专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及进行燃料电池的阻抗测定的阻抗测定系统。
背景技术：
在燃料电池系统中装载有固体高分子型的燃料电池，该固体高分子型的燃料电池 在电解质层设有具有质子导电性的固体高分子膜。作为检测该燃料电池中发生的异常的方 法，公知以下方法测定施加了特定频率的交流时的燃料电池的阻抗(以下称作特定频率 的阻抗)，然后基于测定结果检测异常(例如参照专利文献1)。专利文献1 (日本)特开2002-367650号公报但是，即使燃料电池中不发生异常，燃料电池的阻抗值也会因燃料电池的运转状 态等而发生变化。因而，如上所述，存在如下问题只测定特定频率的阻抗，并不能够正确地 判断是燃料电池中发生了什么异常，还是只有燃料电池的运转状态发生了变化。另外，还存在以下问题燃料电池的阻抗值利用于推测燃料电池的电流/电压特 性(IV特性)时，但如果该阻抗值不正确的话，则不能够高精度地推测IV特性。
发明内容
本发明是鉴于以上说明的问题而开发的，其目的在于，提供一种能够高精度地测 定燃料电池的阻抗的阻抗测定系统。为了解决上述的问题，本发明的阻抗测定系统测定燃料电池的阻抗，其特征在于， 具备电子设备，与所述燃料电池连接并被进行频率控制；检测单元，对控制所述电子设备 的控制信号的频率进行检测；决定单元，基于检测到的频率来决定所述阻抗的测定频率； 以及测定单元，以决定的测定频率进行所述阻抗的测定。根据该构成，检测被进行频率控制的电子设备的控制信号的频率，并基于检测的 频率决定阻抗的测定频率。因而，例如能够以与电子设备的控制信号不发生共振的方式决 定阻抗的测定频率等，由此能够高精度地测定燃料电池的阻抗。在此，所述构成中，优选的方式是所述电子设备为与所述燃料电池连接的马达， 所述决定单元将所述阻抗的测定频率决定为与检测到的频率不发生共振的频率。另外，本发明的其他阻抗测定系统测定燃料电池的阻抗，其特征在于，具备检测 单元，检测所述燃料电池的运转状态；决定单元，基于检测到的运转状态来决定所述阻抗的 测定频率；以及测定单元，以决定的测定频率进行所述阻抗的测定。在此，所述构成中，优选的方式是所述检测单元检测所述燃料电池的输出电力， 所述决定单元基于检测到的所述燃料电池的输出电力来决定所述阻抗的测定频率。另外，所述构成中，优选的方式是所述检测单元检测所述燃料电池的输出电压， 所述决定单元基于检测到的所述燃料电池的输出电压来决定所述阻抗的测定频率。如以上的说明，根据本发明，能够高精度地测定燃料电池的阻抗。
图1是表示第1实施方式的燃料电池系统的构成的图2是表示燃料电池的等效电路的图3是将燃料电池的阻抗绘制在复平面上的图4是用于说明阻抗测定信号的频率和交流阻抗的关系的图
图5是用于说明阻抗测定信号的频率和交流阻抗的关系的图
图6是用于说明控制单元的功能的图7是用于说明第2实施方式的控制单元的功能的图8是例示频率决定映射的图9是例示频率决定映射的图。
标号说明
10燃料气体供给源
40燃料电池
50温度传感器
60蓄电池
70氧化气体供给源
80,80'控制装置
210目标电压决定部
220,220'叠加信号生成部
215马达转速检测部
215运转状态检测部、阻抗测定部
230电压指令信号生成部
240阻抗运算部
250IV特性推测线生成部
MP1,MP2频率决定映射
110变换器
115马达
116LU16R 车轮
130DC/DC转换器
141电压传感器
142电流传感器
100燃料电池系统
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。A.第1实施方式A-1.整体构成图1是装载有第1实施方式的燃料电池系统100的车辆的概略构成。另外，在以 下的说明中，作为车辆的一例，设想燃料电池汽车(FCHV :Fuel Cell Hybrid Vehicle)，但
4也能够应用于电动汽车及混合动力汽车。另外，不仅能够应用于车辆，还能够应用于各种移 动体(例如船舶或飞机、机器人等)及固定型电源、以及携带型的燃料电池系统。燃料电池40为从供给的反应气体(燃料气体及氧化气体)产生电力的单元，可以 利用固体高分子型、磷酸型、熔融碳酸盐型等各种类型的燃料电池。燃料电池40具有将具 备MEA等的多个单电池串联层叠而成的电池组结构。该燃料电池40的实际运转动作点的 输出电压(以下称作FC电压)及输出电流(以下称作FC电流)分别通过电压传感器141 及电流传感器142检测。对燃料电池40的燃料极(阳极)从燃料气体供给源10供给氢气 等燃料气体，而对氧极(阴极)从氧化气体供给源70供给空气等氧化气体。燃料气体供给源10例如由氢罐及各种阀等构成，通过调节阀开度或0N/0FF(开/ 关)时间等，控制向燃料电池40供给的燃料气体量。氧化气体供给源70例如由空气压缩机及驱动空气压缩机的马达、变换器等构成， 通过调节该马达的转速等，来调节向燃料电池40供给的氧化气体量。蓄电池60为能够充放电的二次电池，例如由镍氢蓄电池等构成。当然，也可以取 代蓄电池60而设置二次电池以外的能够充放电的蓄电器(例如电容器)。该蓄电池60和 燃料电池40与牵引马达用的变换器110并联连接，在蓄电池60和变换器110之间设有DC/ DC转换器130。变换器110例如为脉宽调制方式的PWM变换器，根据从控制装置80发出的控制指 令，将从燃料电池40或蓄电池60输出的直流电力变换成三相交流电力，然后供给向牵引马 达(以下简称为马达)115。马达115为用于驱动车轮116L、116R的马达，该马达的转速通 过变换器110控制。DC/DC转换器130例如为由四个功率晶体管和专用的驱动电路(均省略图示)构 成的全桥式转换器。DC/DC转换器130具备下述功能将从蓄电池60输入的DC电压升压 或降压而向燃料电池40侧输出的功能；以及将从燃料电池40等输入的DC电压升压或降压 而向蓄电池60侧输出的功能。另外，通过DC/DC转换器130的功能，实现蓄电池60的充放
^^ o在蓄电池60和DC/DC转换器130之间连接有车辆辅机或FC辅机等辅机类120。 蓄电池60成为这些辅机120的电源。另外，所谓车辆辅机是指在车辆的运转时等使用的各 种电力设备(照明设备、空调设备、油压泵等)，所谓FC辅机是指在燃料电池40的运转中使 用的各种电力设备(用于供给燃料气体及氧化气体的泵等)。控制装置80由CPU、R0M、RAM等构成，基于从检测FC电压的电压传感器141、检测 FC电流的电流传感器142、检测燃料电池40的温度的温度传感器50、检测蓄电池60的充电 状态的S0C传感器、检测油门开度的油门传感器等输入的各传感器信号，中枢地控制该系 统各部。另外，控制装置80利用各传感器信号，进行以下所示的燃料电池40的阻抗测定。A-2.阻抗测定的说明图2是表示燃料电池40的等效电路的图。等效电路的R1、R2为燃料电池40的直流电阻成分(电介质膜的电阻等)，C1相当 于燃料电池40的电容成分。图3是将对图2的等效电路施加从高频率到低频率的阻抗测定信号时的燃料电池 40的阻抗绘制在复平面上的图(尼奎斯特图)。在此，在求IV特性的直流电阻引起的电压下降部分时，设测定的阻抗的实部为直流电阻推测值Re，将通过电流传感器150检测出的 FC电流与该直流电阻推测值Re相乘。由此导出直流电阻引起的电压下降部分，但为了正确 求出直流电阻引起的电压下降部分，需要高精度地进行阻抗测定。本发明人根据各种条件进行阻抗测定时，发现在特定的条件下阻抗测定值异常， 因此对其原因进行了调查。其结果发现，马达115的控制信号和阻抗测定信号的共振是产 生异常的原因。图4及图5是用于说明阻抗测定信号的频率和交流阻抗的关系的图，图4的纵轴 表示阻抗测定信号的频率，图5的纵轴表示交流阻抗，图4及图5的横轴表示时间。另外， 图4所示的f0表示和马达115的控制信号发生共振的阻抗测定信号的频率(以下称作共 振频率)，fl表示和马达115的控制信号不发生共振的阻抗测定信号的频率(以下称作非 共振频率)。如图4所示，当将阻抗测定信号的频率设定为共振频率f0 (Hz)时，交流阻抗发生 振荡。但是，可以确认，当将阻抗测定信号的频率从共振频率fO(Hz)向非共振频率fl (Hz) 变更时，交流阻抗的振荡消失，变为大致恒定。依据以上的结果，在本实施方式中，通过检测马达115的转速(换言之即马达115 的控制信号的频率)，并将阻抗测定信号的频率设定成非共振频率，能够防止和马达115发 生共振，从而能够提高阻抗测定的精度。图6是用于说明控制装置80的功能的图。如图6所示，控制装置80具备目标电压决定部210、马达转速检测部215、叠加信 号生成部220、电压指令信号生成部230、阻抗运算部240、IV特性推测线生成部250。目标电压决定部210基于从油门传感器或S0C传感器(均省略图示)等输入的各 传感器信号，决定输出目标电压(例如300V等)，并将其向电压指令信号生成部230输出。马达转速检测部(检测单元)215逐次检测由变换器110控制的马达(电子设 备)115的转速，并将检测结果向叠加信号生成部220输出。叠加信号生成部220基于从马达转速检测部215输出的检测结果，生成应叠加到 输出目标电压上的阻抗测定信号，并将其向电压指令信号生成部230输出。详细地说，叠加 信号生成部(决定单元)220将阻抗测定信号的频率设定(决定)为非共振频率，以使马达 115的控制信号和阻抗测定信号不发生共振。当叠加信号生成部220生成设定为非共振频 率的阻抗测定信号时，将其向电压指令信号生成部230输出。另外，阻抗测定信号只要设定 为非共振频率即可，其他的参数(例如波形的种类、振幅值等)只要根据系统设计等适宜设 定即可。电压指令信号生成部230在输出目标电压上叠加阻抗测定信号，并作为电压指令 信号Vfcr向DC/DC转换器30输出。DC/DC转换器30基于接收的电压指令信号Vfcr，进行 燃料电池40等的电压控制。阻抗运算部(测定单元)240以规定的采样频率对通过电压传感器141检测出的 燃料电池40的电压(FC电压)Vf及通过电流传感器142检测出的燃料电池40的电流(FC 电流)If进行采样，实施傅里叶变换处理(FFT运算处理、DFT运算处理)等。阻抗运算部 240进行用傅里叶变换处理后的FC电流信号去除傅里叶变换处理后的FC电压信号等处理， 求出燃料电池40的阻抗(测定阻抗)，并向IV特性推测线生成部250输出。另外，作为燃
6料电池40的阻抗的测定定时，能够任意设定为系统起动时、系统结束时、间断运转时等。IV特性推测线生成部250设从阻抗运算部240输出的测定阻抗的实部为直流电阻 推测值Re，并将由电流传感器142检测出的FC电流与该直流电阻推测值Re相乘，由此求 出直流电阻引起的电压下降部分。然后，IV特性推测线生成部250基于现时点的燃料电池 40的实际运转动作点或直流电阻引起的电压下降部分等，导出活化过电压和电动势变化部 分的电压下降，由此能够生成高精度的燃料电池40的IV特性推测线。在以上说明的上述例子中，设定了阻抗测定信号的频率以使马达115的控制信号 和阻抗测定信号不发生共振，但也适用于可能引起与阻抗测定信号的共振的全部设备(DC/ DC转换器130等)。详细地说，对于连接于燃料电池40且被进行频率控制(PWM控制等) 的全部设备，控制装置(检测单元)80检测控制该设备的驱动的控制信号的频率。然后，控 制装置(决定单元)80将阻抗测定信号的频率设定为非共振频率，以使该设备的控制信号 和阻抗测定信号不发生共振。由此，与上述本实施方式一样，能够防止与设备发生共振，从 而能够提高阻抗测定的精度。B.第2实施方式图7是用于说明第2实施方式的控制装置80'的功能的图，是与上述图6对应的 图。另外，与图6对应的部分使用相同的标号，省略详细的说明。运转状态检测部(检测单元)215'检测燃料电池40的输出电力，然后将检测结果 向叠加信号生成部220'输出。叠加信号生成部(决定单元)220'基于频率决定映射MP1， 决定应与输出目标电压叠加的阻抗测定信号的频率，并将所决定的频率的阻抗测定信号向 电压指令信号生成部230输出。图8是例示了频率决定映射MP 1的记录内容的图。最适于阻抗测定的频率因燃 料电池40的运转状态的不同而不同。因此，在本实施方式中，预先通过实验等求出与燃料 电池40的输出电力相对应的最合适的阻抗测定信号，并将其映射化。例如，在通过运转状 态检测部215'检测出的燃料电池40的输出电力位于输出电力P1 P2的范围的情况下， 叠加信号生成部220'从频率决定映射MP1读出频率fstl，生成频率fstl的阻抗测定信 号，并将其向电压指令信号生成部230输出。另外，由于对其后的动作可与第1实施方式同 样地说明，故省略说明。这样，检测燃料电池40的运转状态(在第2实施方式中为输出电 力)，根据检测的运转状态决定阻抗测定信号的频率，由此能够高精度地测定燃料电池的阻 抗。在上述的例子中，作为所检测的燃料电池40的运转状态，例示了输出电力，但不 限于此，也可以检测燃料电池40的输出电压。该情况下，例如将与图9所示的燃料电池 40的输出电压和阻抗测定信号的频率相对应的频率决定映射MP2存储于叠加信号生成部 220'。然后，运转状态检测部(检测单元)215'检测燃料电池40的输出电压，并将检测结 果向叠加信号生成部220'输出，而叠加信号生成部(决定单元)220'基于频率决定映射 MP2，决定与检测出的输出电压相对应的阻抗测定信号的频率，生成所决定的频率的阻抗测 定信号。这样，也可以根据燃料电池40的输出电压决定阻抗测定信号的频率。
权利要求
一种阻抗测定系统，测定燃料电池的阻抗，其特征在于，具备电子设备，与所述燃料电池连接并被进行频率控制；检测单元，对控制所述电子设备的控制信号的频率进行检测；决定单元，基于检测到的频率来决定所述阻抗的测定频率；以及测定单元，以决定的测定频率进行所述阻抗的测定。
2.如权利要求1所述的阻抗测定系统，其特征在于， 所述电子设备为与所述燃料电池连接的马达，所述决定单元将所述阻抗的测定频率决定为与检测到的频率不发生共振的频率。
3.一种阻抗测定系统，测定燃料电池的阻抗，其特征在于，具备 检测单元，检测所述燃料电池的运转状态；决定单元，基于检测到的运转状态来决定所述阻抗的测定频率；以及 测定单元，以决定的测定频率进行所述阻抗的测定。
4.如权利要求3所述的阻抗测定系统，其特征在于， 所述检测单元检测所述燃料电池的输出电力，所述决定单元基于检测到的所述燃料电池的输出电力来决定所述阻抗的测定频率。
5.如权利要求3所述的阻抗测定系统，其特征在于， 所述检测单元检测所述燃料电池的输出电压，所述决定单元基于检测到的所述燃料电池的输出电压来决定所述阻抗的测定频率。
全文摘要
提供一种能够高精度地测定燃料电池的阻抗的阻抗测定系统。马达转速检测部(215)逐次检测由变换器(110)控制的马达(115)的转速，并将检测结果向叠加信号生成部(220)输出。叠加信号生成部(220)将阻抗测定信号的频率设定为非共振频率，以使马达(115)的控制信号和阻抗测定信号不发生共振。通过将阻抗测定信号的频率设定为非共振频率，能够抑制和马达(115)发生共振，从而能够提高阻抗测定的精度。
文档编号H01M8/04GK101855761SQ200880104949
公开日2010年10月6日 申请日期2008年10月23日 优先权日2007年11月8日
发明者川濑绫子 申请人:丰田自动车株式会社