专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用交流阻抗法测量燃料电池的阻抗的燃料电池系统。
背景技术：
已知燃料电池的内部电阻影响燃料电池内的电解质膜的湿度系数。在包含在燃料电池中的湿气的量小并且电解质膜干的情况下，内部电阻高并且燃料电池的输出电压低。在包含在燃料电池中的湿气的量非常大的情况下，由于燃料电池的电极被湿气覆盖，所以作为反应物的氧和氢的扩散受到阻碍，并且输出电压低。为了高效地操作燃料电池，必须最好地管理包含在燃料电池中的湿气的量。已知包含在燃料电池中的湿气的量与燃料电池的阻抗相关。在日本专利申请公布N0.2004-15992 (JP-A-2004-15992)中，根据交流阻抗法测量燃料电池的阻抗，以间接掌握包含在燃料电池中的湿气的状态。更具体地，JP-A-2004-15992描述在燃料电池的输出信号上叠加具有任意频率的正弦信号并且在该情况下測量燃料电池的阻杭。然而，由于诸如CPU负载等的因素导致限制在測量用于测量阻抗的电压和电流时执行的采样的次数。从而，存在关于燃料电池的阻抗测量性能不能找到足够灵活性的情況。

发明内容
本发明改进配备有多相电压转换设备的燃料电池系统中的燃料电池的阻抗测量性能。本发明的第一方面涉及燃料电池系统。该燃料电池系统配备有:燃料电池；多相电压转换设备，所述多相电压转换设备连接至所述燃料电池并具有N个相位(N为等于或大于2的整数)；控制信号生成部，所述控制信号生成部通过在指示所述多相电压转换设备的输出目标电压的电压上叠加用于测量阻抗的控制波形来生成用于对所述多相电压转换设备的每个相位进行控制的控制信号，并且将与具有预定相位差的N个相位相对应的所述控制信号按顺序地输出到所述多相电压转换设备；以及阻抗计算部，所述阻抗计算部按照与N个预定采样频率相对应的周期来測量所述燃料电池的电流和所述燃料电池的电压，并且基于所测量的电流和所测量的电压来计算所述燃料电池的阻抗，其中所述N个预定采样频率具有与所述预定相位差相等的相位差。在该配置中，当測量用于计算阻抗的电流和电压时，阻抗计算部按照与具有等于被输出以控制多相电压转换设备的各个相位的控制信号的相位差的相位差的N个预定采样频率相对应的周期，对燃料电池的电流和燃料电池的电压进行采样。结果，可以获得形状接近控制波形的具体采样結果。从而，可以改进測量配备有多相电压转换设备的燃料电池系统中的燃料电池的阻抗的性能。预定相位差可以是360° /N。上述燃料电池系统可以进ー步配备有蓄电器，以及连接至蓄电器的电压转换设备。在该配置中，即便在配备有用于控制来自蓄电器的输出的电压转换设备的配置的情况下，也可以获得类似于本发明的第一方面的效果。
本发明的第二方面涉及测量燃料电池系统的阻抗的方法。所述燃料电池系统包括燃料电池和多相电压转换设备，所述多相电压转换设备连接至所述燃料电池并具有N个相位(N为等于或大于2的整数)。測量燃料电池系统的阻抗的该方法包括:通过在指示所述多相电压转换设备的输出目标电压的电压上叠加用于测量阻抗的控制波形来生成用于对所述多相电压转换设备的每个相位进行控制的控制信号；将与具有预定相位差的N个相位相对应的信号按顺序地输出到所述多相电压转换设备；以及，按照与N个预定采样频率相对应的周期来測量所述燃料电池的电流和所述燃料电池的电压，并且基于所测量的电流和所测量的电压来计算所述燃料电池的阻抗，其中所述N个预定采样频率具有与所述预定相位差相等的相位差。应该注意，本发明可以以多种形式实现。例如，本发明可以以燃料电池系统、控制燃料电池系统的方法、诸如配备有燃料电池系统的车辆的移动对象等的模式实现。而且，本发明不绝对要求具有所有上述多种特征，并且还可以以其中的ー些被省略来配置。


根据下面參考附图来对本发明的示例性实施例所进行的描述，本发明的上述和其它特征和优点将变得明显，在附图中相同的附图标记用于表示相同的元件，并且其中:图1是示出根据本发明的一个实施例的装配有燃料电池系统的车辆HR的总体配置的不意图；图2是示出燃料电池的等效电路的示意图；图3是用于解释燃料电池的内部阻抗的测量的示意图；图4A和图4B是用于解释由控制信号生成部生成的控制信号的示意图；图5A至图是用于解释在阻抗计算部中的采样的示意图；以及图6是示出根据本发明的第二实施例的装配有燃料电池系统的车辆HR的总体配置的示意图。
具体实施例方式接下来，将描述本发明的实施例。A.第一实施例:图1是示出根据本发明的一个实施例的装配有燃料电池系统100的车辆HR的总体配置的示意图。注意，将引用燃料电池混合动カ车辆(FCHV)作为车辆的示例来给出以下说明。车辆HR主要配备有燃料电池系统100、逆变器60、电动机61、输出轴62、减速齿轮63以及车辆驱动轴64。逆变器60将从燃料电池系统100输出的DC电流转换为三相AC电流，并且给电动机61提供三相AC电流。电动机61是车辆HR的动カ源，被设计为同步电动机，并且配备有用于形成旋转磁场的相位线圈。电动机61连接至输出轴62,以将动力传输至输出轴62。注意，电动机61在制动时还可以用作发电机。从电动机61输出到输出轴62的动カ经由减速齿轮63被传输至车辆驱动轴64。燃料电池系统100主要配备有控制单元10、电池20、DC/DC转换器30、燃料电池40、车辆辅助设备50以及FC辅助设备51。控制单元10被配置为主要由微型计算机构成的逻辑电路。更具体地，控制单元10配备有根据预置控制程序执行预定计算等的CPU (未示出)、预先存储由CPU执行多种计算处理所需的控制程序、控制数据等的ROM (未示出)、暂时读取和写入上述由CPU执行多种计算处理所需的多种数据的RAM (未示出)、多种信号输入到/从其输出多种信号的输入/输出端ロ(未示出)等。控制单元10经由信号线连接至加速器踏板传感器11、挡位传感器(未示出)、制动器传感器(未示出)等。控制单元10从这些传感器的检测信号中获取关于车辆的驱动的多种信息，诸如，加速器开启度、车速等，并且生成用于燃料电池系统100的DC/DC转换器30的驱动信号(如随后详细描述的)。电池20是可充电/可放电二次电池。例如，诸如，铅蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等的多种二次电池可以用作电池20。电池20插入在燃料电池40的放电路径上并且与燃料电池40并联连接。注意，代替电池20，可以采用除了二次电池之外的可充电/可放电蓄电器(例如，电容器)。燃料电池40从所提供的燃料气体和所提供的氧化气体生成电力。燃料电池40具有堆叠结构，其中，配备有膜电极组件(此后称为“MEA”)等多个单元电池顺序地相互堆叠。多种类型的燃料电池(例如，质子交換膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等)可以用作燃料电池40。电池20和燃料电池40并联连接至逆变器60。而且，从燃料电池40延伸到逆变器60的电路被提供有ニ极管42，以抑制来自电池20的电流或由电动机61生成的电カ的电流
反向流动。如上所述，为了实现在电源，即，相互并联连接的电池20和燃料电池40中的合适的输出分配，在本发明的该实施例中提供多相电压转换设备(DC/DC转换器30)。DC/DC转换器30具有将从燃料电池40输入的DC电压提高(或降低)到给定目标电压并且输出目标电压的功能。DC/DC转换器30其中具有相互可并行操作的多个电源模块。各个电源模块组成DC/DC转换器30的相位。在本发明的该实施例中，将描述其中具有构成U-相位的电カ模块和构成V-相位的电源模块的二相DC/DC转换器作为示例。注意，DC/DC转换器30还用作用于控制电池20和电池20连接到的线之间的连接状态的开关。更具体地，当不需要给电池20充电或放电时，电池20与电池20连接到的线断开。车辆辅助设备50是指在车辆的驱动等期间使用的多种电カ组件。车辆辅助设备50包括例如发光组件、空调组件以及液压泵。FC辅助设备51是指用于驱动车辆的多种电カ组件。FC辅助设备51包括例如用于提供燃料气体和重整材料的泵，以及用于调节重整器温度的加热器。车辆辅助设备50和FC辅助设备51连接在电池20和DC/DC转换器30之间。图2是示出燃料电池40的等效电路的示意图。燃料电池40由分离器电阻R1、MEA电阻R2以及电极电容C表示。这些电阻Rl和R2以及电容C形成燃料电池40的内部阻抗。燃料电池40的内部特性可以通过測量阻抗来掌握，如以下描述的。图3是用于解释燃料电池40的内部阻抗的测量的示意图。控制单元10配备有目标电压确定部110、叠加信号生成部120、控制信号生成部130以及阻抗计算部140。目标电压确定部110基于从加速器踏板传感器11 (图1)等输入的传感器信号确定来自DC/DC转换器30的输出目标电压，并且将该值输出到控制信号生成部130。叠加信号生成部120生成将叠加在输出目标电压上的用于阻抗测量的控制波形(例如，具有幅度a的正弦波)，并且将该控制波形输出到控制信号生成部130。注意，输出目标电压和控制波形的各个參数(波形的类型、频率以及幅度值)可以根据系统的设计等适当地改变。控制信号生成部130通过相互叠加输出目标电压和控制波形来生成用于控制DC/DC转换器30的各个相位的控制信号。控制信号生成部130将这样生成的具有预定相位差(更具体地，具有来自DC/DC转换器30的输出脉冲移位了对应于期望延迟的定时的相位)的控制信号顺序地输出为对应于DC/DC转换器30的各个相位的控制信号(uDuty，vDuty)。DC/DC转换器30基于由控制信号生成部130给出的对应于各个相位的控制信号(uDuty，vDuty)来控制从燃料电池40输入的DC电压。更具体地，DC/DC转换器30基于控制信号uDuty接通/断开DC/DC转换器30内对应于u_相位的电カ模块的开关元件。同样的，DC/DC转换器30基于控制信号vDuty接通/断开DC/DC转换器30内对应于v_相位的电カ模块的开关元件。图4由用于解释通过控制信号生成部130生成的控制信号的示意图构成。图4A示意性地示出从控制信号生成部130输出到DC/DC转换器30的控制信号(uDuty，vDuty)。从而，对应于DC/DC转换器30中的各个相位的控制信号(uDuty，vDuty)之ー被输出，具有对应于相对于彼此预定的相位差Ps的延迟。注意，该相位差ps可以预先存储在控制单元10内的存储区域中。本发明的该实施例中的相位差ps是45°。图4B是示意性地示出从DC/DC转换器30输出的FC电流的频率分量Ifc的示意图。注意，FC电流是指燃料电池40的实际操作点的输出电流。图5由用于解释在阻抗计算部140中的采样的示意图构成。图5A是示意性地示出从DC/DC转换器30输出的FC电流的频率分量Ifc的示意图。阻抗计算部140在对应于采样频率的周期(即，SFu, SFv)上对从DC/DC转换器30输出的FC电流的频率分量Ifc采样，其中采样频率对应于具有与图4A所示控制信号uDuty、vDuty之间的相位差ps相同的相位差ps的各个相位。即，在图5A的示例中，阻抗计算部140分别在正弦波的中心区域和与正弦波的中心具有最大偏差的区域的定时SFu、SFv处，以对应于相位数量的两个采样频率进行采样。注意，图5A仅是ー个示例，并且采样频率可以任意确定。图5B示出在采样周期SFu上通过阻抗计算部140执行的采样的结果ulf。图5C示出在采样周期SFv上通过阻抗计算部140执行的采样的结果vlf。而且，图示出如上述获得的结果Ulf和vlf的总和的采样结果ulf+vlf。阻抗计算部140还以与图5中解释的相同方式，对于在由电压传感器141检测的燃料电池40的实际操作点处的输出电压(此后还称为“FC电压”)的频率分量Vfc进行采样，并且获得FC电压的频率分量Vfc的采样結果。阻抗计算部140从而执行FC电流和FC电压的采样处理，并且然后通过例如将经过傅里叶变换处理的FC电压信号除以经过傅里叶变换处理的FC电流信号来计算燃料电池40的阻抗。如上所述，根据本发明的第一实施例，当測量用于阻抗计算的FC电压和FC电流吋，阻抗计算部140在与对应于各个相位的采样频率对应的周期SFu、SFv上执行采样，各个相位具有与被输出以控制DC/DC转换器30的各个相位的控制信号uDuty、vDuty之间的相位差ps相同的相位差ps。从而，阻抗计算部140可以获得形状接近图中所示的控制波形的具体采样结果，作为测量FC电流和FC电压的結果。阻抗计算部140基于这样获得的FC电流和FC电压的测量值，执行燃料电池40的阻抗计算。结果，配备有多相电压转换设备(DC/DC转换器30)的燃料电池系统中的燃料电池的阻抗测量性能可以被改迸。
而且，根据本发明的第一实施例，阻抗计算部140在对应于多个采样频率的周期SFu,SFv上对FC电流和FC电压进行采样。从而，与阻抗计算部140在与高于该采样频率的单个采样频率相对应的周期上执行采样的情况相比，可以减小施加至控制单元10中的CPU的负荷。B.第二实施例:图6是示出根据本发明的第二实施例的装配有燃料电池系统IOOa的车辆HR的总配置的示意图。本发明的第二实施例与图1中所示的本发明的第一实施例之间的差异在于，进一歩提供DC/DC转换器31，并且本发明的第二实施例在其他配置详情和其他操作详情方面与本发明的第一实施例相同。在图6中注意,与本发明的第一实施例相同的配置组件由与在本发明的以上第一实施例中相同的附图标记表示，并且省略对这样的组件的详细说明。DC/DC转换器31插入电池20和逆变器60之间，并且具有将从电池20输入的DC电压提高(或降低)到给定目标电压并且输出目标电压的功能。注意，本发明的第ニ实施例的DC/DC转换器30与本发明的第一实施例的不同之处在于，其不用作用于控制电池20和电池20连接到的线之间的连接状态的开关。在该配置中，如在本发明的第一实施例的情况下，配备有多相电压转换设备(DC/DC转换器30)的燃料电池系统中的燃料电池的阻抗测量性能可以被改迸。C.修改的示例:注意，本发明不限于其以上的实施例，并且本发明可以在不脱离其要点的情况下以多种模式实现。例如，本发明还可以被修改如下。Cl.修改的示例1:已经引用二相(N=2)DC/DC转换器30作为多相电压转换设备的示例描述了本发明的以上实施例。然而，本发明的DC/DC转换器是多相类型的，并且在本发明中采用的DC/DC转换器的相位数是任意的，这是足够的。例如，可以采用三相DC/DC转换器。在该情况下，阻抗计算部140在对应于延迟了与对应于各个相位的控制信号之间的相位差相同的相位差的三个采样频率的周期SFu、SFv、SFw上执行采样。从而，可以获得FC电流和FC电压的更具体的采样結果。結果，測量燃料电池的阻抗的性能可以被进一歩改进。C2.修改的示例2:在本发明的以上实施例中，示例了燃料电池系统100中的多组值。然而，燃料电池系统100中的多组值(例如，相位差ps)可以任意地确定。例如，相位差ps可以是360° /NoC3.修改的示例3:引用燃料电池供电车辆作为车辆的示例描述了本发明的以上实施例。然而，多种车辆都可以被假设为装配有根据本发明的燃料电池系统的车辆。例如，本发明还可以应用至电动车辆和混合动カ车辆。而且，根据本发明的燃料电池系统还可以应用至除了车辆之外的移动对象(例如，船、飞机等)。虽然參考其示例性实施例描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所描述的实施例或结构。相反，本发明_在覆盖多种修改和等效布置。另外，虽然所披露的发明的多种元件以多种示例组合和配置示出，但是包括更多、更少或仅单个元件的其他组合和配置也包括在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括: 燃料电池； 多相电压转换设备，所述多相电压转换设备连接至所述燃料电池并具有N个相位(N为等于或大于2的整数)； 控制信号生成部，所述控制信号生成部通过在指示所述多相电压转换设备的输出目标电压的电压上叠加用于测量阻抗的控制波形来生成用于对所述多相电压转换设备的每个相位进行控制的控制信号，并且将与具有预定相位差的N个相位相对应的所述控制信号按顺序地输出到所述多相电压转换设备；以及 阻抗计算部，所述阻抗计算部按照与N个预定采样频率相对应的周期来測量所述燃料电池的电流和所述燃料电池的电压，并且基于所测量的电流和所测量的电压来计算所述燃料电池的阻抗，其中所述N个预定采样频率具有与所述预定相位差相等的相位差。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述预定相位差是360°/N。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，进一歩包括: 蓄电器，以及 连接至所述蓄电器的电压转换设备。
4.一种测量燃料电池系统的阻抗的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池和多相电压转换设备，所述多相电压转换设备连接至所述燃料电池并具有N个相位(N为等于或大于2的整数)，所述方法包括: 通过在指示所述多相电压转换设备的输出目标电压的电压上叠加用于测量阻抗的控制波形来生成用于对所述多相电压转换设备的每个相位进行控制的控制信号； 将与具有预定相位差的N个相位相对应的信号按顺序地输出到所述多相电压转换设备；以及 按照与N个预定采样频率相对应的周期来測量所述燃料电池的电流和所述燃料电池的电压，并且基于所测量的电流和所测量的电压来计算所述燃料电池的阻抗，其中所述N个预定采样频率具有与所述预定相位差相等的相位差。
全文摘要
一种燃料电池系统(100)，包括燃料电池(40)；具有N个相位(N为等于或大于2的整数)的多相电压转换设备(60)，多相电压转换设备(60)连接至燃料电池；控制信号生成部(130)，通过在指示多相电压转换设备的输出目标电压的电压上叠加用于测量阻抗的控制波形来生成控制信号，以控制多相电压转换设备的每个相位，并且将对应于具有预定相位差的N个相位的控制信号顺序地输出到多相电压转换设备；以及阻抗计算部(140)，阻抗计算部(140)在与具有等于预定相位差的相位差的N个预定采样频率相对应的周期上，测量燃料电池的电流和电压，并且基于所测量的电流和所测量的电压计算燃料电池的阻抗。
文档编号G01R31/36GK103098278SQ201180017122
公开日2013年5月8日 申请日期2011年3月22日 优先权日2010年4月2日
发明者长谷川贵彦, 北村伸之 申请人:丰田自动车株式会社