层叠电池的阻抗测量装置和测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种对层叠电池的内阻进行测量的装置和测量方法。
【背景技术】
[0002]在层叠多个发电元件而成的层叠电池中，期望尽可能准确地检测内阻。例如，在燃料电池中，如果获知内阻，则获知电解质膜的湿度。如果内阻高，则电解质膜的湿度低，有点干燥。如果内阻低，则电解质膜的湿度高。在燃料电池中，运转效率根据电解质膜的湿度而改变。因此，通过与根据内阻估计出的电解质膜的湿度相应地控制运转，能够始终最佳地维持电解质膜的湿润状态。
[0003]已知以下一种技术:为了检测电解质膜的湿润状态，通过外部电路对与外部负载连接的燃料电池施加交流电流来计测燃料电池的阻抗。然而，对于施加交流的外部电路而言，电池与同电池连接的负载成为并联电路，因此，在所施加的电流流过电池以外的负载的情况下，有可能无法准确地测量电池的内阻。在W02012/077450A中公开了用于解决该问题的装置。
【发明内容】
[0004]在如上述那样通过外部电路对层叠电池施加交流电流时，在所施加的电流流过电池以外的负载的情况下，有可能无法准确地测量电池的内阻。
[0005]本发明的目的在于提供一种通过与W02012/077450A所记载的方法不同的方法来高精度地测量层叠电池的阻抗的技术。
[0006]本发明的层叠电池的阻抗测量装置具备:多个发电元件层叠而成的层叠电池;连接在层叠电池的两端的负载;叠加单元，其使脉动电流或脉动电压叠加到层叠电池的输出中；以及阻抗测量单元，在脉动电流被叠加的情况下，该阻抗测量单元根据通过叠加脉动电流而产生的脉动电压和脉动电流来测量层叠电池的内阻，在脉动电压被叠加的情况下，该阻抗测量单元根据通过叠加脉动电压而产生的脉动电流和脉动电压来测量层叠电池的内阻。层叠电池的阻抗测量装置还具备:电阻成分，其设置于叠加单元与负载之间；以及电位差抑制电路，其用于抑制电阻成分的两端的脉动电位差。
[0007]下面，与所添附的附图一起详细说明本发明的实施方式。
【附图说明】
[0008]图1是表示第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的基本结构的图。
[0009]图2是表示第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的一部分的具体结构的图。
[0010]图3是表示第二实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的一部分的具体结构的图。
[0011]图4是表示第三实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的脉动电流产生电路的结构的图。
[0012]图5是表示第四实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的脉动电流产生电路的结构的图。
[0013]图6是表示代替脉动电流产生电路而设置有脉动电压产生电路的层叠电池的阻抗测量装置的结构的图。
【具体实施方式】
[0014]〈第一实施方式〉
[0015]图1是表示第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的基本结构的图。层叠电池2是层叠多个发电元件而成的电池，例如是将多个燃料电池单元层叠而成的燃料电池堆。
[0016]电力转换装置4设置于层叠电池2与负载5之间，将从层叠电池2供给的电力转换为向负载5供给的供给电力。例如，在负载5是三相交流电动机的情况下，电力转换装置4是逆变器，将从层叠电池2供给的直流电力转换为三相交流电力后供给到负载5。另外，在负载5是直流电动机的情况下，电力转换装置4是DC/DC转换器，将层叠电池2的直流电压转换为期望的直流电压后供给到负载5。
[0017]在层叠电池2与电力转换装置4之间设置有二极管3，该二极管3用于防止电流从电力转换装置4侧流向层叠电池2。即，二极管3的阳极与层叠电池2的输出端连接，阴极与电力转换装置4的输入端连接。
[0018]在层叠电池2与二极管3之间设置有脉动电流产生电路11、脉动电流检测器12以及脉动电压检测器13。但是，也可以将脉动电压检测器13设置于二极管3与电力转换装置4之间。
[0019]脉动电流产生电路11产生脉动电流。所产生的脉动电流被施加于层叠电池2，并叠加在层叠电池2的输出电流中。
[0020]脉动电流检测器12检测由脉动电流产生电路11产生的脉动电流。脉动电压检测器13与层叠电池2并联连接，对通过脉动电流在层叠电池2的两端产生的脉动电压进行检测。
[0021]阻抗运算电路14通过对由脉动电压检测器13检测出的脉动电压除以由脉动电流检测器12检测出的脉动电流来运算层叠电池的内阻。
[0022]脉动电流泄漏防止电路15是用于防止由脉动电流产生电路11产生的脉动电流经由二极管3流向负载5侧的电路。
[0023]图2是表示第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的一部分的具体结构的图。在图2中省略了层叠电池2、电力转换装置4以及负载5。
[0024]在图2所示的电路中，在脉动电压检测器13上串联连接有电容器Ce。电容器Ce仅使脉动电流流通，并且产生各电路(脉动电流产生电路U、脉动电流检测器12、脉动电压检测器13、阻抗运算电路14、脉动电流泄漏防止电路15)的动作基准电位(公共电压)。即，电容器Ce中蓄积有层叠电池2的直流电压部分的电荷，脉动电压检测器13与电容器Ce的连接点成为各电路的动作基准电位。
[0025]脉动电流产生电路11具备脉动信号源21以及NPN型晶体管22JPN型晶体管22的发射极同脉动电压检测器13与电容器Ce的连接点连接，集电极与后述的脉动电流检测器12的电阻器23的一端连接。脉动信号源21例如是正弦波发生器，当由脉动信号源21产生的正弦波电流被施加于NPN型晶体管22的基极时，NPN型晶体管22被驱动，脉动电流Ie从集电极向发射极的方向、即沿图2的箭头的路径流动。
[0026]脉动电流检测器12具备电阻值为Ri的电阻器23以及运算放大器24。运算放大器24检测由于流通脉动电流Ie而在电阻器23的两端产生的电位差Vopi，输出根据以下的式(I)计算出的脉动电流值I。
[0027][式I]
[0028]I =Vopi/R1."(I)
[0029]脉动电压检测器13具备电阻值为Rv(Ri<<Rv)的电阻器25以及运算放大器26。脉动电压检测器13与串联连接的脉动电流产生电路11及脉动电流检测器12并联连接，当脉动电流Ie向图2的箭头的朝向流动时，在电阻器25的两端产生与在串联连接的脉动电流产生电路11和脉动电流检测器12的两端产生的电压相同的电压。运算放大器26检测在电阻器25的两端产生的电位差Vopv，并将该电位差Vopv作为脉动电压值V(V = Vopv)输出。作为运算放大器26的输出的脉动电压值V被输入到阻抗运算电路14和脉动电流泄漏防止电路15。
[0030]脉动电流泄漏防止电路15具备电压跟随放大器27。电压跟随放大器27具有将与输入电压相等的电压输出的特性，向电压跟随放大器27输入作为运算放大器26的输出的脉动电压值V，且该电压跟随放大器27将相同的电压V输出到二极管3的两端中的阴极侧。即，电压跟随放大器27在脉动电流流过时，将与在二极管3的阳极侧产生的脉动电压相同的电压施加于二极管3的阴极侧。由此，二极管3的阳极-阴极之间的脉动电压电位差成为0，因此二极管3中不流通脉动电流。即，能够防止脉动电流经由二极管3流向电力转换装置4和负载5。
[0031]此外，在直流电流从层叠电池2经由二极管3流向负载5的情况下，电压跟随放大器27的输出端子侧的电压有可能发生变动，但是电压跟随放大器27通过负反馈立即进行动作，使得输入电压与输出电压相等。由此，能够高精度地将二极管3的阳极-阴极之间的脉动电压电位差保持为O。
[0032]以上，第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置具备:层叠多个发电元件而成的层叠电池2;连接在层叠电池2的两端的负载5;脉动电流产生电路11，其使脉动电流叠加到层叠电池2的输出中；阻抗运算电路14，其根据通过叠加脉动电流产生的脉动电压和脉动电流来测量层叠电池2的内阻;作为电阻成分的二极管3，其设置于脉动电流产生电路11与负载5之间；以及脉动电流泄漏防止电路15，其用于抑制二极管3的两端的脉动电位差。通过利用脉动电流泄漏防止电路15来抑制电阻成分的两端的脉动电位差，能够抑制脉动电流经由电阻成分流向负载5侧，因此能够根据脉动电流和脉动电压来高精度地测量层叠电池2的内阻。
[0033]特别地，根据第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置，脉动电流泄漏防止电路15通过将脉动电压施加于二极管3的两端中的负载侧端来抑制在二极管3的两端产生脉动电位差。即，通过将与在二极管3的两端中的层叠电池侧端产生的脉动电压相同的电压施加于二极管3的负载侧端，能够有效地抑制二极管3的两端的脉动电压电位差。
[0034]〈第二实施方式〉
[0035]图3是表示第二实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的一部分的具体结构的图。在图3中也省略了层叠电池2、电力转换装置4以及负载5。另外，对与图2所示的第一实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置的结构相同的结构部分附加相同的附图标记，并省略详细的说明。
[0036]脉动电流产生电路11具备脉动信号源21和变压器31。变压器31的初级线圈与脉动信号源21串联连接。另外，变压器31的次级线圈的一端与脉动电流检测器12的电阻器23的一端连接，变压器31的次级线圈的另一端同脉动电压检测器13与电容器Ce的连接点连接。当由脉动信号源21产生的正弦波电流流过变压器31的初级线圈时，次级线圈中也流过相同波形的电流，因此脉动电流Ie沿图3的箭头的路径流动。此外，通过变压器31的作用，脉动电流I e成为包含正和负的电流成分的双极波形。
[0037]脉动电流泄漏防止电路15是具备运算放大器32的负反馈放大电路。即，运算放大器32的输出端子与反相输入端子连接。另外，运算放大器32的非反相输入端子与二极管3的阳极连接，运算放大器32的反相输入端子与二极管3的阴极连接。负反馈放大电路具有使运算放大器32的反相输入端子与非反相输入端子之间的电位差保持为O的特性(虚拟短路)，因此二极管3的阳极-阴极之间的脉动电压电位差成为O。由此，二极管3不流通脉动电流，因此能够防止脉动电流经由二极管3流向负载5侧。
[0038]以上，根据第二实施方式中的层叠电池的阻抗测量装置，脉动电流泄漏防止电路15是具备与二极管3的两端中的层叠电池侧端连接的非反相输入端子、与二极管3的两端中的负载侧端连接的反相输入端子以及与反相输入端子连接的输出端子的负反馈放大电路。在负反馈放大电路中，具有使反相输入端子与非反相输入端子之间的电位差保持为O