專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種利用使燃料電池組的輸出電壓升降的DC/DC 轉(zhuǎn)換器來計測燃料電池組的交流阻抗的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池組是用于通過將燃料氣體及氧化氣體供給膜-電極接合 體而產(chǎn)生電氣化學(xué)反應(yīng)，并將化學(xué)能量變換為電能的能量變換系統(tǒng)。 其中，將固體高分子膜作為電解質(zhì)使用的固體高分子電解質(zhì)型燃料電 池組成本低、容易緊湊化，并且具有較高的輸出密度，因此作為車載 電源的用途備受期待。
作為用于將燃料電池組的運轉(zhuǎn)狀態(tài)控制到最佳的指標之一，使用 燃料電池組的交流阻抗。該交流阻抗的值與電解質(zhì)膜的濕潤狀態(tài)具有 相關(guān)關(guān)系，因此通過計測交流阻抗的值，可檢測出電解質(zhì)膜的濕潤狀 態(tài)。當(dāng)電解質(zhì)膜處于水分過剩、水分不足的狀態(tài)時，由于溢流現(xiàn)象、 干燥現(xiàn)象，導(dǎo)致燃料電池組的輸出降低，因此為了將電池運轉(zhuǎn)控制到 最佳，需要將電解質(zhì)膜的濕潤狀態(tài)保持為最佳。日本特開2005-332702 號公報提出了以下方法使用與燃料電池組連接的DC/DC轉(zhuǎn)換器，向 燃料電池組施加交流信號，改變其頻率的同時檢測電壓響應(yīng)，從而計 測交流阻抗。
專利文獻l:日本特開2005-332702號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，在使燃料電池組的輸出電壓通過開關(guān)元件的開關(guān)動作進行 升降壓控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器中，存在根據(jù)通過功率值停滯時間校正值大幅變動的動作范圍。在停滯時間校正值大幅變動的動作范圍(以下 為了方便稱為響應(yīng)性能降低區(qū)域)中，公知DC/DC轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)性能 降低。當(dāng)在這種響應(yīng)性能降低區(qū)域中計測燃料電池組的交流阻抗時，
由于DC/DC轉(zhuǎn)換器對燃料電池組的高頻信號的重疊精度降低，因此產(chǎn)
生阻抗計測精度明顯降低的問題。
因此，本發(fā)明為了解決上述課題，提出了可高精度計測燃料電池 組的交流阻抗的燃料電池系統(tǒng)。
為了解決上述課題，本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)具有用于使層疊
多個電池而成的燃料電池組的輸出電壓升降的DC/DC轉(zhuǎn)換器，該燃料 電池具有交流信號施加裝置，驅(qū)動DC/DC轉(zhuǎn)換器而將交流信號施加 到燃料電池組；和交流阻抗計測裝置，當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于 響應(yīng)性能降低區(qū)域外時，通過檢測出向燃料電池組施加交流信號時的 電池的響應(yīng)電壓來計測電池的交流阻抗，而當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點 處于響應(yīng)性能降低區(qū)域時，禁止電池的交流阻抗的計測。
當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域時，DC/DC轉(zhuǎn) 換器對燃料電池組的交流信號的重疊精度降低，因此優(yōu)選禁止交流阻
抗的計測。
在本發(fā)明的其他側(cè)面涉及的燃料電池系統(tǒng)中，DC/DC轉(zhuǎn)換器為多 相轉(zhuǎn)換器。交流阻抗計測裝置在DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于響應(yīng)性能 降低區(qū)域、且存在交流阻抗計測要求時，切換DC/DC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動相 數(shù)而計測電池的交流阻抗。
DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域、交流阻抗的計測 精度降低時，禁止響應(yīng)性能降低區(qū)域中的交流阻抗計測，實施DC/DC 轉(zhuǎn)換器的相切換，使DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域， 從而可提高交流阻抗的計測精度。在本發(fā)明的其他側(cè)面涉及的燃料電池系統(tǒng)中，交流阻抗計測裝置 在DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域、且存在交流阻抗計
測要求時，使DC/DC轉(zhuǎn)換器的通過功率偏移以使動作點脫離響應(yīng)性能 降低區(qū)域而計測電池的交流阻抗。
DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域、交流阻抗的計測 精度降低時，禁止響應(yīng)性能降低區(qū)域中的交流阻抗計測，使DC/DC轉(zhuǎn) 換器的動作點發(fā)生功率偏移以使DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點脫離響應(yīng)性能 降低區(qū)域，由此可提高交流阻抗的計測精度。
在本發(fā)明的其他側(cè)面涉及的燃料電池系統(tǒng)中，交流阻抗計測裝置 在DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域、且存在交流阻抗計 測要求時，改變用于控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動作的控制信號的載波 頻率以使動作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域而計測電池的交流阻抗。
DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域、且存在交流阻抗 計測要求時，改變用于控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動作的控制信號的載 波頻率以使DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域，從而可提 高交流阻抗的計測精度。


圖1是本實施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)的主要構(gòu)成圖。 圖2是表示DC/DC轉(zhuǎn)換器的通過功率和停滯時間校正值之間的關(guān) 系的圖表。
圖3是表示用于計測交流阻抗的第一方法的流程圖。 圖4是表示用于計測交流阻抗的第二方法的流程圖。 圖5是表示DC/DC轉(zhuǎn)換器的通過功率和停滯時間校正值之間的關(guān) 系的圖表。
圖6是表示用于對DC/DC轉(zhuǎn)換器進行開關(guān)控制的控制信號、及在
5電抗器中流動的紋波電流之間的關(guān)系的說明圖。
圖7是表示用于計測交流阻抗的第三方法的流程圖。
具體實施例方式
以下參照各圖說明本發(fā)明的實施方式。
圖1表示本實施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)10的主要構(gòu)造。燃料電
池系統(tǒng)io是搭載在燃料電池車輛的電力供給系統(tǒng)的車載電源系統(tǒng)。燃
料電池系統(tǒng)10具有燃料電池組20、FC輔機21、電池電壓檢測器22、 牽引變換器30、牽引馬達40、 二次電池50、 DC/DC轉(zhuǎn)換器60、車輛 輔機70、控制器80、及傳感器類90。
燃料電池組20是具有將夾持固體高分子電解質(zhì)而配置一對電極 (陽極、陰極)形成的多個電池串聯(lián)連接而成的堆疊構(gòu)造的發(fā)電裝置。 通過催化劑反應(yīng)而在陽極產(chǎn)生的氫離子通過固體高分子電解質(zhì)膜移動 到陰極，并在陰極中與氧化氣體產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而進行發(fā)電。
FC輔機21具有燃料氣體供給系統(tǒng)(儲氫罐、氫截止閥、調(diào)整 氫供給壓力的調(diào)節(jié)器等)，用于向燃料電池組20的陽極供給燃料氣體 (氫氣)；氧化氣體供給系統(tǒng)(空氣壓縮機等)，用于向燃料電池組 20的陰極供給氧化氣體(空氣)；其他輔機類(用于加濕燃料氣體及 氧化氣體的加濕模塊、燃料電池冷卻裝置等)。
燃料電池組20從FC輔機21接收燃料氣體及氧化氣體的供給，從 而利用電氣化學(xué)反應(yīng)輸出電能。
牽引馬達40是用于獲得前進推動力的電動馬達，例如由三相同步 馬達構(gòu)成。
牽引變換器30例如具有由6個功率晶體管構(gòu)成的三相橋式電路，
6通過功率晶體管的開關(guān)動作將從燃料電池組20或二次電池50供給的 直流電變換為交流電(三相交流)，供給牽引馬達40?？刂破?0具有 控制牽引變換器30的電力變換動作的功能，例如作為開關(guān)指令，將U 相、V相、及W相的各交流電壓指令值輸出到牽引變換器30，并控制 牽引馬達40的輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速。
二次電池50是可進行電力的蓄電及放電的蓄電裝置，作為制動器 再生時的再生能量儲存源、伴隨燃料電池車輛加速或減速的負荷變動 時的能量緩沖器起作用。作為二次電池50例如優(yōu)選鎳/鎘蓄電池、鎳/ 氫蓄電池、鋰二次電池等。
并且也可替代二次電池50，將電容器(雙電層電容、電解電容等) 的蓄電裝置連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器60的一次側(cè)。
DC/DC轉(zhuǎn)換器60是用于對燃料電池組20或二次電池50的輸出 電壓進行升降控制的電壓變換裝置。DC/DC轉(zhuǎn)換器60具有組合了以下 電路的多相轉(zhuǎn)換器的電路構(gòu)成將輸入電壓(直流電壓)變換為交流 電壓的與變換器類似的電路；對該交流進行整流并變換為輸出電壓(直 流電壓)的電路。具體而言，DC/DC轉(zhuǎn)換器60具有由以下元件構(gòu)成的 三相全橋轉(zhuǎn)換器的電路構(gòu)成12個IGBT元件Trl Trl2; 12個二極管 元件D1 D12; 3個電抗器L1 L3; 2個平滑電容C1 C2。
在DC/DC轉(zhuǎn)換器60的通過功率較低時，和三相運轉(zhuǎn)相比，單相 運轉(zhuǎn)的開關(guān)損失少，因此實施單相運轉(zhuǎn)。單相運轉(zhuǎn)時，IGBT元件Trl、 TrlO這一對、及IGBT元件Tr4、 Tr7這一對動作。另一方面，DC/DC 轉(zhuǎn)換器60的通過功率較高時，和單相運轉(zhuǎn)相比，三相運轉(zhuǎn)的開關(guān)損失 少，因此實施三相運轉(zhuǎn)。三相運轉(zhuǎn)時，IGBT元件的Trl、 TrlO這一對 及IGBT元件Tr4、 Tr7這一對、IGBT元件的Tr2、 Trll這一對及IGBT 元件Tr5、 Tr8這一對、IGBT元件的Tr3、 Trl2這一對及IGBT元件 Tr6、 Tr9這一對分別以120度的相位差動作。在DC/DC轉(zhuǎn)換器60的一次側(cè)連接二次電池50，而在DC/DC轉(zhuǎn) 換器60的二次側(cè)分別并列連接燃料電池組20、牽引變換器30、車輛 輔機70。
例如，DC/DC轉(zhuǎn)換器60通過對二次電池50的輸出電壓進行升降 控制來控制燃料電池組20的運轉(zhuǎn)點(輸出電壓、輸出電流)。DC/DC 轉(zhuǎn)換器60在燃料電池車輛通過牽引馬達40牽引行駛時，使二次電池 50的輸出電壓升壓以向牽引變換器30供給直流電，另一方面，燃料電 池車輛通過牽引馬達40再生制動時，使再生的直流電壓降壓以對二次 電池50充電。DC/DC轉(zhuǎn)換器60為了對燃料電池組20的剩余發(fā)電力進 行蓄電，還具有對燃料電池組20的輸出電壓進行降壓以使二次電池50 充電的功能。
車輛輔機70例如是以下各種輔機用于對氧化氣體進行加壓的壓 縮機馬達；用于向加濕模塊供給純水的泵驅(qū)動馬達；用于冷卻燃料電 池組20的冷卻水泵驅(qū)動馬達；散熱器風(fēng)扇馬達等。
控制器80是具有中央處理裝置(CPU)、存儲裝置(ROM、 RAM)、 輸入輸出接口等的控制裝置。控制器80根據(jù)從傳感器類90輸出的各 種信號等，控制燃料電池車輛。作為傳感器類90例如包括點火開關(guān)91、 車速傳感器92、油門傳感器93等。
例如，控制器80接收到從點火開關(guān)91輸出的起動信號后，開始 燃料電池系統(tǒng)IO的運轉(zhuǎn)，根據(jù)從油門傳感器93輸出的油門開度信號、 從車速傳感器92輸出的車速信號等，求出系統(tǒng)整體的要求電力。系統(tǒng) 整體的要求電力是車輛行駛電力和輔機電力的總和值。輔機電力例如 包括車載輔機(加濕器、空氣壓縮機、氫泵以及冷卻水循環(huán)泵等) 消耗的電力；車輛行駛需要的裝置(變速機、車輪控制裝置、轉(zhuǎn)向裝 置及懸架裝置等)消耗的電力；乘員空間內(nèi)配置的裝置(空調(diào)裝置、照明器具及音響等)消耗的電力等。
并且，控制器80決定燃料電池組20和二次電池50的輸出電力的 分配，并控制FC輔機21，以使燃料電池組20的發(fā)電量與目標電力一 致，調(diào)整供給燃料電池組20的反應(yīng)氣體供給量，并且控制DC/DC轉(zhuǎn) 換器60來調(diào)整燃料電池組20的輸出電壓，從而控制燃料電池組20的 運轉(zhuǎn)點(輸出電壓、輸出電流)。進而，控制器80為了獲得和油門開 度一致的目標車速，例如作為開關(guān)指令，將U相、V相、及W相的各 交流電壓指令值輸出到牽引變換器30，并控制牽引馬達40的輸出轉(zhuǎn)矩 及轉(zhuǎn)速。
DC/DC轉(zhuǎn)換器60為了計測燃料電池組20的交流阻抗，也可作為 向燃料電池組20施加交流信號的交流信號施加裝置起作用。電池電壓 檢測器22計測向燃料電池組20施加交流信號時的各電池的響應(yīng)電壓。 控制器80控制DC/DC轉(zhuǎn)換器60，改變施加到燃料電池組20的交流信 號的頻率，并且通過電池電壓檢測器22檢測各電池的響應(yīng)電壓的變化， 計算出燃料電池組20的交流阻抗。
設(shè)向燃料電池組20施加交流信號時的燃料電池組20的響應(yīng)電壓 為E、響應(yīng)電流設(shè)為I、交流阻抗設(shè)為Z，則可知以下關(guān)系式成立。
E = E0expj ( GU+ O ) I = 1。expj w t
Z = E/I= (E0〃0) expjO=R+jx
其中，E。表示響應(yīng)電壓的振幅，1。表示響應(yīng)電流的振幅，w表示 角頻率，O表示初始相位。R表示電阻成分(實數(shù)部分)，x表示電抗 成分(虛數(shù)部分)。j表示虛數(shù)單位，t表示時間。
圖2是表示DC/DC轉(zhuǎn)換器60的通過功率和停滯時間校正值之間的關(guān)系的圖表。實線表示三相運轉(zhuǎn)時的圖表，虛線表示單相運轉(zhuǎn)時的
圖表。在三相運轉(zhuǎn)中，在一5kW附近(例如一5kW土2kW)的動作范 圍、及5kW附近(例如5kW土2kW)的動作范圍內(nèi)，停滯時間校正值 大幅變動，因此這二個動作范圍分別是響應(yīng)性能降低區(qū)域。另一方面， 在單相運轉(zhuǎn)中，在一2.5kW附近(例如一2.5kW士2kW)的動作范圍、 及2.5kW附近(例如2.5kW士2kW)的動作范圍內(nèi)，停滯時間校正值 大幅變動，因此這二個動作范圍分別是響應(yīng)性能降低區(qū)域。
此外，停滯時間是指以在DC/DC轉(zhuǎn)換器60內(nèi)的上臂側(cè)IGBT元 件和下臂側(cè)IGBT元件之間(例如IGBT元件Trl和IGBT元件Tr7之 間)不流入短路電流的方式設(shè)定的短路防止期間。
接著參照圖3說明用于計測燃料電池組20的交流阻抗的第一方 法。在該第一方法中，其前提是控制器80通過控制DC/DC轉(zhuǎn)換器 60，以一定周期間隔計測燃料電池組20的交流阻抗，并定期更新交流 阻抗的值。
控制器80檢查交流阻抗的值是否定期更新(步驟301)。
當(dāng)交流阻抗的值被定期更新時(步驟301;是)，表示交流阻抗 的計測正常進行，因此跳出本處理程序而結(jié)束。
另一方面，當(dāng)交流阻抗的值在一定時間以上而未更新時(步驟301; 否)，DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域，因此交流阻 抗的計測有可能未正常進行。
因此，在這種情況下，控制器80禁止DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點 處于響應(yīng)性能降低區(qū)域時的交流阻抗計測，并將相切換的指令輸出到 DC/DC轉(zhuǎn)換器60 (步驟302)。例如，當(dāng)單相運轉(zhuǎn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器 60的動作點在一2.5kW附近時，通過將DC/DC轉(zhuǎn)換器60的運轉(zhuǎn)方式從單相運轉(zhuǎn)切換為三相運轉(zhuǎn)，可使DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點脫離響 應(yīng)性能降低區(qū)域。并且，例如進行三相運轉(zhuǎn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動 作點處于一5kW附近時，通過將DC/DC轉(zhuǎn)換器60的運轉(zhuǎn)方式從三相 運轉(zhuǎn)切換為單相運轉(zhuǎn)，可使DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點脫離響應(yīng)性能 降低區(qū)域。
如果DC/DC轉(zhuǎn)換器60的相切換完成，則控制器80控制DC/DC 轉(zhuǎn)換器60來向燃料電池組20施加交流信號，根據(jù)此時的電池電壓檢 測器22的傳感器輸出，計算出燃料電池組20的交流阻抗(步驟303)。
交流阻抗計測結(jié)束后，控制器80將用于恢復(fù)到原來的運轉(zhuǎn)方式的 相切換指令輸出到DC/DC轉(zhuǎn)換器60 (步驟304)。例如，如果將單相 運轉(zhuǎn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器60的運轉(zhuǎn)方式僅在交流阻抗計測期間轉(zhuǎn)換為三 相運轉(zhuǎn)，則在交流阻抗計測完成后，輸出用于恢復(fù)到原來的單相運轉(zhuǎn) 的指令。并且，例如如果將三相運轉(zhuǎn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器60的運轉(zhuǎn)方式 僅在交流阻抗計測期間轉(zhuǎn)換為單相運轉(zhuǎn)，則在交流阻抗計測完成后， 輸出用于恢復(fù)到原來的三相運轉(zhuǎn)的指令。
這樣一來，DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域， 當(dāng)交流阻抗的計測精度降低時，禁止響應(yīng)性能降低區(qū)域內(nèi)的交流阻抗 計測，并實施DC/DC轉(zhuǎn)換器60的相切換，使DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動 作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域，由此能夠提高交流阻抗的計測精度。
此外，控制器80及電池電壓檢測器22作為交流阻抗計測裝置(當(dāng) DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域外時，通過檢測出將 交流信號施加到燃料電池組20時的電池的響應(yīng)電壓，計測電池的交流 阻抗，而當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域時，禁 止電池的交流阻抗的計測，切換DC/DC轉(zhuǎn)換器60的驅(qū)動相數(shù)來計測 電池的交流阻抗的裝置)起作用。
11接著，參照圖4說明用于計測燃料電池組20的交流阻抗的第二方
法。在該第二方法中，其前提是控制器80通過控制DC/DC轉(zhuǎn)換器 60，以一定周期間隔計測燃料電池組20的交流阻抗，并定期更新交流 阻抗的值。
控制器80檢査交流阻抗的值是否定期更新(步驟401)。
當(dāng)交流阻抗的值一定時間以上未更新時(步驟401;否)，由于 DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域，因此交流阻抗的計 測有可能未正常進行。
因此，這種情況下，控制器80禁止DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處 于響應(yīng)性能降低區(qū)域時的交流阻抗計測，計算出使DC/DC轉(zhuǎn)換器60 的動作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域的功率偏移量(步驟402)。作為使動 作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域的功率偏移量，將使動作點脫離響應(yīng)性能 降低區(qū)域所需最低限度的正方向的功率偏移量和負方向功率偏移量中 的任意的較小一方作為目標值，向正方向或負方向進行功率偏移即可。
例如，考慮進行三相運轉(zhuǎn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點為6kW的 情況。在三相運轉(zhuǎn)中，5kW土2kW的動作范圍為響應(yīng)性能降低區(qū)域， 因此為了使動作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域，需要正方向進行l(wèi)kW以上 的功率偏移，或負方向進行3kW以上的功率偏移。由于向正方向?qū)嵤?lkW的功率偏移和向負方向?qū)嵤?kW的功率相比，功率偏移量較少即 可，因此優(yōu)選向正方向?qū)嵤﹍kW以上的功率偏移。
另一方面，當(dāng)交流阻抗的值被定期更新時(步驟401;是)，表 示交流阻抗的計測正常進行，因此可推測DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點 處于響應(yīng)性能降低區(qū)域以外的動作范圍。這種情況下，無需使DC/DC 轉(zhuǎn)換器60的動作點偏移，因此將功率偏移量設(shè)定為O (步驟403)。
12控制器80向DC/DC轉(zhuǎn)換器60輸出功率偏移指令，以在步驟402 或步驟403中設(shè)定的功率偏移量使DC/DC轉(zhuǎn)換器60的通過功率偏移 (步驟404)。此時，向正方向進行功率偏移時，使剩余電力蓄電到二 次電池50，或由車輛輔機70消耗，或者變換為熱能而排放到大氣即可。 向負方向進行功率偏移時，從二次電池50補充不足電力即可。
DC/DC轉(zhuǎn)換器60的功率偏移完成后，控制器80控制DC/DC轉(zhuǎn) 換器60來向燃料電池組20施加交流信號，根據(jù)此時的電池電壓檢測 器22的傳感器輸出，計算出燃料電池組20的交流阻抗(步驟405)。
交流阻抗計測結(jié)束后，控制器80將用于恢復(fù)到原來的通過功率的 功率偏移指令輸出到DC/DC轉(zhuǎn)換器60 (步驟406)。例如，如果使在 6kW的動作點下進行三相運轉(zhuǎn)的DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點僅在交流 阻抗計測期間向正方向進行l(wèi)kW功率偏移的話，則在交流阻抗計測完 成后，為了恢復(fù)到原來的動作點，輸出向負方向的lkW的功率偏移指 令。
這樣，DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域，當(dāng)交 流阻抗的計測精度降低時，禁止響應(yīng)性能降低區(qū)域內(nèi)的交流阻抗計測， 并使DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點進行功率偏移，使DC/DC轉(zhuǎn)換器60 的動作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域，從而可提高交流阻抗的計測精度。
并且，控制器80及電池電壓檢測器22作為交流阻抗計測裝置(在 DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域外時，通過檢測出將 交流信號施加到燃料電池組20時的電池的響應(yīng)電壓，計測電池的交流 阻抗，而在DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域時，禁 止電池的交流阻抗的計測，使DC/DC轉(zhuǎn)換器60的通過功率偏移以使 DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域而計測電池的交流阻 抗的裝置)起作用。圖5是表示DC/DC轉(zhuǎn)換器60的通過功率和停滯時間校正值之間 關(guān)系的圖表。實線表示通過載波頻率fN的控制信號對DC/DC轉(zhuǎn)換器 60進行開關(guān)控制時的圖表，在通過功率為+P2附近的動作范圍及一P2 附近的動作范圍內(nèi)，出現(xiàn)停滯時間校正值大幅變動的響應(yīng)性能降低區(qū) 域。虛線表示通過載波頻率fM的控制信號對DC/DC轉(zhuǎn)換器60進行開 關(guān)控制時的圖表，在通過功率為+Pl附近的動作范圍及一P1附近的動 作范圍內(nèi)，出現(xiàn)停滯時間校正值大幅變動的響應(yīng)性能降低區(qū)域。根據(jù) 該圖表，可知響應(yīng)性能降低區(qū)域的位置根據(jù)載波頻率而不同。其原因 在于，停滯時間的值與載波周期無關(guān)，是一定值，因此當(dāng)載波頻率變 化時，停滯時間在載波周期中所占的比例變化，根據(jù)該比例的變化停 滯時間校正值也變化。
圖6表示用于對DC/DC轉(zhuǎn)換器60內(nèi)的IGBT元件Trl Trl2進行 開關(guān)控制的控制信號與在電抗器L1 L3中流動的紋波電流之間的關(guān) 系。為了便于說明，以單相運轉(zhuǎn)為例進行說明，時間Tn表示IGBT元 件Trl、 TrlO接通的時間，時間Tp表示IGBT元件Tr4、 Tr7接通的時 間。載波周期等于Tn+Tp。當(dāng)設(shè)紋波電流最大值為In、最小值為Ip時， 紋波電流寬度等于In — Ip。 ZP表示紋波電流零交叉的點(以下稱為零 交叉點)。
當(dāng)存在零交叉點ZP時，紋波電流的方向(符號)頻繁反轉(zhuǎn)，因此 DC/DC轉(zhuǎn)換器60的電壓控制性能明顯降低。因此，零交叉點ZP作為 停滯時間校正值大幅變動的區(qū)域、即響應(yīng)性能降低區(qū)域而出現(xiàn)。另一 方面，在最大值In為負值或最小值Ip為正值的情況下，不存在零交叉 點ZP，因此DC/DC轉(zhuǎn)換器60的電壓控制性能良好。進而，當(dāng)零交叉 點ZP位于紋波電流寬度的中央時，相對零交叉點ZP,紋波電流的符 號對稱地反轉(zhuǎn)，因此DC/DC轉(zhuǎn)換器60的電壓控制性能良好。
如該圖所示，當(dāng)提高載波頻率時，時間Tn、 Tp變短，因此可知紋 波電流寬度變短。與之相反，當(dāng)使載波頻率變低時，時間Tn、 Tp變長，因此紋波電流寬度變長。當(dāng)改變紋波電流寬度時，紋波電流零交叉的
點也變化，因此通過改變載波頻率，可使DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點
脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域。
接著，參照圖7說明用于計測燃料電池組20的交流阻抗的第三方 法。在該第三方法中，其前提是控制器80通過控制DC/DC轉(zhuǎn)換器 60,以一定周期間隔計測燃料電池組20的交流阻抗，并定期更新交流 阻抗的值。
控制器80檢查交流阻抗的值是否定期更新(步驟701)。
當(dāng)交流阻抗的值定期更新時(步驟701;是)，表示交流阻抗的 計測正常進行，因此跳出本處理程序而結(jié)束。
另一方面，當(dāng)交流阻抗的值一定時間以上未更新時(步驟701; 否)，DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域，因此交流阻 抗的計測可能未正常進行。
因此，這種情況下，控制器80禁止DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處 于響應(yīng)性能降低區(qū)域時的交流阻抗計測，將用于變更載波頻率的指令 輸出到DC/DC轉(zhuǎn)換器60以使DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點脫離響應(yīng)性 能降低區(qū)域(步驟702)。
載波頻率的切換完成后，控制器80控制DC/DC轉(zhuǎn)換器60來將交 流信號施加到燃料電池組20，根據(jù)此時的電池電壓檢測器22的傳感器 輸出，計算出燃料電池組20的交流阻抗(步驟703)。
交流阻抗計測結(jié)束后，控制器80將用于恢復(fù)到原來的載波頻率的 指令輸出到DC/DC轉(zhuǎn)換器60 (步驟704)。例如如果僅在計測交流阻 抗的期間將載波頻率從&暫時變更為fM，則在交流阻抗計測完成后，
15將用于恢復(fù)到原來的載波頻率fN的指令輸出到DC/DC轉(zhuǎn)換器60。
這樣，當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域，交 流阻抗的計測精度降低時，通過禁止響應(yīng)性能降低區(qū)域內(nèi)的交流阻抗 計測，并變更控制DC/DC轉(zhuǎn)換器60的開關(guān)動作的控制信號的載波頻 率，使DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域，從而可提 高交流阻抗的計測精度。
此外，控制器80及電池電壓檢測器22作為交流阻抗計測裝置(當(dāng) DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域外時，通過檢測出將 交流信號施加到燃料電池組20時的電池的響應(yīng)電壓，計測電池的交流 阻抗，而當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域時，變 更用于控制DC/DC轉(zhuǎn)換器60的開關(guān)動作的控制信號的載波頻率以使 DC/DC轉(zhuǎn)換器60的動作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域而計測電池的交流阻 抗的裝置)起作用。
根據(jù)本發(fā)明，可高精度地計測燃料電池組的交流阻抗。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，具有用于使層疊多個電池而成的燃料電池組的輸出電壓升降的DC/DC轉(zhuǎn)換器，該燃料電池系統(tǒng)具有交流信號施加裝置，驅(qū)動上述DC/DC轉(zhuǎn)換器而將交流信號施加到上述燃料電池組；和交流阻抗計測裝置，當(dāng)上述DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域外時，通過檢測出向上述燃料電池組施加交流信號時的上述電池的響應(yīng)電壓來計測上述電池的交流阻抗，而當(dāng)上述DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域時，禁止上述電池的交流阻抗的計測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)， 上述DC/DC轉(zhuǎn)換器為多相轉(zhuǎn)換器，上述交流阻抗計測裝置在上述DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于上述 響應(yīng)性能降低區(qū)域、且存在交流阻抗計測要求時，切換上述DC/DC轉(zhuǎn) 換器的驅(qū)動相數(shù)而計測上述電池的交流阻抗。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，上述交流阻抗計測裝置在上述DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于上述 響應(yīng)性能降低區(qū)域、且存在交流阻抗計測要求時，使上述DC/DC轉(zhuǎn)換 器的通過功率偏移以使上述動作點脫離上述響應(yīng)性能降低區(qū)域而計測 上述電池的交流阻抗。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，上述交流阻抗計測裝置在上述DC/DC轉(zhuǎn)換器的動作點處于上述 響應(yīng)性能降低區(qū)域、且存在交流阻抗計測要求時，改變用于控制上述 DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動作的控制信號的載波頻率以使上述動作點脫離 上述響應(yīng)性能降低區(qū)域而計測上述電池的交流阻抗。
全文摘要
當(dāng)使燃料電池組(20)的輸出電壓升降的DC/DC轉(zhuǎn)換器(60)的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域時、且存在交流阻抗計測要求時，控制器(80)切換DC/DC轉(zhuǎn)換器(60)的驅(qū)動相數(shù)，計測燃料電池組(20)的交流阻抗。當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器(60)的動作點處于響應(yīng)性能降低區(qū)域、且交流阻抗的計測精度降低時，禁止響應(yīng)性能降低區(qū)域中的交流阻抗計測，實施DC/DC轉(zhuǎn)換器(60)的相切換，從而使DC/DC轉(zhuǎn)換器(60)的動作點脫離響應(yīng)性能降低區(qū)域，可提高交流阻抗的計測精度。
文檔編號H01M8/04GK101485026SQ20078002569
公開日2009年7月15日 申請日期2007年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月11日
發(fā)明者前中健志, 真鍋晃太, 長谷川貴彥 申請人:豐田自動車株式會社