖｓ２に基づいて交流電流Ｉ２の振幅を検出して演算部５５０に出力する。
【００８２】
また、負極側電源部５３２には、電圧電流変換回路５３２４に加えて、正極側電源部５３１の固定電源５３１１、交流信号発生器５３１２及び乗算器５３１３で構成される電源回路よりも複雑な構成である電流検出回路５３２５が設けられている。このため、正極側電源部５３１は、電流検出回路５３２５を省略できる分だけ、回路構成を小型化することができ、製造コストを低減することができる。
【００８３】
電圧電流変換回路５３２４では、検出抵抗素子Ｒｓによって検出された交流電流Ｉ２が、オペアンプＯＡ２によってオペアンプＯＡ１にフィードバッックされる。電流検出回路５３２５によってオペアンプＯＡ２から出力される検出信号が整流されて演算部５５０に出力される。
【００８４】
このように、検出抵抗素子Ｒｓ及びオペアンプＯＡ２で構成された検出回路によって検出された信号を、演算部５５０で内部抵抗を演算するのに必要となる交流電流Ｉ２の値として利用している。つまり、電圧電流変換回路５３２４を構成する検出回路は、演算部５５０での演算に必要な交流電流Ｉ２の値を検出する回路として兼用されている。このため、交流電流Ｉ２の値を検出する回路を新たに設ける必要がないため、インピーダンス測定装置５の回路構成を簡素化できる。
【００８５】
次に交流調整部５４０の構成について図６を参照して説明する。
【００８６】
交流調整部５４０は、正極側の交流電位Ｖａと負極側の交流電位Ｖｂとが互いに一致するように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２のうち一方の電源部から出力される交流電流の振幅及び位相を調整する調整手段である。
【００８７】
本実施形態では、交流調整部５４０の基準端子５４０Ａは、図３に示した正極側検出部５２１の出力端子５２１Ｃと接続され、入力端子５４０Ｂは、図３に示した負極側検出部５２２の出力端子５２２Ｃと接続される。また出力端子５４０Ｃは、図５に示した負極側電源部５３２の制御端子５３２Ｂと接続される。
【００８８】
交流調整部５４０は、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅を調整せずに固定し、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の振幅のみを調整する。交流調整部５４０は、例えばＰＩ（Proportional Integral）制御回路により実現される。
【００８９】
交流調整部５４０は、正極側の交流電位Ｖａと負極側の交流電位Ｖｂとを互いに一致させる基準となる電圧Ｖｓとして、正極側検出部５２１から出力される検出信号Ｖ１を設定する。そして交流調整部５４０は、負極側検出部５２２から出力される検出信号Ｖ２が基準電圧Ｖｓと一致するように交流電流Ｉ２の振幅を調整する。
【００９０】
これにより、正極側の交流電位差Ｖ１の振幅レベルと負極側の交流電位差Ｖ２の振幅レベルとが等しくなり、正極側の交流電位Ｖａと負極側の交流電位Ｖｂとが一致することになる。
【００９１】
交流調整部５４０は、減算器５４１と、積分回路５４２と、乗算器５４３と、交流信号発生器５４４とを含む。交流信号発生器５４４は、図４に示した交流信号発生器５３１２と同一構成であり、予め定められた基準周波数ｆｂの交流信号を発生させる。
【００９２】
減算器５４１は、負極側検出部５２２から出力される検出信号Ｖ２から、基準電圧Ｖｓを減算することにより、基準電圧Ｖｓからのズレ幅に比例した差分信号を出力する。例えば、基準電圧Ｖｓからのズレ幅が大きくなるほど差分信号のレベルは高くなる。基準電圧Ｖｓとは、交流電位Ｖａ及び交流電位Ｖｂを互いに一致させる基準となる値のことである。
【００９３】
本実施形態では、正極側検出部５２１から基準端子５４０Ａに入力される検出信号Ｖ１が、基準電圧Ｖｓとして設定される。これにより、交流電位差Ｖ２の振幅が、交流電位差Ｖ１の振幅値に収束するように増幅される。
【００９４】
積分回路５４２は、減算器５４１から出力される差分信号を積分することにより、差分信号の平均化又は感度の調節をする。そして積分回路５４２は、積分された差分信号を乗算器５４３に出力する。
【００９５】
乗算器５４３は、交流信号発生器５４４から出力される基準周波数ｆｂの交流信号に対して差分信号を乗算することにより、交流電位差Ｖ２の振幅を基準電圧Ｖｓに収束させる交流電圧Ｖｉ２を生成する。例えば減算器５４１から出力される差分信号のレベルが大きくなるほど交流電圧Ｖｉ２の振幅は大きくなる。
【００９６】
乗算器５４３は、交流電圧Ｖｉ２を指令信号として負極側電源部５３２へ出力する。交流電圧Ｖｉ２は、出力端子５４０Ｃを介して負極側電源部５３２の制御端子５３２Ｂに入力され、交流電流Ｉ２に変換される。
【００９７】
このように交流調整部５４０は、検出された交流電位差Ｖ２の振幅が交流電位差Ｖ１の振幅Ｖｓと一致するように、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の振幅を調整する。
【００９８】
このため、交流電位Ｖａ及び交流電位Ｖｂが互いに同じレベルに制御されるので、正極端子２１１に重畳される交流電位と、負極端子２１２に重畳される交流電位とが一致する。これにより、インピーダンス測定装置５から燃料電池スタック１へ出力された交流電流Ｉ１及びＩ２が負荷３の方に漏れ出るのを防ぐことができる。なお、以下では、交流電位Ｖａと交流電位Ｖｂとが互いに等しくなるように正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２を制御することを「等電位制御」という。
【００９９】
次に演算部５５０の構成について図７を参照して説明する。
【０１００】
演算部５５０は、交流調整部５４０により調整された後の交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅と交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅とに基づいて、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを演算する演算手段である。
【０１０１】
演算部５５０には、図３に示した正極側検出部５２１の出力端子５２１Ｃが接続されるとともに、負極側検出部５２２の出力端子５２２Ｃが接続される。また、正極側電源部５３１から一定の交流電流Ｉ１が出力されるため、演算部５５０には、交流電流Ｉ１の振幅値が予め記録されており、図５で示した負極側電源部５３２の電流検出回路５３２５のみが接続される。
【０１０２】
このため、演算部５５０には、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２から交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅を示す検出信号が入力され、負極側電源部５３２から交流電流Ｉ２の振幅を示す検出信号が入力される。
【０１０３】
演算部５５０は、ＡＤ（Analog Digital）変換器５５１及びマイコンチップ５５２を備える。
【０１０４】
ＡＤ変換器５５１は、アナログ信号である交流電流Ｉ２の検出信号、及び交流電位差Ｖ１及びＶ２の検出信号をデジタル数値信号に変換し、マイコンチップ５５２に転送する。
【０１０５】
マイコンチップ５５２には、内部抵抗Ｒｎ及び燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒを算出するプログラムが予め記憶されている。マイコンチップ５５２は、所定の微小時間間隔で順次内部抵抗Ｒを演算し、又は、コントロールユニット６の要求に応じて内部抵抗Ｒ演算し、その演算結果をコントロールユニット６に出力する。なお、内部抵抗Ｒｎ及び燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒは、次式で演算される。
【０１０６】
【数１】
2015232459.tif 000003
【０１０７】
演算部５５０は、例えば、アナログ演算ＩＣを用いたアナログ演算回路により実現される。アナログ演算回路を用いることにより、時間的に連続した抵抗値の変化をコントロールユニット６に出力することができる。
【０１０８】
コントロールユニット６は、演算部５５０から出力される内部抵抗Ｒを受信する。コントロールユニット６は、内部抵抗Ｒの大きさに応じて、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。
【０１０９】
例えば、コントロールユニット６は、内部抵抗Ｒが高い場合には燃料電池スタック１の電解質膜１１１が乾いた状態であると判断し、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を減らす。これにより、燃料電池スタック１から持ち出される水分量を減少させることができる。
【０１１０】
図８は、インピーダンス測定装置５による等電位制御方法の一例を示すフローチャートである。
【０１１１】
ステップＳ１において正極側電源部５３１は、一定の交流電流Ｉ１を、直流遮断部５１１を介して燃料電池スタック１の正極端子２１１に出力する。そして正極側検出部５２１は、一定の交流電流Ｉ１によって正極端子２１１と中途点端子２１３との間の内部抵抗Ｒ１に生じる交流電位差Ｖ１を検出する。
【０１１２】
ステップＳ２において交流調整部５４０は、正極側検出部５２１から出力される交流電位差Ｖ１の検出信号を、正極端子２１１及び負極端子に生じる各交流電位を互いに一致させる基準値（目標値）Ｖｓに設定する。基準値Ｖｓは、正極側の交流電位Ｖａと負極側の交流電位Ｖｂとを互いに一致させる基準となる値である。
【０１１３】
ステップＳ３において負極側電源部５３２は、振幅が増減される交流電流Ｉ２を、直流遮断部５１２を介して燃料電池スタック１の負極端子２１２に出力する。そして負極側検出部５２２は、交流電流Ｉ２により負極端子２１２と中途点端子２１３との間の内部抵抗Ｒ２に生じる交流電位差Ｖ２を検出する。また、負極側電源部５３２の電流検出回路５３２５は、交流電流Ｉ２の検出信号を演算部５５０に出力する。
【０１１４】
ステップＳ４において交流調整部５４０は、負極側検出部５２２から出力される交流電位差Ｖ２の検出信号が、基準値Ｖｓである交流電位差Ｖ１の検出信号よりも大きいか否かを判断する。
【０１１５】
ステップＳ５において交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２の検出信号が、交流電位差Ｖ１の検出信号よりも大きい場合には、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の振幅を減少させる。これによって負極側の交流電位Ｖｂが上がる。
【０１１６】
ステップＳ６において交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２の検出信号が、基準値Ｖｓである交流電位差Ｖ１の検出信号と等しくなったか否かを判断する。
【０１１７】
ステップＳ７において交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２の検出信号が、交流電位差Ｖ１の検出信号と等しくなった場合には、交流電位Ｖａと交流電位Ｖｂとが一致したことになるため、交流電流Ｉ２の振幅を調整せずに維持する。これによって負極側の交流電位Ｖｂが維持される。
【０１１８】
ステップＳ８において演算部５５０は、交流電位差Ｖ２の検出信号が、交流電位差Ｖ１の検出信号と等しいときには、上述の式（１−１）及び式（１−２）に基づいて内部抵抗Ｒ１及びＲ２並びに全体の内部抵抗Ｒを演算する。
【０１１９】
本実施形態では演算部５５０は、予め記憶された交流電流Ｉ１の振幅値と、交流電位差Ｖ１の検出信号とに基づいて内部抵抗Ｒ１を算出し、交流電流Ｉ２の検出信号と交流電位差Ｖ２の検出信号とに基づいて内部抵抗Ｒ２を算出する。そして演算部５５０は、内部抵抗Ｒ１と内部抵抗Ｒ２とを積算することにより、燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒを算出する。
【０１２０】
ステップＳ９において交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２の検出信号が、基準値Ｖｓである交流電位差Ｖ１の検出信号よりも小さい場合には、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の振幅を増幅させる。これによって負極側の交流電位Ｖｂが上がる。
【０１２１】
ステップＳ５、ステップＳ８及びステップＳ９の処理が完了すると、インピーダンス測定装置５の制御方法の処理手順が終了する。
【０１２２】
このように、交流電位差Ｖ１の検出信号を基準値Ｖｓに設定することにより、交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２とを互いに独立して所定の値に調整する場合に比べて、処理手順が少なくなるとともに、交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２とを速やかに一致させることができる。
【０１２３】
図９は、インピーダンス測定装置５の等電位制御手法を示すタイムチャートである。
【０１２４】
図９の初期は、燃料電池スタック１の正極側の内部抵抗Ｒ１が、負極側の内部抵抗Ｒ２よりも高い状態である(図９（Ａ）)。
【０１２５】
時刻ｔ０では、インピーダンス測定装置５が起動（ＯＮ）される。そして正極側電源部５３１から一定の交流電流Ｉ１が正極端子２１１に供給され（図９（Ｃ））、これに伴い正極端子２１１と中途点端子２１３との間の内部抵抗Ｒ１に交流電位差Ｖ１が生じ、正極側検出部５２１から交流電位差Ｖ１の検出信号が出力される。
【０１２６】
さらに負極側電源部５３２から、まず交流電流Ｉ１と同じ振幅で交流電流Ｉ２が負極端子２１２に供給され、これに伴い負極端子２１２と中途点端子２１３との間の内部抵抗Ｒ２に交流電位差Ｖ２が生じ、正極側検出部５２１から交流電位差Ｖ２の検出信号が出力される。
【０１２７】
そして交流調整部５４０には、正極側の交流電位Ｖａと負極側の交流電位Ｖｂとを互いに一致させる基準値Ｖｓとして、正極側検出部５２１から交流電位差Ｖ１の検出信号が入力される。
【０１２８】
時刻ｔ０では、負極側の交流電位差Ｖ２が基準値Ｖｓである正極側の交流電位差Ｖ１よりも低い状態である (図９（Ｂ）)。この状態で交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２が目標の交流電位差Ｖ１となるように、負極側の交流電流Ｉ２を増幅させる(図９（Ｃ）)。
【０１２９】
時刻ｔ１では、交流電位差Ｖ２が交流電位差Ｖ１に到達する（図９（Ｂ）)。これにより、正極側の交流電位Ｖａと負極側の交流電位Ｖｂとの電位差がほぼゼロに収束するので、交流電流Ｉ１及び交流電流Ｉ２が負荷３の方へ漏れ出すことが抑制される。
【０１３０】
そして遮断器７が遮断状態（ＯＦＦ）から接続状態（ＯＮ）に切り替えられ、式（１−１）に基づいて内部抵抗Ｒ１及び内部抵抗Ｒ２が演算され、内部抵抗Ｒ１と内部抵抗Ｒ２とが足し合わされて全体の内部抵抗Ｒが求められる。
【０１３１】
遮断器７の切替えによって、燃料電池スタック１の湿潤状態が変化するなどして、内部抵抗Ｒ１が低下する。これに伴い交流電位差Ｖ１が低下するため、交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２が交流電位差Ｖ１に追従するように、交流電流Ｉ２を減少させる (図９（Ｂ）)。
【０１３２】
時刻ｔ２以降は、交流電位差Ｖ２が交流電位差Ｖ１に追従した状態で（図９（Ｂ））、内部抵抗Ｒ１及び内部抵抗Ｒ２の各々が一定に推移する（図９（Ａ））。このため、正極側の交流電流Ｉ１及び負極側の交流電流Ｉ２が一定に維持される（図９（Ｃ））。
【０１３３】
次にインピーダンス測定装置５の等電位制御による作用効果を説明する。
【０１３４】
図１０は、燃料電池スタック１の正極端子２１１に生じる正極電位の変化と、負極端子２１２に生じる負極電位の変化とを例示する図である。
【０１３５】
燃料電池スタック１の出力中は、正極端子２１１及び負極端子２１２の端子間に、燃料電池スタック１から負荷３に出力される直流電圧Ｖｄｃが生じる。インピーダンス測定装置５が起動（ＯＮ）される前は、正極端子２１１の正極電位、及び負極端子２１２の負極電位は、点線で示すように共に一定であり、正極電位と負極電位との電位差である直流電圧Ｖｄｃが負荷３に供給される。その後インピーダンス測定装置５が起動され、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から交流電流Ｉ１及びＩ２が出力されると、正極電位に交流電位Ｖａが重畳され、負極電位に交流電位Ｖｂが重畳される。
【０１３６】
正極側電源部５３１から出力された交流電流Ｉ１は、正極側直流遮断部５１１を介して、燃料電池スタック１の正極端子２１１に出力され、中途点端子２１３及び中途点直流遮断部５１３を介して正極側検出部５２１に出力される。このとき、正極端子２１１と中途点端子２１３との間には、交流電流Ｉ１が内部抵抗Ｒ１に供給されることで内部抵抗Ｒ１での電圧降下により交流電位差Ｖ１(＝Ｖａ−Ｖｃ)が生じる。この交流電位差Ｖ１は、正極側検出部５２１によって検出される。
【０１３７】
一方、負極側電源部５３２から出力された交流電流Ｉ２は、負極側直流遮断部５１２を介して燃料電池スタック１の負極端子２１２に供給され、中途点端子２１３及び中途点直流遮断部５１３を介して負極側検出部５２２に出力される。このとき、負極端子２１２と中途点端子２１３との間には、交流電流Ｉ２が内部抵抗Ｒ２に供給されることで内部抵抗Ｒ２での電圧降下により交流電位差Ｖ２(＝Ｖｂ−Ｖｃ)が生じる。この交流電位差Ｖ２は、負極側検出部５２２によって検出される。
【０１３８】
交流調整部５４０は、正極側の交流電位差Ｖ１と、負極側の交流電位差Ｖ２との電位差(Ｖ１−Ｖ２)、すなわち交流電位Ｖａと交流電位Ｖｂとの差（Ｖａ−Ｖｂ）が常に小さくなるように負極側電源部５３２を調節する。これにより、正極電位の交流成分Ｖａの振幅と負極電位の交流成分Ｖｂの振幅とが等しくなるように調整されるので、直流電圧Ｖｄｃは変動せずに一定となる。
【０１３９】
そして演算部５５０は、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２から出力される交流電位差Ｖ１及びＶ２と、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ１及びＩ２とに基づいてオームの法則を適用する。これにより、燃料電池スタック１の正極側の内部抵抗Ｒ１及び負極側の内部抵抗Ｒ２が算出される。
【０１４０】
ここでは、正極端子２１１及び負極端子２１２の交流電位が同じ値になるので、仮に正極端子２１１及び負極端子２１２に対して走行用モータなどの負荷３が接続された状態であっても、交流電流Ｉ１又はＩ２が負荷３の方に漏洩するのを抑制できる。
【０１４１】
さらに負荷３の作動状態によらず、稼働中の燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値に基づいて燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒを正確に測定することができる。また、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２が使用されるので、燃料電池スタック１が停止中であっても内部抵抗Ｒを測定することができる。
【０１４２】
なお、本実施形態では交流電流Ｉ１の振幅を変えずに固定して交流電流Ｉ２の振幅を変更する例について説明したが、交流電流Ｉ１の振幅を変更し、交流電流Ｉ２の振幅を固定するようにしてもよい。この場合には、交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２の検出信号を基準電圧Ｖｓに設定し、交流電位差Ｖ１の検出信号が基準電圧Ｖｓとなるように、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１のみを調整する。
【０１４３】
本発明の第１実施形態によれば、電源部５３１及び５３２のうち、交流電流の振幅を固定する固定電源部（例えば正極側電源部５３１）が、正極端子２１１及び負極端子２１２のうち一方の電極端子（例えば正極端子２１１）に対して、予め定められた振幅の交流電流を出力する。そして交流電流の振幅を変更する可変電源部（例えば負極側電源部５３２）が、他方の電極端子（例えば負極端子２１２）に対して、第１電源部の交流電流と同じ周波数の交流電流を出力する。
【０１４４】
また検出部５２１及び５２２のうち、固定電源側の検出部（例えば正極側検出部５２１）が、一方の電極端子（例えば正極端子２１１）と中途点端子２１３との間の交流電位差を検出する。そして可変電源側の検出部（例えば負極側検出部５２２）が、他方の電極端子（例えば負極端子２１２）と中途点端子２１３との間の交流電位差を検出する。
【０１４５】
さらに交流調整部５４０は、可変電源側の検出部で検出される交流電位差を、正極端子２１１及び負極端子２１２に生じる交流電位Ｖａ及びＶｂを互いに一致させる基準値Ｖｓに設定する。そして交流調整部５４０は、固定電源側の検出部で検出される交流電位差が基準値Ｖｓとなるように、可変電源部から出力される交流電流の振幅のみを調整する。
【０１４６】
そして演算部５５０は、交流調整部５４０により調整された後の交流電流、及び、その交流電流によって燃料電池スタック１に生じる交流電位差に基づいて、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを演算する。
【０１４７】
このように本実施形態によれば、固定電源側の検出部で検出された交流電位差を基準値Ｖｓに設定することにより、もう一方の可変電源部から出力される交流電流のみを調整することで両者の交流電位差を一致させることができる。このため、一方の交流電流を固定することが可能となり、インピーダンス測定装置５を簡素な構成にすると共に製造コストを抑制することができる。
【０１４８】
さらに本実施形態によれば、交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２の両者を独立して所定の値に調整する場合に比べて、簡易な処理により、交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２とを互いに一致させることができる。
【０１４９】
具体的には、交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２の両者を独立して所定の値に調整する場合には、交流電位差Ｖ１を所定の値に収束させる制御と、交流電位差Ｖ２を所定の値に収束させる制御とが同時に実行される。これに対して固定電源側の検出部で検出された交流電位差を基準値Ｖｓにすることにより、もう一方の交流電位差を基準値Ｖｓに追従させる制御のみを実行するだけで、交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２とを一致させることができる。
【０１５０】
すなわち、基準値Ｖｓに収束させるパラメータが２個から１個に削減されるので、交流調整部５４０における調整機能の一部を省略することができる。このため、内部抵抗Ｒ１及び内部抵抗Ｒ２が瞬間的に変動するような状況では、早期に交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２とを一致させることができる。
【０１５１】
また、交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２の両者を独立して所定の値に調整する場合には、調整誤差に起因して、交流電位差Ｖ１が所定の値よりも大きくなり、交流電位差Ｖ２が所定の値よりも小さくなることがある。この状態では、交流電位差Ｖ１の調整誤差と交流電位差Ｖ２の調整誤差とが加算されて大きくなってしまう。これに対して固定電源側の検出部で検出された交流電位差を基準値Ｖｓとすることで、基準値Ｖｓに収束させるパラメータは１個となるので、調整誤差の増大を抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１の内部抵抗が急激に変化するような状況においてインピーダンスを測定する精度を向上させることができる。
【０１５２】
このように、固定電源側の検出部で検出された交流電位差を基準値Ｖｓとすることにより、インピーダンスを測定する精度を向上させると共に、内部抵抗Ｒ１及びＲ２の過渡的な変動に対して早期に交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２を一致させることができる。
【０１５３】
したがって、インピーダンスを測定する精度の維持向上を図りつつ、インピーダンス測定装置を簡素化するとともに製造コストを低減することができる。
【０１５４】
本実施形態では、正極側電源部５３１が固定電源５３１１を有し、負極側電源部５３２が可変電源部として電圧電流変換回路５３２４を含む。そして正極側検出部５２１において、第１入力端子５２１Ａが正極側電源部の出力端子５３１Ａと接続されるとともに、第２入力端子５２１Ｂが中途点端子２１３に接続される。また、負極側検出部５２２において、第１入力端子５２２Ａが負極側電源部の出力端子５３２Ａと接続されるとともに、第２入力端子５２２Ｂが中途点端子２１３に接続される。
【０１５５】
また交流調整部５４０において、基準端子５４０Ａが正極側検出部の出力端子５３１Ｃと接続され、入力端子５４０Ｂが負極側検出部の出力端子５３２Ｃと接続され、出力端子５４０Ｃが負極側電源部の制御端子５３２Ｂにのみ接続される。すなわち、正極側電源部には接続されない。
【０１５６】
これにより、交流調整部５４０と正極側電源部５３１との間に配線される制御信号線、を削減できると共に、交流調整部５４０における正極側電源部５３１を制御する機能を削減できる。したがって、インピーダンス測定装置５内の構成を簡素にすることができる。
【０１５７】
また本実施形態では、負極側電源部５３２は、交流電流Ｉ２を検出する電流検出回路５３２５を含む。そして演算部５５０には、正極側検出部の出力端子５２１Ｃと負極側検出部の出力端子５２２Ｃとが共に接続される。さらに演算部５５０には、交流電流Ｉ１の振幅値が予め保持され、負極側電源部５３２の電流検出回路５３２５のみが接続される。すなわち、電流検出回路５３２５は、固定電源５３１１を有する正極側電源部５３１には設けずに、可変電源である負極側電源部５３２にのみ設けられる。
【０１５８】
これにより、演算部５５０と正極側電源部５３１との間に配線される検出信号線を削減できると共に、正極側電源部５３１における交流電流Ｉ１を検出する回路を削減できる。したがって、インピーダンス測定装置５内の構成を簡素にすることができる。
【０１５９】
また本実施形態では、インピーダンス測定装置５は、正極側電源部５３１と正極端子２１１との間に接続された正極側直流遮断部５１１と、負極側電源部５３２と負極端子２１２との間に接続された負極側直流遮断部５１２とを含む。そして正極側直流遮断部５１１の静電容量Ｃ１は、負極側直流遮断部５１２の静電容量Ｃ２よりも小さな値に設定される。
【０１６０】
負極側直流遮断部５１２による電圧降下Ｖｃ２は、次式のとおり、交流電流Ｉ２と角周波数ωと負極側直流遮断部５１２の静電容量Ｃ２とに基づいて定まる。なお、角周波数ωは２πｆｂであり、基準周波数ｆｂは、交流電流Ｉ２の周波数である。
【０１６１】
【数２】
2015232459.tif 000004
【０１６２】
上式のように、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の振幅が大きくなるほど、負極側直流遮断部５１２による電圧降下Ｖｃ２が大きくなる。したがって、インピーダンス測定装置５の回路設計においては、交流電流Ｉ２の振幅が最大となったときに、内部抵抗Ｒ２による電圧降下Ｖｒ２と電圧降下Ｖｃ２とを合成した合成電圧降下が、回路のダイナミックレンジ内に収まるように、負極側直流遮断部５１２の静電容量Ｃ２を大きくする必要がある。
【０１６３】
一方、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅を、例えば負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の変動範囲の半値に設定することにより、正極側直流遮断部５１１による電圧降下Ｖｃ１も半分の値になる。このため、正極側直流遮断部５１１による電圧降下Ｖｃ１が下がる分だけ、正極側直流遮断部５１１の静電容量Ｃ１を小さくすることが可能となる。静電容量が小さいものほど、正極側直流遮断部５１１のサイズは小さくなるので、負極側直流遮断部５１２よりも正極側直流遮断部５１１のサイズを小さくできる。
【０１６４】
このように、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１を固定にすることにより、正極側直流遮断部５１１のサイズを小さくできるので、インピーダンス測定装置５を小型にすることができる。
【０１６５】
また、電源部５３１及び５３２のうち一方の固定電源部は、正極端子２１１及び負極端子２１２のうち電位変動が大きな電極端子と接続され、他方の可変電源部は、固定電源部が接続された電極端子とは反対に位置する端子と接続される。
【０１６６】
可変電源部は、交流調整部５４０によりフィードバック制御されることから、ノイズの影響を受けやすいため電位変動の小さい電極端子に接続するのが好ましい。一方、固定電源部は、フィードバック制御が行われないため、電位変動の大きい電極端子に接続してもノイズの影響を受けない。このため、固定電源部を、燃料電池スタック１からのノイズの影響を受けやすい電極端子に接続することにより、可変電源部側の検出回路に対するノイズ対策に伴う回路構成を簡素化できる。
【０１６７】
本実施形態では、燃料電池スタック１と負荷３との間を接続又は遮断する遮断器７が正極端子２１１と接続される。このため、固定電源を有する正極側電源部５３１は、正極側直流遮断部５１１を介して正極端子２１１に接続されるとともに、可変電源部を含む負極側電源部５３２は、負極側直流遮断部５１２を介して負極端子２１２に接続される。
【０１６８】
遮断器７によって燃料電池スタック１と負荷３との間の接続が遮断された場合であっても、正極側電源部５３１は固定電源であるため、遮断器７によるノイズ（電位変動）の影響を受けることはない。したがって、遮断器７の遮断時に発生するノイズによって可変電源部に対して行われるフィードバック制御が破綻するのを回避できる。
【０１６９】
（第２実施形態）
図１１は、本発明の第２実施形態におけるインピーダンス測定装置の構成を示す図である。第２実施形態のインピーダンス測定装置の構成については、図２に示したインピーダンス測定装置５の構成と基本的に同じであるため、同じ構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１７０】
燃料電池スタック１が有する内部抵抗Ｒ１及びＲ２は電解質膜１１１の湿潤状態に応じて変化する。例えば電解質膜１１１が乾燥した状態では内部抵抗Ｒ１及びＲ２は大きくなり、逆に電解質膜１１１が十分に湿った状態では内部抵抗Ｒ１及びＲ２は小さくなる。
【０１７１】
交流調整部５４０では、正極側検出部５２１から出力される交流電位差Ｖ１の検出信号が基準電圧Ｖｓとして設定されるため、内部抵抗Ｒ１の変動に伴い基準電圧Ｖｓが変化し、基準電圧Ｖｓがインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジを超える場合がある。このような場合には、内部抵抗Ｒの測定精度が低下してしまう。
【０１７２】
この対策として、第２実施形態における交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の検出信号に基づいて、交流電位差Ｖ１がインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジを超える場合に、正極側検出部５２１の増幅率及び負極側検出部５２２の増幅率を制御する。
【０１７３】
図１２は、交流調整部５４０の詳細構成を示す図である。ここでは、図６に示した構成に加えて、コンパレータ５４５が備えられている。
【０１７４】
コンパレータ５４５は、正極側検出部５２１から基準端子５４０Ａに入力された検出信号Ｖ１に基づいて、交流電位差Ｖ１がインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジを超えているか否かを判定する。
【０１７５】
コンパレータ５４５には、インピーダンス測定装置５のダイナミックレンジの上限に対応する上限閾値Ｔｈ_ｕと、ダイナミックレンジの下限に対応する下限閾値Ｔｈ_ｄとが設定されている。
【０１７６】
上限閾値Ｔｈ_ｕ及び下限閾値Ｔｈ_ｄは、ダイナミックレンジの境界で発生するハンチングを回避するためにヒステリシスが設けられる。例えば、ダイナミックレンジが０．０〜５．０Ｖ（ボルト）である場合には、上限閾値Ｔｈ_ｕは４．５Ｖに設定され、下限閾値Ｔｈ_ｄは、０．５Ｖに設定される。
【０１７７】
コンパレータ５４５は、交流電位差Ｖ１の検出信号が上限閾値Ｔｈ_ｕよりも高い場合には、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の増幅率を減少させるＨ（Ｈｉｇｈ）レベルの指令信号を出力する。またコンパレータ５４５は、交流電位差Ｖ１の検出信号が下限閾値Ｔｈ_ｄよりも低い場合には、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の増幅率を増加させるＬ（Ｌｏｗ）レベルの指令信号を出力する。
【０１７８】
一方、コンパレータ５４５は、交流電位差Ｖ１の検出信号が下限値Ｔｈ_ｄから上限値Ｔｈ_ｕまでの範囲内にある場合には、ＨレベルとＬレベルとの間のＭ（Ｍｉｄｄｌｅ）レベルの指令信号を出力する。なおコンパレータ５４５は、交流電位差Ｖ１の検出信号が下限値Ｔｈ_ｄから上限値Ｔｈ_ｕまでの範囲内にある場合には、指令信号の出力を停止するものであってもよい。
【０１７９】
図１３は、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の構成を示す図である。
【０１８０】
第２実施形態の増幅回路５２１３及び５２２３は、コンパレータ５４５から出力される指令信号に基づいて増幅率を変更可能な回路である。
【０１８１】
増幅回路５２１３及び５２２３の各々は、コンパレータ５４５からＭレベルの指令信号を受信すると、基準となる増幅率により検出信号を増幅する。
【０１８２】
一方、インピーダンス測定装置５のダイナミックレンジを超える場合において、増幅回路５２１３及び５２２３の各々は、コンパレータ５４５からＨレベルの指令信号を受信すると、基準の増幅率よりも小さな所定の増幅率により検出信号を増幅する。
【０１８３】
すなわち、交流電流Ｖ１の検出信号がインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジよりも大きい場合には、増幅回路５２１３及び５２２３は共に、基準の増幅率から所定量だけ低下させた増幅率に切り替えられる。
【０１８４】
また増幅回路５２１３及び５２２３の各々は、コンパレータ５４５からＬレベルの指令信号を受信すると、基準となる増幅率よりも大きな所定の増幅率により検出信号を増幅する。
【０１８５】
すなわち、交流電流Ｖ１の検出信号がインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジよりも小さい場合には、増幅回路５２１３及び５２２３は共に、基準の増幅率から所定量だけ上昇させた増幅率に切り替えられる。
【０１８６】
このように交流調整部５４０は、交流電流Ｖ１の検出信号に基づいて、正極側検出部５２１の増幅率と負極側検出部５２２の増幅率とを共に増減させる。これにより、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ１の変動に伴い交流電流Ｖ１が変化した場合であっても、交流電流Ｖ１及びＶ２の検出信号をインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジ内に収めることができる。
【０１８７】
図１４は、本実施形態のインピーダンス測定装置の制御方法を示す図である。
【０１８８】
本実施形態の制御方法では、図８に示したステップＳ１からステップＳ９までの一連の処理に加えて、ステップＳ２１からステップＳ２５までの処理が実行される。そのため、新たに加えられたステップＳ２１からステップＳ２５までの処理についてのみ説明する。
【０１８９】
ステップＳ２１において交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の検出信号が上限閾値Ｔｈ_ｕよりも高いか否かを判断する。上限閾値Ｔｈ_ｕは、インピーダンス測定装置５のダイナミックレンジの上限に基づいて設定される。
【０１９０】
ステップＳ２２において交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の検出信号が上限閾値Ｔｈ_ｕよりも高い場合には、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の増幅率を所定量だけ減少させる。具体的には、交流調整部５４０は、正極側検出部５２１の増幅回路５２１３及び負極側検出部５２２の増幅回路５２２３の各々に対して、増幅率を減少させる指令信号を出力する。これにより、増幅回路５２１３及び増幅回路５２２３の増幅率が基準となる値よりも小さな所定の値に切り替えられる。
【０１９１】
ステップＳ２３において交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の検出信号が上限閾値Ｔｈ_ｕ以下である場合において、交流電位差Ｖ１の検出信号が下限閾値Ｔｈ_ｄ以上であるか否かを判断する。上限閾値Ｔｈ_ｕは、インピーダンス測定装置５のダイナミックレンジの下限に基づいて設定される。
【０１９２】
ステップＳ２４において交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の検出信号が上限閾値Ｔｈ_ｕ以下であり、かつ、交流電位差Ｖ１の検出信号が下限閾値Ｔｈ_ｄ以上である場合には、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の増幅率を基準となる値に設定する。すなわち交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の検出信号がダイナミックレンジ内にある場合には、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の増幅率を増減させずに維持する。
【０１９３】
ステップＳ２５において交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の検出信号が下限閾値Ｔｈ_ｄよりも低い場合には、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の増幅率を所定量だけ増加させる。具体的には、交流調整部５４０は、正極側検出部５２１の増幅回路５２１３及び負極側検出部５２２の増幅回路５２２３の各々に対して、増幅率を増加させる指令信号を出力する。これにより、増幅回路５２１３及び増幅回路５２２３の増幅率が基準となる値よりも大きな所定の値に切り替えられる。
【０１９４】
図１５は、インピーダンス測定装置５のダイナミックレンジの調整手法を示す図である。
【０１９５】
図１５（Ａ）は、交流電位差Ｖ１を示す図である。図１５（Ａ）には、増幅率を変更したときの交流電位差Ｖ１の変化が実線により示され、増幅率を基準値に固定したときの交流電位差Ｖ１の変化が破線により示されている。また参考までに燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１の変動が点線により示されている。
【０１９６】
図１５（Ｂ）は、正極側検出部５２１及び５２２の増幅率の変化を示す図である。図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）の横軸は、互いに共通の時間軸である。
【０１９７】
時刻ｔ１１では、図１５（Ａ）に示すように交流電位差Ｖ１の検出信号がインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジ内にあり、図１５（Ｂ）に示すように正極側検出部５２１及び５２２の増幅率が基準値Ａｂに設定される。その後、燃料電池スタック１が乾燥して燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１が上昇する。
【０１９８】
時刻ｔ１２では、図１５（Ａ）に示すように交流電位差Ｖ１の検出信号がダイナミックレンジの上限閾値Ｔｈ_ｕよりも大きくなるため、図１５（Ｂ）に示すように正極側検出部５２１及び５２２の増幅率が、基準値Ａｂよりも所定量だけ小さい値Ａｄに切り替えられる。これにより、正極側検出部５２１及び５２２の検出感度が基準感度よりも下がるので、交流電位差Ｖ１の検出信号をダイナミックレンジ内に収めることができる。
【０１９９】
その後、図１５（Ａ）の実線に示したように交流電位差Ｖ１の検出信号がダイナミックレンジの上限に達する前に内部抵抗Ｒ１の上昇が止まり、一定期間だけ内部抵抗Ｒ１が維持された後、燃料電池スタック１を湿らせる湿潤制御によって内部抵抗Ｒ１が低下する。
【０２００】
時刻ｔ１３では、図１５（Ａ）に示すように交流電位差Ｖ１の検出信号が上限閾値Ｔｈ_ｕから所定量だけ低下するため、図１５（Ｂ）に示すように正極側検出部５２１及び５２２の増幅率が基準値Ａｂに切り替えられ、検出感度が基準感度に戻される。一方、内部抵抗Ｒ１は時間の経過と共に低下し続ける。
【０２０１】
時刻ｔ１４では、図１５（Ａ）に示すように交流電位差Ｖ１の検出信号がダイナミックレンジの下限閾値Ｔｈ_ｄよりも小さくなるため、図１５（Ｂ）に示すように正極側検出部５２１及び５２２の増幅率が、基準値Ａｂよりも所定量だけ大きい値Ａｕに切り替えられる。これにより、正極側検出部５２１及び５２２の検出感度が基準感度よりも上がるので、交流電位差Ｖ１の検出信号をダイナミックレンジに収めることができる。
【０２０２】
本発明の第２実施形態によれば、交流調整部５４０は、正極側検出部５２１から出力される検出信号Ｖ１が、下限閾値Ｔｈ_ｄから上限閾値Ｔｈ_ｕまでの所定の変動範囲を超えたときには、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の増幅率を増減させる。
【０２０３】
これにより、正極側電源部５３１から燃料電池スタック１に出力される一定の交流電流Ｉ１によって生じる交流電位差Ｖ１が内部抵抗Ｒ１の変動に伴い変化したとしても、交流電位差Ｖ１をインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジに収めることができる。
【０２０４】
したがって、電源部５３１及び５３２のうち一方の電源部を固定電源とし固定電源側の検出部で検出される交流電位差を基準値Ｖｓにすることに伴いインピーダンス測定装置５の測定精度が低下するのを回避できる。
【０２０５】
また本実施形態では、正極側検出部５２１は、交流電位差Ｖ１の検出信号から交流電流Ｉ１と同じ周波数の交流成分を抽出する帯域通過フィルタ５２１２や同期検波回路５２１４などの抽出回路を備える。そして交流調整部５４０は、抽出回路から抽出される交流成分を用いて、交流電位差Ｖ１がダイナミックレンジを超えるか否かを判断する。
【０２０６】
信号線５０１及び５０２には負荷３から強大なノイズが伝播しやすい。このようなノイズが正極側検出部５２１や負極側検出部５２２などに混入するような状況であっても、抽出回路によって負荷３からのノイズを除去することができる。したがって、抽出回路から出力される検出信号を用いることにより、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の増幅率の切り替えを安定かつ的確に行うことができる。
【０２０７】
なお、本実施形態では、交流電流Ｉ１の振幅を変えずに固定して交流電流Ｉ２の振幅を変更する例について説明したが、交流電流Ｉ１の振幅を変更し、交流電流Ｉ２の振幅を固定するようにしてもよい。この場合には、交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２の検出信号を基準電圧Ｖｓに設定し、交流電位差Ｖ１の検出信号が基準電圧Ｖｓとなるように、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１のみを調整する。そして交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２の検出信号に基づいて、交流電位差Ｖ２がダイナミックレンジに収まるように、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の増幅率を増減させる。
【０２０８】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態におけるインピーダンス測定装置について説明する。本実施形態のインピーダンス測定装置の構成については、図２に示したインピーダンス測定装置５の構成と同じであるため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【０２０９】
本実施形態では、交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１がインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジを超える場合には、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅を、予め定められた固定値に段階的に切り替える。なお、交流調整部５４０の詳細構成は、基本的に図１２に示した構成と同じである。
【０２１０】
図１６は、本発明の第３実施形態における正極側電源部５３１の構成を示す図である。
【０２１１】
正極側電源部５３１は、図４に示した固定電源５３１１に代えて、固定電源５３１１Ａから５３１１Ｃ及び切替器５３１１Ｄを備えている。
【０２１２】
固定電源５３１１Ｂは、基準となる電圧値Ｖｃ_ｍの直流電圧を切替器５３１１Ｄに出力する。
【０２１３】
固定電源５３１１Ａは、電圧値Ｖｃ_ｍよりも小さな所定の電圧値Ｖｃ_ｌの直流電圧を切替器５３１１Ｄに出力する。
【０２１４】
固定電源５３１１Ｃは、電圧値Ｖｃ_ｍよりも大きな所定の電圧値Ｖｃ_ｈの直流電圧を切替器５３１１Ｄに出力する。
【０２１５】
切替器５３１１Ｄは、固定電源５３１１Ａから５３１１Ｃまでの各固定電源から出力される３つの直流電圧のうち、コンパレータ５４５から出力される指令信号に基づいて、１つの直流電圧に切り替える。
【０２１６】
切替器５３１１Ｄは、コンパレータ５４５からＭレベルの指令信号を受信すると、固定電源５３１１Ｂから出力される直流電圧Ｖｃ_ｍを乗算器５３２３に出力する。これにより、正極側電源部５３１から基準となる振幅の交流電流Ｉ１が出力される。
【０２１７】
一方、インピーダンス測定装置５のダイナミックレンジを超える場合において、切替器５３１１Ｄは、コンパレータ５４５からＨレベルの指令信号を受信すると、固定電源５３１１Ａから出力される直流電圧Ｖｃ_ｌを乗算器５３２３に出力する。
【０２１８】
すなわち、交流電流Ｖ１の検出信号がインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジよりも大きい場合には、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅は、基準となる振幅よりも所定幅だけ低下させた振幅に切り替えられる。
【０２１９】
また切替器５３１１Ｄは、コンパレータ５４５からＬレベルの指令信号を受信すると、固定電源５３１１Ｃから出力される直流電圧Ｖｃ_ｈを乗算器５３２３に出力する。
【０２２０】
すなわち、交流電流Ｖ１の検出信号がインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジよりも小さい場合には、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅は、基準となる振幅よりも所定幅だけ上昇させた振幅に切り替えられる。
【０２２１】
このように交流調整部５４０は、交流電流Ｖ１の検出信号に基づいて、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅を増減させる。これにより、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１の変動に伴い交流電流Ｖ１が変化した場合であっても、交流電流Ｖ１の検出信号をインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジ内に収めることができる。
【０２２２】
図１７は、本実施形態のインピーダンス測定装置の制御方法を示す図である。
【０２２３】
本実施形態の制御方法では、図１４に示したステップＳ２２、ステップＳ２４及びステップＳ２５の処理に代えて、ステップＳ３２、ステップＳ３４及びステップＳ３５の処理が実行される。
【０２２４】
ステップＳ３２において交流調整部５４０は、ステップＳ２１で交流電位差Ｖ１の検出信号が上限閾値Ｔｈ_ｕよりも高いと判断された場合には、正極側電源部５３１の固定電源を交流電流Ｉ１の振幅が小さくなる固定電源５３１１Ａに切り替える。具体的には、交流調整部５４０は、切替器５３１１Ｄに対して交流電流Ｉ１を減少させる指令信号を出力する。これにより、切替器５３１１Ｄによって固定電源５３１１Ａから出力される直流電圧が乗算器５３１３に入力されるので、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅が、基準となる振幅よりも所定幅だけ下げられる。
【０２２５】
ステップＳ３４において交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の検出信号が上限閾値Ｔｈ_ｕ以下であり、かつ、交流電位差Ｖ１の検出信号が下限閾値Ｔｈ_ｄ以上である場合には、正極側電源部５３１の固定電源を、基準となる固定電源５３１１Ｂに設定する。すなわち交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の検出信号がダイナミックレンジ内にある場合には、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１を基準となるレベルに維持する。
【０２２６】
ステップＳ３５において交流調整部５４０は、ステップＳ２３で交流電位差Ｖ１の検出信号が下限閾値Ｔｈ_ｄよりも低いと判断された場合には、正極側電源部５３１の固定電源を交流電流Ｉ１の振幅が大きくなる固定電源５３１１Ｃに切り替える。具体的には、交流調整部５４０は、切替器５３１１Ｄに対して交流電流Ｉ１を増加させる指令信号を出力する。これにより、切替器５３１１Ｄによって固定電源５３１１Ｃから出力される直流電圧が乗算器５３１３に入力されるので、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅が、基準となる振幅よりも所定幅だけ上げられる。
【０２２７】
本発明の第３実施形態によれば、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２のうち一方の固定電源部は、互いに異なる固定値の電圧を出力する固定電源５３１１Ａ〜５３１１Ｃを備え、いずれか１つの固定電源５３１１Ｂを用いて電極端子に交流電流を出力する。そして交流調整部５４０は、固定電源側の検出部から出力される検出信号が、下限閾値Ｔｈ_ｌから上限閾値Ｔｈ_ｈまでの所定の変動範囲を超えたときには、固定電源５３１１Ｂを他の固定電源５３１１Ａ又は５３１１Ｃに切り替える。
【０２２８】
これにより、正極側電源部５３１から燃料電池スタック１に出力される一定の交流電流Ｉ１によって生じる交流電位差Ｖ１が内部抵抗Ｒ１の変動に伴い変化したとしても、交流電位差Ｖ１をインピーダンス測定装置５のダイナミックレンジに収めることができる。
【０２２９】
したがって、電源部５３１及び５３２のうち一方の電源部を固定電源部とし固定電源側の検出部で検出される交流電位差を基準値Ｖｓにすることに伴いインピーダンス測定装置５の測定精度が低下するのを回避することができる。
【０２３０】
なお、固定電源５３１１を有する正極側電源部５３１は、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２のうち抵抗値が小さな内部抵抗の方の電極端子に接続されるように構成してもよい。交流電位差Ｖ１は、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１と交流電流Ｉ１との積であり、内部抵抗Ｒ１が小さいほど交流電位差Ｖ１が変動する幅は小さくなる。
【０２３１】
このため、内部抵抗Ｒ１及びＲ２のうち抵抗値が小さな内部抵抗の方に設けられた電極端子に固定電源部を接続することで、正極側検出部５２１及び５２２の検出感度、又は正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の増減量の要件を緩和することができる。
【０２３２】
また、本実施形態では、交流電流Ｉ１の振幅を変えずに固定して交流電流Ｉ２の振幅を変更する例について説明したが、交流電流Ｉ１の振幅を変更し、交流電流Ｉ２の振幅を固定するようにしてもよい。この場合には交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２の検出信号に基づいて、交流電位差Ｖ２がダイナミックレンジに収まるように、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２を増減させる。
【０２３３】
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。
【０２３４】
例えば、上記実施形態では、正極側電源部５３１に電圧電流変換回路５３１４を備える例について説明したが、電圧電流変換回路５３１４を省略してもよい。これにより、固定電源部をより簡素にでき、製造コストを削減することができる。
【０２３５】
上記実施形態では、図４に示した同期検波回路５２１４は、検出信号の実軸成分を抽出する例について説明したが、検出信号の実軸成分の二乗値と虚軸成分の二乗値との和の平方根を演算してベクトル値を求め、これを検出信号Ｖ１として出力してもよい。なお、検出信号の虚軸成分は、交流電流Ｉ１と位相が直交する直交信号を検出信号に乗算して平滑化することにより得られる。ベクトル値を利用することにより、交流電位差Ｖ１又はＶ２の振幅が正確に求められるので、等電位制御を適切に実行することができる。
【０２３６】
また、上記実施形態では、演算部５５０は、燃料電池スタック１の内部抵抗を求める例について説明したが、演算部５５０は、燃料電池スタック１の内部抵抗に加えて、交流電位差Ｖ１及びＶ２の虚軸成分を求めて燃料電池スタック１が有する静電容量を算出するものであってもよい。
【０２３７】
また、上記実施形態では演算部５５０に記録された交流電流Ｉ１の振幅値を用いて内部抵抗Ｒ１を演算する例について説明したが、図５に示した電流検出回路５３２５を正極側電源部５３１に備え、電流検出回路からの検出信号を用いて演算してもよい。これにより、等電位制御の精度が高まると共に内部抵抗Ｒ１の測定精度が向上する。
【０２３８】
また、上記実施形態では、インピーダンス測定装置５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例について説明したが、測定対象は、複数の電池セルが積層された積層電池であればよく、例えば積層型のリチウムイオンバッテリーであってもよい。
【０２３９】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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