燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地涉及一种在其中通过使用AC阻抗方法执行阻抗测量的燃料电池系统。
技术背景众所周知，燃料电池的内部电阻影响燃料电池中的电解膜的湿度 系数，并且当小量的水分存在于燃料电池中并且电解膜较干时，内部 电阻增加并且燃料电池的输出电压减少。另一方面，当过量的水分存 在于燃料电池中时，水分覆盖着燃料电池的电极，因此阻止了作为反 应物的氧和氢的扩散，并且因此输出电压减少。为了高效率地运行燃料电池，需要以最优方式控制燃料电池中的 水分的量。在燃料电池中的水分的量和燃料电池的阻抗之间存在一种 关系。目前，通过AC阻抗方法测量燃料电池的阻抗，从而间接地获得 燃料电池中的水分状态。例如，在下面所述的专利文献1中公开了一种方法，该方法中， 将具有任意频率的正弦波信号(阻抗测量信号)施加给(叠加在)燃料电池的输出信号，以测量该情况下的阻抗，从而实时地获得在燃料 电池中的水分的量。[专利文献l]日本专利特许公开No. 2003-86220发明内容在安装燃料电池的移动设备(例如车辆)上，为了将总的系统效 率最大化，燃料电池通过DC/DC变换器(电压变换装置)与二次电池(蓄电装置)相连接，并且执行控制以将与车辆的需求功率相一致的 电流从二次电池侧供给到燃料电池侧或者相反的，从燃料电池侧给二次电池充电。在具有本结构的系统中，通过使用DC/DC变换器能够叠 加上述任意的正弦波信号从而测量阻抗。然而，DC/DC变换器的响应特性不总是令人满意的，并且也存在 具有差的响应特性的区域(细节将在下面进行说明)。在这种条件下， 不能充分地叠加阻抗测量信号。因此，存在不能充分执行阻抗测量的 问题。鉴于上述情况，已经开发了本发明，并且其目标在于提供一种燃 料电池系统，在该燃料电池系统中，能与电压变换装置的响应特性无 关地进行恒定精确的阻抗测量。为了解决上述问题，本发明的燃料电池系统包括燃料电池和用于控制所述燃料电池的输出电压的电压变换装置。燃料电池系统包括输出装置，在测量所述燃料电池的阻抗时，将阻抗测量信号叠加到所述 电压变换装置的输出目标电压上，并将该输出目标电压输出到所述电压变换装置；测量装置，测量通过所述电压变换装置之后的所述阻抗测量 信号的振幅；以及控制装置，基于所述测量装置的测量结果，控制通过 所述电压变换装置之前的所述阻抗测量信号的振幅。根据本结构，由于测量通过电压变换装置之后的阻抗测量信号的 幅值，和基于该幅值的测量结果控制通过电压变换装置之前的阻抗测 量信号的幅值，因此能够与电压变换装置(DC/DC变换器)的响应特 性无关地进行恒定精确的阻抗测量。这里，在上面的结构中，可以构造本发明使得系统进一步包括插 入在燃料电池的放电路径中并与燃料电池相并联连接的蓄电器，连接 在蓄电器和燃料电池之间的电压变换装置，和当所述燃料电池的阻抗
由AC阻抗方法测量时，将阻抗测量信号叠加到电压变换装置的输出目 标电压上以将该输出目标电压输出到电压变换装置的输出装置。而且，在上面的结构中，可以构造本发明使得控制装置可以求出 由测量装置测量的幅值和设定的目标幅值之间的偏差，并且基于求得 的偏差来控制阻抗测量信号的振幅。进一步，本发明的燃料电池系统包括燃料电池和用于控制所述燃 料电池的输出电压的电压变换装置。燃料电池系统包括输出装置，当 所述燃料电池的阻抗被测量时，将阻抗测量信号叠加到所述电压变换 装置的输出目标电压上，并将该输出目标电压输出到所述电压变换装 置；判断装置，判断所述阻抗测量时的所述电压变换装置的响应特性的 状态；以及控制装置，基于由所述判断装置判断出的所述电压变换装置 的所述响应特性的所述状态，来控制所述阻抗测量信号的振幅。这里，在上面的结构中，可以构造本发明使得系统进一步包括插 入在燃料电池的放电路径中并与燃料电池相并联连接的蓄电器，电压 变换装置连接在蓄电器和燃料电池之间，以及当燃料电池的阻抗由AC 阻抗方法测量时，输出装置将阻抗测量信号叠加到电压变换装置的输 出目标电压上并将该输出目标电压输出到电压变换装置。而且，在上面的结构中，优选的，系统进一步包括用于测量电压 变换装置的电抗器电流的测量装置，和用于存储响应特性图以从电压 变换装置的电抗器电流判断电压变换装置的响应特性是否处于稳定状 态中的第一存储装置。判断装置比较测量装置的测量结果与响应特性 图，以判断响应特性的稳定状态，并且控制装置执行控制，使得在电 压变换装置的响应特性处于非稳定状态的情况下的阻抗测量信号的振 幅大于在电压变换装置的响应特性处于稳定状态的情况下的阻抗测量 信号的振幅。 同样优选的，系统进一步包括用于存储在响应特性处于稳定状态 的情况下的阻抗测量信号的幅值和在响应特性处于非稳定状态的情况 下的阻抗测量信号的幅值的第二存储装置。控制装置根据电压变换装 置的状态从第二存储装置选择阻抗测量信号的幅值，并且基于所选择 的幅值控制阻抗测量信号的振幅。而且，本发明的燃料电池系统包括燃料电池和用于控制燃料电池 的输出电压的电压变换装置。所述燃料电池系统进一步包括输出装置， 当所述燃料电池的阻抗被测量时，将阻抗测量信号叠加到所述电压变 换装置的输出目标电压上，并将该输出目标电压输出到所述电压变换 装置；以及判断装置，判断所述电压变换装置的响应特性的状态。在所 述判断装置判断为所述电压变换装置的所述响应特性处于稳定状态的 情况下，所述输出装置将所述阻抗测量信号叠加到所述电压变换装置 的所述输出目标电压上，并将该输出目标电压输出到所述电压变换装 置。这里，在上面的结构中，可以构造本发明使得系统进一步包括插 入在燃料电池的放电路径中并与燃料电池相并联连接的蓄电器，电压变换装置连接在蓄电器和燃料电池之间，并且当燃料电池的阻抗由AC阻抗方法测量时，输出装置将阻抗测量信号叠加到电压变换装置的输 出目标电压上，并将该输出目标电压输出到电压变换装置。而且，在上面的结构中，优选的，系统进一步包括用于测量电压 变换装置的电抗器电流的测量装置，和用于存储响应特性图以从电压 变换装置的电抗器电流判断电压变换装置的响应特性处于稳定状态中 还是处于非稳定状态中的第一存储装置。判断装置比较测量装置的测 量结果与响应特性图相，以判断响应特性处于稳定状态中还是处于非 稳定状态中。而且，更优选的，系统进一步包括用于在判断装置判断响应特性
处于非稳定状态中的情况下，改变电压变换装置的输出目标电压，从 而将响应特性从非稳定状态改变到稳定状态的状态控制装置。在上面的结构中，"稳定状态"指例如电压变换装置(DC/DC变 换器或类似物)的电压控制响应不受开关元件的死时间(dead time)的影 响并且良好的状态。"非稳定状态"指例如电压变换装置(DC/DC变 换器或类似物)的电压控制响应受开关元件的死时间的影响并且恶化的 状态。如上所述，根据本发明，能够与电压变换装置的响应特性无关地 进行恒定精确的阻抗测量。


图1是示出第一实施例中的燃料电池系统的结构的图； 图2是第 一 实施例中的燃料电池的等效电路图； 图3是示出第一实施例中的阻抗测量的图； 图4是示出第二实施例中的阻抗测量的图； 图5是示出第二实施例中的D C/D C变换器的结构的电路图； 图6是示出第二实施例中的电抗器电流和DC/DC变换器之间的关 系的图；图7是示出第二实施例中的状态A中的参考信号和电抗器电流之 间的关系的图；图8是示出第二实施例中的状态B中的参考信号和电抗器电流之 间的关系的图；图9是示出第二实施例中的状态C中的参考信号和电抗器电流之 间的关系的图；以及图IO是示出第三实施例中的阻抗测量的图；具体实施方式
下面，参照附图将说明本发明的实施例。 A.第一实施例图1示出了安装第一实施例的燃料电池系统100的车辆的示意性结构。应注意在下面的说明中，作为车辆的示例，假定是燃料电池混合车辆(FCHV)，但是该系统可用于电动汽车或者混合汽车。而且，该 系统不仅可用于车辆，而且可用于多种移动设备(例如轮船，飞机等)。该车辆使用与车轮63L， 63R相连接的同步电动机61而行驶。同 步电动机61的动力源是动力源系统1。从动力源系统1的直接的电流 输出通过逆变器60被变换为三相交流电，并且供给到同步电动机61。 同步电动机61在制动过程中，也能够起发电机的作用。动力源系统l包括燃料电池40，电池20， DC/DC变换器30和类 似物。燃料电池40是用于从供给的燃料气体和氧化气体发电的装置， 并且具有堆积的结构，该结构中，若干包括MEA和类似物的单电池串联地层压在一起。具体地，能够使用例如固态聚合物型、含磷型和溶 碳型的多种类型的燃料电池。电池(蓄电器)20是可充电/放电的二次电池，并且包括例如镍氢 电池和类似物。可以应用多种其它的二次电池。作为电池20的替代， 可以使用可充电/放电蓄电器而非二次电池，例如电容器。电池20插入 在燃料电池40的放电路径中，并且与燃料电池40相并联连接。燃料电池40和电池20以彼此并联的形式与逆变器60相连接，并 且从燃料电池40到逆变器60的电路具有用于防止从电池20的电流或 者在同步电动机61中发出的电流的倒流的二极管42。因此，为了实现彼此相并联连接的燃料电池40和电池20的两个 动力源之间的适当的输出分配，需要控制在所述动力源之间的相对电 压差。本实施例中，为了控
制这样的电压差，DC/DC变换器(电压转换设备)30设在电池20和 逆变器60之间。DC/DC变换器30是直流电压变换装置，并且具有调 节从电池20输入的DC电压并将电压输出到燃料电池40侧的功能，和 调节从燃料电池40或电动机61输入的DC电压并将电压输出到电池 20侧的功能。通过本DC/DC变换器30的作用，实现了电池20的充电 /放电。车辆辅助装置50和FC辅助装置51在电池20和DC/DC变换器 30之间相连接，并且电池20是这些辅助装置的动力源。车辆辅助装置 50指在车辆的运行过程中使用的任何形式的电气装置，并且包括照明 装置，空调装置，液压泵或类似物。FC辅助装置51指在燃料电池40 的运行过程中使用的任何形式的电气装置，并且包括用于供给燃料气 体或改质材料的泵，用于调节改质器或类似物的温度的加热器。通过控制单元10来控制上述部件的运行。控制单元10构造为包 括CPU, RAM和ROM的微型计算机。控制单元10控制逆变器60的 开关，并且输出根据所需求的移动功率的三相交流电。控制单元10控 制燃料电池40和DC/DC变换器30的运行，从而根据所需求的移动功 率供给电力。多种传感器信号输入进控制单元10中。多种传感器信号 从例如加速踏板传感器11，检测电池20的电荷状态(SOC)的SOC 传感器21，检测燃料电池40的气体流量的流量传感器41，检测车辆 速度的车辆速度传感器62和类似物输入到控制单元10中。图2是示出燃料电池40的等效电路的图。如图2中所示，通过分离器电阻(separator resistance)Rl， MEA电 阻R2和电极电容C表示燃料电池40。这些电阻Rl， R2和电容C构成 了燃料电池40的内部阻抗。当如下所述执行阻抗测量时，获得了燃料 电池的内部特性。图3是示出通过AC阻抗方法的阻抗测量的图。如图3中所示，控制单元IO包括目标电压确定部110，叠加信号 生成部120，电压指令信号生成部130，阻抗计算部140，叠加信号分 析部150和叠加信号振幅控制部160。目标电压确定部110基于从加速踏板传感器11， SOC传感器21 和类似物输入的传感器信号确定输出目标电压(例如，300V或类似伏 数)，并且将所述电压输出到电压指令信号生成部130。叠加信号生成部120生成将叠加到输出目标电压上的阻抗测量信 号(例如具有2 V或类似伏数的幅值的特定频率的正弦波)，并且将 本信号输出到电压指令信号生成部130。通过叠加信号振幅控制部160 适当地改变阻抗测量信号的幅值(例如幅值为2V—4V或类似值)。 应注意，根据系统设计和类似物，可以适当地设定阻抗测量信号的输 出目标电压和参数(波形、频率和幅值)。电压指令信号生成部(输出装置)130将阻抗测量信号叠加到输出 目标电压上，并且将电压指令信号Vfcr输出到DC/DC变换器30。 DC/DC变换器30基于给定的电压指令信号Vfcr控制燃料电池30的电压。阻抗计算部140以预定的采样速率，对通过电压传感器141检测 的燃料电池40的电压(FC电压)Vf和通过电流传感器142检测的燃 料电池40的电流(FC电流)If进行采样，并且对它们进行傅立叶(Fourier) 变换处理(FFT计算处理或者DFT计算处理)或类似处理。阻抗计算 部140用经过Fourier变换处理的FC电压信号除以经过Fourier变换处 理的FC电流信号，以求得燃料电池40的阻抗。叠加信号分析部(测量装置)150分析叠加在FC电压或FC电流上
的阻抗测量信号(即通过DC/DC变换器的阻抗测量信号)，并且将特 定频率的功率谱(幅值)和存储在存储器151中的参考谱(例如，2 V 或类似伏数的参考幅值)相比较以获得DC/DC变换器30的响应特性。如上所述，在DC/DC变换器30中，存在具有良好的响应特性的 区域和具有差的响应特性的区域。特定频率的幅值不小于在具有良好的响应的区域中的参考幅值，而特定频率的幅值低于在具有差的响应 的区域中的参考幅值。当叠加信号的特定频率的幅值不小于参考幅值时，叠加信号分析 部150未通报给叠加信号振幅控制部160信息。另一方面，当特定频 率的幅值低于参考幅值时，叠加信号分析部150求得在特定频率的幅 值和参考幅值之间的偏差(差值)Ap，并且将求得的偏差Ap通报给叠 加信号振幅控制部160。叠加信号振幅控制部(控制装置)160控制在叠加信号生成部120中 生成的阻抗测量信号(即通过DC/DC变换器之前的阻抗测量信号)的 幅值。例如，在通过在设置阻抗测量信号的幅值为2 V的状态中的叠 加信号分析部150通报2 V的偏差Ap的情况下，叠加信号振幅控制部 160执行控制以将AC阻抗测量的幅值从2V改变到4V，从而使得特定 频率的振幅高于参考幅值。因此，通过基于通过叠加信号分析部150所得到的分析结果而改 变阻抗测量信号的幅值，因此能与DC/DC变换器30的响应特性无关 地进行恒定精确的阻抗测量。B.第二实施例在上面的第一实施例中，监控阻抗的特定频率的幅值，并且基于 幅值和参考幅值之间的偏差Ap控制阻抗测量信号的振幅，但是可以准 备并存储其中DC/DC变换器30的电抗器电流(下面将说明)与响应
特性(下面指响应特性图)相关联的图，并且通过使用响应特性图， 可以控制阻抗测量信号的振幅。图4是示出在第二实施例中的控制单元10'的功能的结构的图。应注意，在图4中所示的控制单元10'中，用相同的参考标记表示与图3 中的那些部件相对应的部件，并且省略它们的详细说明。状态检测部(判断装置)170将DC/DC变换器30的电抗器电流 IL与存储在存储器(第一存储装置)171中的响应特性图相比较，从而 获得DC/DC变换器30的响应特性的状态(稳定状态或者非稳定状态)， 并且将获得的结果(细节将在后面详细说明)通报给叠加信号振幅控 制部160。在通过状态检测部170通报叠加信号控制部(控制装置)160响应 特性处在稳定状态中的情况下，控制部选择存储在第一存储器(第二 存储装置)161中的第一幅值frl，并且控制阻抗测量信号，使得信号 的幅值是第一幅值frl。另一方面，在通过状态检测部170通报叠加信号控制部160响应 特性处在非稳定状态中的情况下，控制部选择大于第一幅值并且存储 在第二存储器(第二存储装置)162中的第二幅值fr2 (>frl)，并且控 制阻抗测量信号，使得信号的幅值是第二幅值fr2。因此，当从电抗器电流IL和响应特性图获得DC/DC变换器30的 响应特性的状态，并且基于这样的状态改变阻抗测量信号的幅值时， 因此能与DC/DC变换器30的响应特性无关地进行恒定精确的阻抗测下面将详细描述DC/DC变换器30的响应特性的状态。
图5是示出DC/DC变换器30的详细结构的电路图。DC/DC变换器30是一个全桥变换器，该变换器包括连接于电池 20的接线端之间的第一臂，连接在燃料电池40的接线端之间的第二臂， 和连接在第一臂和第二臂之间的电抗器L。第一臂包括串联连接在电池20的正极和负极之间的IGBT元件 TR1， TR2，和与IGBT元件TRl， TR2相并联连接的二极管Dl， D2。IGBT元件TRl的集电极与电池20的正极相连接，并且其发射极 与节点Nl相连接。假定从节点Nl到电池20的正极的方向为正向，则 二极管D1被连接。IGBT元件TR2的集电极与节点Nl相连接，并且其发射极与电池 20的负极相连接。假定从电池20的负极到节点N1的方向为正向，则 二极管D2被连接。第二臂包括串联连接在燃料电池40的正电源接线端和负电源接线 端之间的IGBT元件TR3， TR4，与IGBT元件TR3相并联连接的二极 管D3，和与IGBT元件TR4相并联连接的二极管D4。IGBT元件TR3的集电极与燃料电池40的正电源接线端相连接， 并且其发射极与节点N2相连接。假定从节点N2到燃料电池40的正电 源接线端的方向为正向，则二极管D3被连接。IGBT元件TR4的集电极与节点N2相连接，并且其发射极与燃料 电池40的负电源接线端相连接。假定从燃料电池40的负电源到节点 N2的方向为正向，则二极管D4被连接。电抗器L连接在节点N1与 节点N2之间。
根据这样的结构，使得从电池20侧到燃料电池40侧的压力上升和压力下降是可能的，并且使得从燃料电池40侧到电池20侧的压力上升和压力下降是可能的。而且，DC/DC变换器30包括DC-CPU 31，死时间生成部33和检 测电抗器L的电流(电抗器电流)IL的电流传感器(测量装置)SE。DC-CPU 31输出信号GATEBA，该信号GATEBA是与电压指令 值Vfcr和电流值IL相对应的变换器的开关占空比的参考值。信号 GATEBA从DC-CPU 31传输到死时间生成部33。死时间生成部33延迟输入信号的上升或下降以设置死时间，该死 时间内，两个输出信号在两个补充输出信号激活的时间内是未激活的。 这时，如果属于相同臂的IGBT元件同时导通，则输入电源短路并且大 的直通电流通过。为防止这样的短路而设置并且在其中属于相同臂的 两个IGBT元件都断开的时间称为死时间。应注意DC-CPU 31具有修 正死时间的死时间修正部34 (细节将在后面说明)。图6是示出在电抗器电流IL和DC/DC变换器30的状态之间的关 系的图。应注意在下面的说明中，假定从电池20侧到燃料电池40侧 流动地电抗器电流IL的方向是正的(参照图5中示出的箭头)。状态A是在一个开关循环中，电抗器电流IL的最大电流Imax满 足下述公式(1)的状态。即，状态A是在其中燃料电池40给电池20 充电的状态(电池充电状态)。lmax< Ial ... (1)其中Ial:充电阈值(<0)。状态B是在一个开关循环中，电抗器电流IL的最大电流Imax和 最小电流Imin分别满足下述公式(2)和(3)的状态。即，状态B是
在其中给电池20充电的电流和从电池20放电的电流是实质上相抵制 的状态(电池输出平衡状态)。Ibl<Imin<Ib2 ...(2) Ib3<Imax<lb4... (3)其中 Ibl:第一平衡阈值(<0) Ib2:第二平衡阈值(<0) Ib3:第三平衡阔值(>0) Ib4:第四平衡阈值(>0)状态C是在一个开关循环中，电抗器电流IL的最小值Imin满足 下述公式(4)的状态。即，状态C是在其中电从电池20释放到燃料 电池40的状态(电池放电状态)。Icl < Imin ... (4)其中Icl:放电阈值(>0)。如果状态处在状态A， B，和C中的任一个中，则DC/DC变换器 30的响应特性保持它的良好状态，但是在状态A， B，和C之间的过 渡的过程中恶化(即，电抗器电流IL的最大电流Imax或最小电流Imin 不满足上述公式(l)至(4)的关系中的任一个)。为了解决所述问题，本实施例中，通过试验或类似物预先获得电 抗器电流IL和每个状态之间的关系，准备表示这样的对应关系的响应 特性图，并且预先将该图存储在存储器171中。状态检测部170将通 过电流传感器SE所检测的电抗器电流IL与响应特性图相比较，以获 得那时的DC/DC变换器30的状态，并且将该状态通报给叠加信号控 制部160。应注意在下面的说明中，状态A， B和C称为"稳定状态"， 并且从每一个稳定状态的过渡中出现的状态称为"非稳定状态"。〈状态A:电池充电状态〉图7是示出在参考信号GATEBA与在图6中的状态A中的电抗器 电流IL中的改变之间的关系的运行波形图。如图7中所示，当参考信号GATEBA在tl时刻下降时，IGBT元 件TR1, TR4在t2时刻从导通状态取消激活到断开状态，并且经过死时 间Tbtl后，IGBT元件TR2, TR3在t3时刻从断开状态激活到导通状态。接着，与t4时刻参考信号GATEBA的上升相对应，IGBT元件TR2， TR3在t5时刻从导通状态取消激活到断开状态，并且经过死时间Tbt2 后，IGBT元件TR1， TR4在t2时刻从断开状态激活到导通状态。这时，二极管Dl到D4分别与IGBT元件TR1到TR4相并联连 接。因此，即使在死时间内，电流能够沿每一个二极管的正向流动。在状态A中，电抗器电流IL是负的，即在图5中，电抗器电流IL 从节点N2流向节点N1。因此，当所有的IGBT元件TR1到TR4在断 开状态时，二极管D1， D4在死时间内是电力连续的，电抗器电流IL 在一个周期内的从t5时刻到t9时刻的时间周期的过程中增加，并且当 电抗器电流在一个周期内减少时的时间周期仅仅是当IGBT元件TR2， TR3是电力连续时，从t3时刻到t5时刻的时间周期。因此，假定参考 信号GATEBA的占空比是50%，则电抗器电流IL在状态A中倾向于 逐渐增加。〈状态B:电池输出平衡状态>图8是示出参考信号GATEBA和在图6的状态B中的电抗器电流 的改变之间的关系的运行波形图。由于参考信号GATEBA和图8中的IGBT元件TR1妾U TR4的 ON/OFF状态与图7中的是相似的，因此，省略其说明。在状态B中，重复在其中电抗器电流IL是正的，即电抗器电流IL 从图5中的节点Nl流向节点N2的时间周期，和在其中电抗器电流IL 是负的，即电抗器电流IL从图5中的节点Nl流向节点N2的时间周期。在这种情况下，对于通过当IGBT元件TR2， TR3是电力连续时， 将死时间Tbtl加到从t3时刻到t4时刻的时间周期上而获得时间周期， 即对于从t2时刻到t5时刻的时间周期，电抗器电流IL在一个周期内 减少，并且对于通过当IGBT元件TR1， TR4是电力连续时，将死时间 Tbt2加到从t6时刻到t8时刻的时间周期上而获得时间周期，即对于从 t5时刻到t8时刻的时间周期，电抗器电流IL在一个周期内增加。因此， 假定参考信号GATEBA的占空比是50%，则电抗器电流IL在当前状 态中倾向于维持在状态B中。<状态C:电池放电状态〉图9是示出在参考信号GATEBA和在图6的状态C中的电抗器电 流的改变之间的关系的运行波形图。由于参考信号GATEBA和图9的IGBT元件TR1至lj TR4的 ON/OFF状态与图7中的是相似的，因此省略其说明。在状态C中，电抗器电流IL是正的，即电抗器电流IL从图5中 的节点N1流向节点N2。因此，在当所有的从TR1到TR4的IGBT元 件是断开状态时的死时间内，二极管D2， D3是电力连续的。艮P，对于通过当IGBT元件TR2， TR3是电力连续时，将死时间 Tbtl， Tbt2加到从t3时刻到t4时刻的时间周期上而获得时间周期，艮口， 对于从t2时刻到t8时刻的时间周期，电抗器电流IL在一个周期内减 少，并且当电抗器电流IL在一个周期内增加时的时间周期仅仅是当 IGBT元件TR1， TR4是电力连续时的从t6时刻到t8时刻的时间周期。因此，假定参考信号GATEBA的占空比是50%，电抗器电流IL
在状态C中倾向于逐渐减少。如上面参照图7到10所述，参考信号GATEBA的占空比与电抗 器电流相对于电抗器电流的状态实际上增加或减少时的占空比是不同 的，因此，为了以良好的精度执行控制，需要根据电抗器电流的状态， 修正参考信号GATEBA的占空比。因此，本实施例中，DC-CPU31的死时间修正部34 (参照图5) 修正死时间。当收到从电流传感器SE的电抗器电流IL的检测结果时， 死时间修正部34判断DC/DC变换器30是在状态A，B或C(稳定状态) 中还是在其中从每一个稳定状态的过渡出现的状态(非稳定状态)中。 死时间修正部34为所判断的状态的死时间选择占空比的修正值。具体 的，死时间修正部34在状态A中选择-36V的电压作为修正值，在状 态B中选择5.4V的电压，在状态C中选择42.8V的电压，然而，在从 状态A到状态B的过渡的情况下或从状态B到状态C的过渡的情况下， 执行控制以逐渐改变修正值。以本方式所选择的修正值反映在参考信 号GATEBA中，并且在其中修正值被反映的参考信号GATEBA从 DC-CPU 31输出到死时间生成部33。以这样的方式，从电抗器电流IL和响应特性图获得DC/DC变换 器30的响应特性的状态，并且基于所获得的状态，控制AC阻抗测量 信号的振幅，因此，能够与DC/DC变换器30的响应特性无关地进行 恒定精确的阻抗测量。C.第三实施例在上面的第二实施例中，控制AC阻抗测量信号的振幅从而测量 阻抗，但是，替代控制振幅，可以改变系统的工作点，并且应用改变 的工作点，可以执行阻抗测量。图IO是示出在第三实施例中的控制单元IO"的功能的结构的图。 应注意，用相同的参考标记表示与图4中示出的控制单元10'的部件相对应的部件，并且省略其说明。目标电压控制部(状态控制装置)180基于通过状态检测部170 通报的DC/DC变换器30的状态，控制通过目标电压确定部110确定 的输出目标电压。更详细的，在从状态检测部170通报变换器在稳定 状态的情况下，目标电压控制部180不执行任何动作。另一方面，通 过状态检测部170将非稳定状态通报给目标电压控制部180，执行控制 以增加(或减少)输出目标电压，从而DC/DC变换器30的响应特性 从非稳定状态过渡到稳定状态。当执行这样的控制时，改变系统的工 作点，DC/DC变换器30的响应特性从非稳定状态过渡到稳定状态。因此，可以控制输出目标电压以改变系统的工作点，并且在DC/DC 变换器30的响应特性在稳定状态的情况下可以执行阻抗测量。应注意本发明的燃料电池系统不局限于图1中示出的结构，该结 构中DC/DC变换器30和逆变器60与燃料电池40的输出端相连接， 并且电池20与DC/DC变换器30的输出端相连接。例如，可以构造系 统使得DC/DC变换器30与燃料电池40的输出端相连接，并且逆变器 60以及电池20与DC/DC变换器30的输出端相连接。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池；和用于控制所述燃料电池的输出电压的电压变换装置；其中所述燃料电池系统包括输出装置，在测量所述燃料电池的阻抗时，将阻抗测量信号叠加到所述电压变换装置的输出目标电压上，并将该输出目标电压输出到所述电压变换装置；测量装置，测量通过所述电压变换装置之后的所述阻抗测量信号的振幅；以及控制装置，基于所述测量装置的测量结果，控制通过所述电压变换装置之前的所述阻抗测量信号的振幅。
2. —种燃料电池系统，包括 燃料电池；插入在所述燃料电池的放电路径中并与所述燃料电池并联连接的 蓄电器；和连接在所述蓄电器和所述燃料电池之间的电压变换装置； 其中所述燃料电池系统包括输出装置，当所述燃料电池的阻抗由AC阻抗方法测量时，将阻抗 测量信号叠加到所述电压变换装置的输出目标电压上,并将该输出目标 电压输出到所述电压变换装置；测量装置，测量通过所述电压变换装置之后的所述阻抗测量信号 的振幅；以及控制装置，基于所述测量装置的测量结果，控制通过所述电压变 换装置之前的所述阻抗测量信号的振幅。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中所述控制装置求 出由所述测量装置测量的幅值和设定的目标幅值之间的偏差，并且基 于所求得的偏差来控制通过所述电压变换装置之前的所述阻抗测量信 号的所述振幅。
4. 一种燃料电池系统，包括-燃料电池；和用于控制所述燃料电池的输出电压的电压变换装置； 其中所述燃料电池系统包括输出装置，当所述燃料电池的阻抗被测量时，将阻抗测量信号叠 加到所述电压变换装置的输出目标电压上，并将该输出目标电压输出 到所述电压变换装置；判断装置,判断所述阻抗测量时的所述电压变换装置的响应特性 的状态；以及控制装置，基于由所述判断装置判断出的所述电压变换装置的所 述响应特性的所述状态，来控制所述阻抗测量信号的振幅。
5. —种燃料电池系统，包括 燃料电池；插入在所述燃料电池的放电路径中并与所述燃料电池并联连接的 蓄电器；和连接在所述蓄电器和所述燃料电池之间的电压变换装置； 其中所述燃料电池系统包括-输出装置，当所述燃料电池的阻抗由AC阻抗方法测量时，将阻抗 测量信号叠加到所述电压变换装置的输出目标电压上，并将该输出目 标电压输出到所述电压变换装置；判断装置,判断所述阻抗测量时的所述电压变换装置的响应特性 的状态；以及控制装置，基于由所述判断装置判断出的所述电压变换装置的所 述响应特性的所述状态，来控制所述阻抗测量信号的振幅。
6. 如权利要求4或5所述的燃料电池系统，还包括 测量装置，测量所述电压变换装置的电抗器电流；和 第一存储装置，存储响应特性图，以从所述电压变换装置的所述电抗器电流判断所述电压变换装置的所述响应特性是否处于稳定状态；其中所述判断装置比较所述测量装置的测量结果与所述响应特性图， 以判断所述响应特性的所述稳定状态；以及所述控制装置执行控制，使得在所述电压变换装置的所述响应特 性处于非稳定状态的情况下的所述阻抗测量信号的所述振幅大于在所 述电压变换装置的所述响应特性处于所述稳定状态的情况下的所述阻 抗测量信号的振幅。
7. 如权利要求6所述的燃料电池系统，还包括 第二存储装置，存储在所述响应特性处于所述稳定状态的情况下的所述阻抗测量信号的幅值和所述响应特性处于所述非稳定状态的情 况下的所述阻抗测量信号的幅值；其中所述控制装置根据所述电压变换装置的所述状态从所述第二 存储装置选择所述阻抗测量信号的所述幅值，并且基于所选择的幅值 来控制所述阻抗测量信号的所述振幅。
8. —种燃料电池系统，包括 燃料电池；和用于控制所述燃料电池的输出电压的电压变换装置； 其中所述燃料电池系统包括输出装置，当所述燃料电池的阻抗被测量时，将阻抗测量信号叠 加到所述电压变换装置的输出目标电压上，并将该输出目标电压输出 到所述电压变换装置；以及判断装置，判断所述电压变换装置的响应特性的状态； 其中在所述判断装置判断为所述电压变换装置的所述响应特性处 于稳定状态的情况下，所述输出装置将所述阻抗测量信号叠加到所述电压变换装置的所述输出目标电压上，并将所述电压输出到所述电压 变换装置。
9. 一种燃料电池系统，包括.-燃料电池；插入在所述燃料电池的放电路径中并与所述燃料电池并联连接的 蓄电器；禾口连接在所述蓄电器和所述燃料电池之间的电压变换装置； 其中所述燃料电池系统包括输出装置，当所述燃料电池的阻抗由AC阻抗方法测量时，将阻抗 测量信号叠加到所述电压变换装置的输出目标电压上，并将该输出目 标电压输出到所述电压变换装置；以及判断装置，判断所述电压变换装置的响应特性的状态； 其中在所述判断装置判断为所述电压变换装置的所述响应特性处 于稳定状态的情况下，所述输出装置将所述阻抗测量信号叠加到所述 电压变换装置的所述输出目标电压上，并将该输出目标电压输出到所 述电压变换装置。
10. 如权利要求8或9所述的燃料电池系统，还包括 测量装置，测量所述电压变换装置的电抗器电流；和 第一存储装置，存储响应特性图，以从所述电压变换装置的所述电抗器电流判断所述电压变换装置的所述响应特性是处于稳定状态还 是处于非稳定状态；其中所述判断装置比较所述测量装置的测量结果与所述响应特性 图以判断所述响应特性是处于所述稳定状态还是处于所述非稳定状态。
11. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，还包括 状态控制装置，在所述判断装置判断为所述响应特性处于所述非稳定状态的情况下，改变所述电压变换装置的所述输出目标电压，从 而将所述响应特性从所述非稳定状态改变到所述稳定状态。
全文摘要
提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统中，能够与电压变换装置的响应特性无关地进行恒定精确的阻抗测量。叠加信号分析部分析通过DC/DC变换器之后的阻抗测量信号，从而将分析结果通报给叠加信号振幅控制部。叠加信号振幅控制部基于从叠加信号分析部所通报的结果来控制通过叠加信号生成部所生成的阻抗测量信号的幅值。
文档编号H01M8/04GK101213695SQ20068002379
公开日2008年7月2日 申请日期2006年6月30日 优先权日2005年6月30日
发明者真锅晃太, 繁雅裕 申请人:丰田自动车株式会社