(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定システムであって、
前記燃料電池に接続され、周波数制御される電子機器と、
前記電子機器を制御する制御信号の周波数を検知する検知手段と、
検知される周波数に基づき、前記インピーダンスの測定周波数を決定する決定手段と、
決定された測定周波数で前記インピーダンスの測定を行う測定手段とを具備し、
前記決定手段は、前記インピーダンスの測定周波数を、検知される周波数と共振しない周波数に決定することを特徴とするインピーダンス測定システム。
【請求項２】
前記電子機器は、前記燃料電池に接続されたモータであることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定システム。
【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測定を行うインピーダンス測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムには、プロトン導電性を有する固体高分子膜を電解質層に備える固体高分子型の燃料電池が搭載されている。かかる燃料電池に発生する異常を検知する方法として、特定周波数の交流を印加したときの燃料電池のインピーダンス（以下、特定周波数のインピーダンス）を測定し、測定結果に基づき異常を検知する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３６７６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃料電池のインピーダンスの値は燃料電池に異常が生じていなくとも、燃料電池の運転状態などに応じて変化する。よって、上記のごとく、特定周波数のインピーダンスを測定しただけでは、燃料電池に何らかの異常が生じたのか、燃料電池の運転状態が変化しただけなのか、正確に判断することができないという問題があった。
【０００５】
また、燃料電池のインピーダンスの値は、燃料電池の電流・電圧特性（ＩＶ特性）を推定する際に利用されるが、該インピーダンスの値が正確でなければＩＶ特性も精度良く推定することができないという問題もあった。
【０００６】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、燃料電池のインピーダンスを精度良く測定することが可能なインピーダンス測定システム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】
【０００７】
上述した問題を解決するため、本発明に係るインピーダンス測定システムは、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定システムであって、前記燃料電池に接続され、周波数制御される電子機器と、前記電子機器を制御する制御信号の周波数を検知する検知手段と、検知される周波数に基づき、前記インピーダンスの測定周波数を決定する決定手段と、決定された測定周波数で前記インピーダンスの測定を行う測定手段とを具備し、前記決定手段は、前記インピーダンスの測定周波数を、検知される周波数と共振しない周波数に決定することを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、周波数制御される電子機器の制御信号の周波数を検知し、検知される周波数に基づき、インピーダンスの測定周波数が決定される。よって、例えば電子機器の制御信号と共振しないようにインピーダンスの測定周波数を決定等することができ、これにより燃料電池のインピーダンスを精度良く測定することが可能となる。
【０００９】
ここで、上記構成にあっては、前記電子機器は、前記燃料電池に接続されたモータであり、前記決定手段は、前記インピーダンスの測定周波数として、検知される周波数と共振しない周波数に決定する態様が好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池のインピーダンスを精度良く測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
Ａ．第１実施形態
Ａ−１.全体構成
図１は第１実施形態に係る燃料電池システム１００を搭載した車両の概略構成である。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００１６】
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、ＭＥＡ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。この燃料電池４０の実運転動作点における出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ１４１及び電流センサ１４２によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気などの酸化ガスが供給される。
【００１７】
燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
【００１８】
バッテリ６０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ６０の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ６０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ１１０に並列接続されており、バッテリ６０とインバータ１１０の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ１３０が設けられている。
【００１９】
インバータ１１０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置８０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ６０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ（以下、単にモータ）１１５へ供給する。モータ１１５は、車輪１１６Ｌ、１１６Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ１１０によって制御される。
【００２０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、バッテリ６０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ６０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の機能により、バッテリ６０の充放電が実現される。
【００２１】
バッテリ６０とＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類１２０が接続されている。バッテリ６０は、これら補機類１２０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。
【００２２】
制御装置８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、ＦＣ電圧を検出する電圧センサ１４１や、ＦＣ電流を検出する電流センサ１４２、燃料電池４０の温度を検出する温度センサ５０、バッテリ６０の充電状態を検出するＳＯＣセンサ、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づき、当該システム各部を中枢的に制御する。また、制御装置８０は、各センサ信号を利用して以下に示す燃料電池４０のインピーダンス測定を行う。
【００２３】
Ａ−２．インピーダンス測定の説明
図２は、燃料電池４０の等価回路を示した図である。
等価回路におけるＲ１、Ｒ２は燃料電池４０の直流抵抗成分（電解質膜の抵抗など）であり、Ｃ１は燃料電池４０の容量成分に相当する。
図３は、図２の等価回路に高周波から低周波までのインピーダンス測定信号を印加した場合の燃料電池４０のインピーダンスを複素平面上にプロット（コールコールプロット）したものである。ここで、ＩＶ特性における直流抵抗による電圧降下分を求める際には、測定されるインピーダンスの実部を直流抵抗推定値Ｒｅとし、この直流抵抗推定値Ｒｅに電流センサ１５０によって検出されるＦＣ電流を乗ずる。これにより、直流抵抗による電圧降下分が導出されるが、直流抵抗による電圧降下分を正確に求めるためには、インピーダンス測定を精度良く行う必要がある。
【００２４】
本願発明者は、種々の条件によってインピーダンス測定を行ったところ、特定の条件下でインピーダンス測定値に異常が認められたため、この原因について調査を行った。その結果、モータ１１５の制御信号とインピーダンス測定信号との共振が原因であることが明らかとなった。
【００２５】
図４及び図５は、インピーダンス測定信号の周波数と交流インピーダンスの関係を説明するための図であり、図４の縦軸はインピーダンス測定信号の周波数、図５の縦軸は交流インピーダンス、図４及び図５の横軸は時間をそれぞれ示す。また、図４に示すｆ０はモータ１１５の制御信号と共振するインピーダンス測定信号の周波数（以下、共振周波数）を示し、ｆ１はモータ１１５の制御信号と共振しないインピーダンス測定信号の周波数（以下、非共振周波数）を示す。
【００２６】
図４に示すように、インピーダンス測定信号の周波数を共振周波数ｆ０（Ｈｚ）に設定すると、交流インピーダンスはハンチングを起こす。しかしながら、インピーダンス測定信号の周波数を共振周波数ｆ０（Ｈｚ）から非共振周波数ｆ１（Ｈｚ）へと変更すると、交流インピーダンスのハンチングはなくなり、略一定となることが確認された。
【００２７】
以上の結果を踏まえ、本実施形態ではモータ１１５の回転数（別言すれば、モータ１１５の制御信号の周波数）を検知し、インピーダンス測定信号の周波数を非共振周波数に設定することで、モータ１１５との共振を防ぎ、インピーダンス測定の精度向上を図っている。
【００２８】
図６は、制御装置８０の機能を説明するための図である。
図６に示すように、制御装置８０は、目標電圧決定部２１０、モータ回転数検出部２１５、重畳信号生成部２２０、電圧指令信号生成部２３０、インピーダンス演算部２４０、ＩＶ特性推定ライン作成部２５０を備えている。
【００２９】
目標電圧決定部２１０は、アクセルペダルセンサやＳＯＣセンサ（いずれも図示略）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２３０に出力する。
【００３０】
モータ回転数検出部（検知手段）２１５は、インバータ１１０によって制御されるモータ（電子機器）１１５の回転数を逐次検知し、検知結果を重畳信号生成部２２０に出力する。
重畳信号生成部２２０は、モータ回転数検出部２１５から出力される検知結果に基づき、出力目標電圧に重畳すべきインピーダンス測定信号を生成し、これを電圧指令信号生成部２３０に出力する。詳述すると、重畳信号生成部（決定手段）２２０は、モータ１１５の制御信号とインピーダンス測定信号とが共振しないように、インピーダンス測定信号の周波数を非共振周波数に設定（決定）する。重畳信号生成部２２０は、非共振周波数に設定したインピーダンス測定信号を生成すると、これを電圧指令信号生成部２３０に出力する。なお、インピーダンス測定信号は、非共振周波数に設定されれば良く、他のパラメータ（例えば、波形の種類、振幅値など）は、システム設計などに応じて適宜設定すれば良い。
【００３１】
電圧指令信号生成部２３０は、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ＶｆｃｒとしてＤＣ／ＤＣコンバータ３０に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、与えられる電圧指令信号Ｖｆｃｒに基づき燃料電池４０等の電圧制御を行う。
【００３２】
インピーダンス演算部（測定手段）２４０は、電圧センサ１４１によって検出される燃料電池４０の電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆ及び電流センサ１４２によって検出される燃料電池４０の電流（ＦＣ電流）Ｉｆ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２４０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４０のインピーダンス（測定インピーダンス）を求め、ＩＶ特性推定ライン作成部２５０に出力する。なお、燃料電池４０のインピーダンスの測定タイミングとしてはシステム起動時、システム終了時、間欠運転時など、任意に設定可能である。
【００３３】
ＩＶ特性推定ライン作成部２５０は、インピーダンス演算部２４０から出力される測定インピーダンスの実部を直流抵抗推定値Ｒｅとし、この直流抵抗推定値Ｒｅに電流センサ１４２によって検出されるＦＣ電流を乗ずることで、直流抵抗による電圧降下分を求める。そして、ＩＶ特性推定ライン作成部８３は、現時点における燃料電池４０の実運転動作点や、直流抵抗による電圧降下分などに基づき、活性化過電圧と起電圧変化分の電圧降下を導出し、これにより、精度の高い燃料電池４０のＩＶ特性推定ラインを作成することが可能となる。
【００３４】
以上説明した上記例では、モータ１１５の制御信号とインピーダンス測定信号との共振が起きないようにインピーダンス測定信号の周波数を設定したが、インピーダンス測定信号との共振を引き起こす可能性のある全ての機器（ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０など）に適用しても良い。詳述すると、燃料電池４０に接続され、周波数制御（ＰＷＭ制御など）される全ての機器について、制御装置（検知手段）８０は当該機器の駆動を制御する制御信号の周波数を検知する。そして、制御装置（決定手段）８０は、当該機器の制御信号とインピーダンス測定信号との共振が起きないように、インピーダンス測定信号の周波数を非共振周波数に設定する。これにより、上記本実施形態と同様、機器との共振を防ぎ、インピーダンス測定の精度向上を図ることが可能となる。
【００３５】
Ｂ．参考形態
図７は、参考形態に係る制御装置８０'の機能を説明するための図であり、前掲図６に対応する図である。なお、図６に対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は割愛する。
運転状態検出部（検知手段）２１５'は、燃料電池４０の出力電力を検出し、検出結果を重畳信号生成部２２０'に出力する。重畳信号生成部（決定手段）２２０'は、周波数決定マップＭＰ１に基づき、出力目標電圧に重畳すべきインピーダンス測定信号の周波数を決定し、決定した周波数のインピーダンス測定信号を電圧指令信号生成部２３０に出力する。
【００３６】
図８は、周波数決定マップＭＰ１の登録内容を例示した図である。インピーダンス測定
に最適な周波数は、燃料電池の４０の運転状態に応じて異なる。そこで、本実施形態では
、予め実験などによって燃料電池４０の出力電力に対応する最適なインピーダンス測定信
号の周波数を求め、これをマップ化する。例えば、運転状態検出部２１５’によって検知
された燃料電池４０の出力電力が、出力電力Ｐ１〜Ｐ２の範囲にある場合には、重畳信号
生成部２２０’は周波数決定マップＭＰ１から周波数ｆｓｔ１を読み出し、周波数ｆｓｔ
１のインピーダンス測定信号を生成し、これを電圧指令信号生成部２３０に出力する。な
お、この後の動作については第１実施形態と同様に説明することができるため、説明を割
愛する。このように、燃料電池４０の運転状態（参考形態では出力電力）を検知し、
検知した運転状態に応じてインピーダンス測定信号の周波数を決定することで、燃料電池
のインピーダンスを精度良く測定することが可能となる。
【００３７】
上記例では、検知する燃料電池４０の運転状態として出力電力を例示したが、これに限る趣旨ではなく燃料電池４０の出力電圧を検知しても良い。かかる場合には、例えば図９に示すような燃料電池４０の出力電圧とインピーダンス測定信号の周波数とを対応づけた周波数決定マップＭＰ２を重畳信号生成部２２０’に格納しておく。そして、運転状態検出部（検知手段）２１５’は、燃料電池４０の出力電圧を検出し、検出結果を重畳信号生成部２２０’に出力する一方、重畳信号生成部（決定手段）２２０’は、周波数決定マップＭＰ２に基づき、検出された出力電圧に対応するインピーダンス測定信号の周波数を決定し、決定した周波数のインピーダンス測定信号を生成する。このように、燃料電池４０の出力電圧に基づいてインピーダンス測定信号の周波数を決定しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】燃料電池の等価回路を示した図である。
【図３】燃料電池のインピーダンスを複素平面上にプロットした図である。
【図４】インピーダンス測定信号の周波数と交流インピーダンスの関係を説明するための図である。
【図５】インピーダンス測定信号の周波数と交流インピーダンスの関係を説明するための図である。
【図６】制御ユニットの機能を説明するための図である。
【図７】参考形態に係る制御ユニットの機能を説明するための図である。
【図８】周波数決定マップを例示した図である。
【図９】周波数決定マップを例示した図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０・・・燃料ガス供給源、４０・・・燃料電池、５０・・・温度センサ、６０・・・バッテリ、７０・・・酸化ガス供給源、８０，８０’・・・制御装置、２１０・・・目標電圧決定部、２２０，２２０’・・・重畳信号生成部、２１５・・・モータ回転数検出部、２１５’・・・運転状態検出部、インピーダンス測定部、２３０・・・電圧指令信号生成部、２４０・・・インピーダンス演算部、２５０・・・ＩＶ特性推定ライン作成部、ＭＰ１，ＭＰ２・・・周波数決定マップ、１１０・・・インバータ、１１５・・・モータ、１１６Ｌ、１１６Ｒ・・・車輪、１３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４１・・・電圧センサ、１４２・・・電流センサ、１００・・・燃料電池システム。
【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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【図６】
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【図７】
0004595993.tif 000008
【図８】
0004595993.tif 000009
【図９】
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