燃料電池系統與交流阻抗測量方法

專利名稱：燃料電池系統與交流阻抗測量方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池系統，更具體地涉及一種用于測量交流 阻抗以檢測燃料電池運行狀況的技術的改進。
背景技術：
已知燃料電池的輸出受燃料電池的內部條件影響，例如電解液的 濕度。電解液的濕度與燃料電池的復阻抗相對應，因此在相關領域內， 已經提出通過向燃料電池的輸出施加交流信號來監測燃料電池的運行 狀況，以檢測振幅比和電流與電壓之間的相位偏移，從而計算復阻抗。例如，日本專利申請特開2003-86220描述了一種燃料電池系統， 其中燃料電池的復阻抗通過向燃料電池的輸入信號施加正弦波信號， 同時將頻率從高頻變化為低頻來確定，并且燃料電池的濕度狀況從燃 料電池的內部含濕量不足時增加的阻抗分量R1和內部含濕量過高時增 加的阻抗分量R2來估計。阻抗分量Rl通過施加高頻正弦波信號來測 量，阻抗分量R2通過施加低頻正弦波信號來測量。日本專利申請特開 2003-297408描述了使用類似技術的燃料電池系統，其中要檢測的氣體 的含水量從電化學電池的電壓或者電流來檢測。根據上述傳統技術，通過測量燃料電池的阻抗可間接獲知燃料電 池的內部濕度狀況。發明內容但是，在上述傳統技術中，當施加低頻正弦波信號時，測量精度 往往會變差。其原因是附屬設備(例如，泵或壓縮機)作為燃料電池的負 載，因此燃料電池的輸出電流根據附屬設備的運行狀況而變化。換句話說，認為負載狀況根據附屬設備的操作變化，導致燃料電池輸出電 流的變化。電流是確定交流阻抗的要素，因此如果電流根據負載狀況 周期性地變化，那么測量的交流阻抗會獲得不準確的值。本發明的目的是通過提供一種燃料電池和測量方法解決上述問 題，通過其可高度精確地測量交流阻抗。為實現該目的，本發明為一種能夠測量燃料電池內的交流阻抗的 燃料電池系統，包括發電穩定裝置，用于將所述燃料電池內的發電 保持在穩定狀態；以及阻抗測量裝置，用于當檢測到所述燃料電池內 的所述發電處于穩定狀態時測量所述交流阻抗。本發明還是一種交流阻抗測量方法，包括下列步驟將燃料電池 內的發電保持在穩定狀態；以及在穩定了所述燃料電池內的發電之后， 測量所述交流阻抗。根據本發明，在測量交流阻抗之前進行燃料電池內穩定發電的處 理，因此消除了交流阻抗測量期間燃料電池發電變化的起因。因此， 在該情形下測量的交流阻抗對應于燃料電池的濕度狀況，表示精確的 復阻抗。這里，例如，在低頻范圍內測量"交流阻抗"。"低頻范圍"為 比較低的頻率范圍，可在該范圍內測量交流阻抗，并包括頻率"=0。 在該頻率范圍內的交流阻抗能夠根據燃料電池的發電狀況變化。"穩定發電狀態"表示燃料電池的發電(功率、電流、電壓)為定值 的情形，也表示發電的變化抑制到或低于預定的發電區域(范圍)。另外，所述發電穩定裝置優選將燃料電池的發電電流保持在恒定 水平。這里，"恒定水平"表示固定的電流值，還表示將電流變化抑制 為或低于預定的電流區域(范圍)。在本發明中，所述發電穩定裝置可包括蓄電裝置，其電連接到 所述燃料電池；以及功率控制裝置，用于控制所述燃料電池與所述蓄 電裝置之間的功率傳遞，使得所述燃料電池的輸出穩定。當燃料電池 內的發電穩定時，輸出固定量的功率，但是當所需的負載功率小于輸 出功率時，產生過剩功率。根據上述構成，過剩的功率被充到蓄電裝 置，因此有效地利用了能量。注意，當電連接到燃料電池的負載裝置(例 如，驅動電機等)的消耗功率(負載功率)小于燃料電池產生的功率時， 產生功率過剩。另外，在本發明中，所述發電穩定裝置可包括蓄電裝置，其電 連接到所述燃料電池；以及功率控制裝置，用于通過從所述蓄電裝置 放電來補償由穩定所述燃料電池的輸出而引起的功率不足。當燃料電 池內的發電穩定時，輸出固定量的功率，但是當所需的負載功率大于 輸出功率時，產生功率不足。根據上述構成，功率不足由蓄電裝置供 給，因此能夠響應在交流阻抗測量期間發生所需負載功率增大的情形。 注意，當電連接到燃料電池的負載裝置(例如，驅動電機等)的消耗功率 (負載功率)大于燃料電池產生的功率時，產生功率不足。同樣在本發明中，當所述功率不足超過通過從所述蓄電裝置提供 的補償功率時，所述阻抗測量裝置停止測量所述交流阻抗。當燃料電 池穩定的發電量不足，使得從蓄電裝置放電補償不足，并且由于加速 器的突然操作等引起所需負載功率突然增加時，可能無法通過從蓄電 裝置放電來獲得所需的負載功率。根據上述構成，當所需的負載超過 可從蓄電裝置補充的功率時，暫時停止交流阻抗測量，因此能夠響應 突然的負載變化。同樣在本發明中，當可向所述蓄電裝置充入或從所述蓄電裝置放 出的功率受限制時，所述阻抗測量裝置優選停止測量所述交流阻抗。關于蓄電裝置根據其容量可進行充電/放電，但是依賴于蓄電裝置和相 關裝置的溫度，可流過功率系統的電流有時候受限制。根據上述構成， 當向蓄電裝置施加的功率達到預定限制時，停止阻抗測量，結果，提 高了系統的安全性和耐用性。本發明還可構成為當所述燃料電池處于低輸出操作模式時，在將 所述燃料電池的發電量增大預定量之后，測量所述交流阻抗。交流阻 抗測量參考電流相對于所施加的交流電壓的相位延遲，因此除非供應 確定的電流，否則測量的精度低。在低輸出操作模式中，例如怠速操 作模式，發電量小，因此發電量有時不適于交流阻抗測量。根據上述 構成，在低輸出操作模式中，在增加了發電量之后開始測量，因此可 高度精確地進行阻抗測量。注意，"低輸出操作模式"為燃料電池的輸出相對于相關輸出或 最大輸出比較低的操作模式。具體地，上面簡述的本發明為能夠測量交流阻抗的燃料電池系統， 包括蓄電裝置，其能夠從燃料電池充電和向負載裝置放電；發電穩 定裝置，用于穩定所述燃料電池內的發電；阻抗測量裝置，用于在所 述燃料電池內的所述發電穩定之后測量所述交流阻抗；充電裝置，用于當由于穩定的燃料電池的發電出現功率過剩時，將過剩功率充向所述蓄電裝置；放電裝置，用于當由于穩定的燃料電池的發電出現功率 不足時，從所述蓄電裝置放電來補償功率不足；發電量增大裝置，用 于當所述燃料電池處于低輸出操作模式時，在將所述燃料電池的發電 量增大預定量之后測量所述交流阻抗；第一測量停止裝置，用于當所 述功率不足超過所述蓄電裝置的可放電量時，停止交流阻抗測量；以及第二測量停止裝置，用于當可充向所述燃料電池或從所述燃料電池 放電的功率受限制時，停止所述交流阻抗測量。


圖1為根據實施例的混合燃料電池系統的方框圖； 圖2為本發明的功能框圖；圖3為示出根據第一實施例的交流阻抗測量方法的流程圖；以及 圖4為示出根據第二實施例的交流阻抗測量方法的流程圖。
具體實施方式
下面，參考附圖描述本發明的優選實施例。在本發明的實施例中，本發明應用于安裝在電動汽車內的混合燃 料電池系統中。下面要描述的實施例僅僅是可應用本發明的方式的實 例，并不限制本發明。(第一實施例)第一實施例涉及在燃料電池的發電穩定之后測量低頻范圍內的交 流阻抗的燃料電池系統，更具體地涉及燃料電池的發電穩定伴隨的功 率過剩或功率不足可給蓄電裝置充電或從蓄電裝置放電的實例。圖2為涉及由該混合燃料電池系統實現的本發明交流阻抗測量的 功能框圖。如圖2中所示，混合燃料電池系統包括燃料電池100、可從燃料 電池100充電并且可向負載裝置102放電的蓄電裝置101。能量可從燃 料電池IOO和蓄電裝置101中的一個或兩個供應到負載裝置102，負載 裝置102再生的能量可充到蓄電裝置101。該燃料電池系統的交流阻抗 測量功能由控制單元3提供。控制單元3包括下列功能塊；(l)發電穩定裝置103，用于穩定燃料電池100內的發電；(2) 阻抗測量裝置104，用于在燃料電池100的發電穩定之后測量 交流阻抗；(3) 充電裝置105，用于在穩定的燃料電池100發電期間產生功率過剩時，向蓄電裝置101充電過剩功率；(4) 放電裝置106，用于在穩定的燃料電池發電期間產生功率不足 時，通過從蓄電裝置101放電來補償功率不足；(5) 第一測量停止裝置108，用于在不足功率超過可從蓄電裝置101 放電的功率時停止交流阻抗測量；(6) 第二測量停止裝置109，用于在可向燃料電池IOO充電或從燃 料電池IOO放電的功率有限時停止交流阻抗測量；以及(7) 發電量增大裝置107，用于在當燃料電池100處于低輸出操作 模式時，將燃料電池IOO的發電量增大預定量之后，測量交流阻抗。作為組成要素(7)的發電量增大裝置將在第二實施例中描述。在第 一實施例中，將描述其余功能塊實現的處理。圖1為詳細示出混合燃料電池系統的方框圖。如圖1中所示，混合燃料電池系統包括陽極氣體供給系統1， 用于向燃料電池IOO供給作為陽極氣體的氫氣；陰氣氣體供給系統2，用于向燃料電池IOO供給作為陰極氣體的空氣；控制單元3，其執行根據本發明的交流阻抗測量方法.，以及作為交流阻抗測量主題的動力系統4。燃料電池100具有由多個堆疊單元(單個電池)形成的堆疊結構。各 電池具有稱為MEA(薄膜電極組件)的發電體夾在具有氫氣、空氣和冷 卻水通道的一對分離器之間的結構。MEA具有將聚合物電解液夾在兩 個電極(即陽極和陰極)之間的結構。陽極通過在多孔支撐層上設置燃料 電極催化劑層形成，陰極通過在多孔支撐層上設置空氣電極催化劑層 形成。可替選地，可使用磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池或其它類型的燃料電池。燃料電池100引起水電解逆反應。用作陽極氣體的氫氣從燃料氣 體供給系統1供給到陽極(負極)側，用作陰極氣體的含有氧氣的空氣從 陰極氣體供給系統2供給到陰極(正極)側。在陽極側發生如公式(1)中所 示的反應，在陰極側發生如公式(2)所示的反應。結果，產生電子循環， 引起電流流動。<formula>formula see original document page 11</formula>(1)<formula>formula see original document page 11</formula>(2)陽極氣體供給系統1包括用作氫氣氣體供給源的氫氣罐10、陽極 氣體供給通道11和陽極廢氣排出通道12，其中氫氣氣體用作燃料氣體。 盡管圖中未示出，但是陽極氣體供給系統1還可設有用于使氫氣氣體 流動的氫氣泵，以及需要來管理和控制氫氣氣體的壓縮閥(base valve)、 調節閥、截流閥、止回閥、氣液分離器等等。氫氣罐IO充滿高壓氫氣氣體。除了高壓氫氣罐，使用氫氣吸收合 金的氫氣罐、使用轉化氣體的氫氣供給機構、液氫罐、液化燃料罐等 等也可用作氫氣供給源。陽極氣體供給通道11為用于供給高壓氫氣氣 體的管道，圖中未示出的壓力調節閥(調節器)等可設在其上的中間點 處。通過陽極氣體供給通道11供給的氫氣氣體通過歧管供給到燃料電 池100內各單個電池的陽極側，在MEA的陽極內發生電化學反應之后， 氫氣氣體作為陽極廢氣(氫廢氣)排出。陽極廢氣排出通道12為用于從 燃料電池100排出陽極廢氣的通道，其可形成再循環通道。再循環通 道可形成通過止回閥和噴射器將陽極廢氣返回到陽極氣體供給通道 11，圖中未示出。陰極氣體供給系統2包括壓縮機20、陰極氣體供給通道21和陰 極廢氣排出通道22。盡管圖中未示出，但是陰極氣體供給系統2還可 設有用于控制用作陰極氣體(即，氧化氣體)的空氣的濕度的增濕器、用于移除陰極廢氣(空氣廢氣)的氣液分離器、用于將陽極廢氣與陰極廢氣 混合的稀釋器、消音器等等。壓縮機20將從空氣濾清器等獲取的空氣壓縮、改變空氣量和空氣 壓力，并將空氣供給到燃料電池100的陰極側。通過陰極氣體供給通 道21供給的空氣通過歧管供給到燃料電池100內各單個電池的陰極側，類似于氫氣氣體，在MEA的陰極內發生電化學反應之后，空氣作 為陰極廢氣排出。從燃料電池100排出的陰極廢氣通過稀釋器與陽極 廢氣混合，然后排出。動力系統4包括電池40、直流-直流變換器41、牽引逆變器42、 牽引電機43、輔助逆變器44、高壓輔助裝置45、電池計算機46、電 流傳感器47、電壓傳感器48、防逆流二極管49等等。電池40涉及本發明的蓄電裝置101，由可充電/可放電的二次電池 組成。各種形式的二次電池均可用作電池，例如鎳氫電池。除了二次 電池，也可使用例如電容的可充電/可放電的蓄電裝置。通過堆疊和串 聯多個以固定電壓產生電能的電池單元，電池40能夠輸出高電壓。電池計算器46設在電池40的輸出終端上，能夠與控制單元3通 信。電池計算器46監測電池40的充電狀態，以保持電池處于適當的 充電范圍內，防止過充和過放，當過充、過放等類似情況發生時通知 控制單元3。直流-直流變換器41通過增大/減小初級側與次級側之間的電壓使 能量流動。例如，直流-直流變換器41將電池40在初級側上的輸出電 壓增大到燃料電池100在次級側上的輸出電壓，以向負載裝置102(例 如牽引電機43或高壓輔助裝置45)供電。相反地，直流-直流變換器41 減小燃料電池100的功率過剩或者負載裝置102在次級側的再生能量 的電壓，并隨之在主級側上給電池40充電。牽引逆變器42將直流電轉換為三相電流，并將該三相電流供給到牽引電機43。牽引電機43為三相電機，例如，用作安裝有燃料電池系統的汽車的主動力源。輔助逆變器44用作用于驅動高壓輔助裝置45的直流-交流轉換裝 置。高壓輔助裝置45對應于操作燃料電池系統所需的各種類型的電機， 例如壓縮機20、氫氣泵和冷卻系統的電機。電流傳感器47檢測直流-直流變換器41的次級側電流，并且能夠 將該電流供給到控制單元3，作為檢測信號Si。電壓傳感器48檢測次 級側電壓，并且能夠將該電壓供給到控制單元3，作為檢測信號Se。控制單元3由包括CPU(中央處理單元)、RAM、 ROM、接口電路 等等的通用計算機組成。控制單元3主要按順序執行存儲在內部ROM 內的軟件程序，以控制整個燃料電池系統，包括陽極氣體供給系統l、 陰極氣體供給系統2和動力系統4，并且還能夠在燃料電池系統內執行 本發明的交流阻抗測量方法。更具體地，控制單元3分為下列操作塊。具體涉及本發明的操作 塊為濾波器30、 31， FFT處理單元32、 33，修正處理單元34，阻抗分 析單元35，確定單元36，存儲裝置37，交流信號發生器38以及交流 信號加法器39。交流信號發生器38為用于產生疊加在電力線路上的交流信號的 振蕩器，其優選構造成能夠產生高頻和低頻的交流信號。在燃料電池 中，交流阻抗的頻率特征根據電解液的內部狀況變化，例如濕度，因 此通過在至少兩個不同的頻率測量交流阻抗，能夠檢測電解液是否過 濕或干。例如，使用約300 Hz的頻率作為高頻交流信號，使用不超過 10 Hz的頻率作為低頻交況。加法器39由功率晶體管等組成，例如，用來將從交流信號發生器38施加到基部的交流信號疊加在電力線路上。可替選地，交流信號發 生器38的輸出可疊加在直流-直流變換器41的指令電壓上。注意，本發明用于防止由于高壓輔助裝置等的操作引起電流變化 而無法精確地測量交流阻抗的情形。濾波器30和31為只允許對應于交流信號發生器38的發射頻率的 交流信號通過的帶通濾波器。濾波器30只允許涉及電流傳感器47檢 測的檢測信號Si的交流阻抗測量的頻率分量通過。濾波器31只允許涉 及電壓傳感器48檢測的檢測信號Se的交流阻抗測量的頻率分量通過。FFT處理單元32和33對電流檢測信號Si和電壓檢測信號Se進 行快速傅立葉變換計算，并且將測量頻率分量內的電流檢測信號Si和 電壓檢測信號Se分成實部和虛部，分別為(arfjbi， ae+jbe)。阻抗分析單 元35基于經歷了 FFT處理的電壓檢測信號和電流檢測信號計算交流阻 抗X(ax+bx)，確定距復平面原點的距離(有效值)"=V (&/+_^2))和相位 角0 (—an"(b/a))，并且確定所施加頻率的交流信號內的交流阻抗。這里，修正處理單元34根據濾波器30和31的濾波特征修正發生 的相位延遲和增益變化。修正處理單元34基于濾波器30和31的預測 量相位延遲和增益變化修正FFT處理單元32和33內的實部和虛部的 系數(a,， b,， ae， be)。由于該修正處理，所以獲得了不包括根據濾波器 特征產生的相位延遲和增益變化的實際電壓檢測信號和電流檢測信 號。確定單元36在存儲裝置37內存儲由阻抗分析單元35確定的有效 值和相位角，或者存儲在復平面上兩個不同頻率fl和f2的實部和虛部 (aXfl， bXfl)(axf2， bXf2)。為了確定燃料電池的電阻過電壓和擴散過電壓， 復平面上的阻抗曲線由基于復平面上兩個點的兒何計算確定，因此將無限頻率處的電阻值設定為電解液的電阻，在零頻率處的電阻值設定 為活性化過電壓和擴散過電壓的電阻變換值。通過確定和存儲交流阻抗，同時改變交流信號發生器38的發射頻 率，無需特殊的幾何計算就可確定阻抗曲線。確定單元36在本發明的基礎上構成，以在交流阻抗測量的前提下控制燃料電池系統的運行狀況。下面對這點進行詳細描述。現在參考圖3中的流程圖詳細描述由確定單元36執行的根據第一 實施例的交流阻抗測量方法。該交流阻抗測量方法的具體特征為在燃 料電池100的發電穩定之后測量低頻范圍內的交流阻抗。首先，確定是否已設定為執行低頻交流阻抗測量模式(S1)。低頻交 流阻抗測量是在受燃料電池的操作狀況影響的頻段內的交流阻抗測 量，例如10 Hz以下的頻段。當未設定低頻交流阻抗測量模式時(S1: NO)，確定是否切換為交 流阻抗測量模式。首先，由于本發明的第一特征，穩定了燃料電池100 內的發電。更具體地，固定了燃料電池100內牽引電機43和高壓輔助 裝置45的扭矩，以穩定負載條件，并固定供給到燃料電池100的氫氣 氣體和空氣的流率。這樣，穩定了燃料電池的運行狀況，從而固定了 燃料電池100產生的電流(S2)。將此時固定的發電設為固定值Pc。然后，從電池計算機46讀取表示電池40充電狀態的檢測信號 Sscx:(S3)。通過參考檢測信號Sscx:，能夠檢測電池40是否處于適當的 充電區域、過放區域或過充區域內。還參考表示電池40內部溫度的檢 測信號Stl和表示變換器41內部溫度的檢測信號St2。當電池40或變換 器41的內部溫度過高時，從元件保護等的觀點來看，是不適于再產生 任何電流流動的，因此通過參考溫度，可獲系統的電流極限。然后，確定是否將交流阻抗測量模式轉換為開(S4)。首先，確定是否從前一交流阻抗測量經過了固定時間周期T。交 流阻抗用于檢查燃料電池系統的狀況，因此應當設置適當的間隔T，在該間隔T期間，可能在系統狀況中發生變化。然后，確定燃料電池100內的發電是否穩定。穩定的發電表示供 給到燃料電池100的燃料氣體(氫氣氣體、空氣)的狀態保持在固定水平 或者停止，例如，供給到牽引電機43和高壓輔助裝置45的能量主要 來自電池40。做出該確定以防止由于高壓輔助裝置45操作的負載變化 引起燃料電池100產生的電流變化，導致用作交流阻抗測量基礎的電 流檢測信號的幅度(增益)發生變化的情形。注意，除了如上所述，將燃料電池的負載狀況穩定，并固定燃料 氣體供給量之外，還可通過參考電流傳感器47和電壓傳感器48的檢 測信號來確定燃料電池100的輸出功率是否穩定。如果由電流傳感器 47檢測的電流值和由電壓傳感器48檢測的電壓值都在預定變化范圍內 保持至少固定的時間周期，那么可認為燃料電池的發電是穩定的。另外，從電池開始，做出在系統內未出現電流極限的確認。例如， 確定電池40是否處于過放或過充狀態，以及電池40或變換器41的內 部溫度是否過高。這些確定的原因在于，當出現電流極限時，不適于 從電池40增加電力供應，因此牽引電機43和高壓輔助裝置45的驅動 功率必須由燃料電池100的發電來覆蓋。當滿足這些條件時(S4: YES)，交流阻抗測量模式轉換為開(S5)。 如果有任一條件未滿足(S4: NO)，那么處理終止，不將交流阻抗測量 模式轉換為開。另一方面，當交流阻抗測量模式己轉換為開時(S1: YES)，確定是 否保持阻抗測量模式。首先，讀取燃料電池ioo所需的功率(sio)。燃料電池100所需的功率基于作為系統所需功率的加速器開度信號Sa和換檔位置信號Ss 來確定，以獲得當前所需的操作狀況。然后，讀取電池計算機46的檢 測信號Ssoc(Sll)。然后，確定用于繼續交流阻抗測量的條件是否已滿足(S12)。首先，確定交流阻抗測量開始之后所需的功率的變化是否大于預 定閾值Pth。閾值Pth根據每單位時間可從電池40供應的功率量來確定。 該確定的原因在于，當系統所需功率的變化等于或大于固定值時，單 獨通過電池40的功率供應無法滿足功率需求。另外，確認電池和其它系統組件內未出現電流極限。例如，確定 電池40是否處于過放或過充狀況以及電池40或變換器41的內部溫度 是否過高。這些確定的原因在于，當出現電流極限時，不適于從電池 等增加電力供應，因此牽引電機43和高壓輔助裝置45的驅動功率必 須由燃料電池100的發電來覆蓋。這樣，無法進行交流阻抗測量。當形成了這些條件中任意一個時(S12: YES)，暫時不適宜進行交 流阻抗測量，因此交流阻抗測量模式轉換為關(S18)，終止其處理。另一方面，當步驟S12中這些條件都未形成時(S12: NO)，這意味 著系統由單獨從電池40供應的電力來操作，因此使用固定的功率值Pc 來繼續燃料電池100的發電(S13)。當上述準備完成時，繼續交流阻抗測量(S14)。在交流信號的各頻 率檢測電壓檢測信號Se和電流檢測信號Si，檢測的電壓檢測信號和電流檢測信號存儲在存儲裝置37中。該交流阻抗測量方法可構成為每次 程序開始時在新的頻率進行檢測，或者一次在多個頻率進行檢測。當在與測量相關的所有頻率的測量未完成時(S15: NO)，進行下面的測量，并且當所有頻率的測量都完成時(S15: YES)，基于檢測的電 壓檢測信號和電流檢測信號計算低頻交流阻抗(S16)。換句話說，基于電壓分量與電流分量之間的相位差和增益差確定交流阻抗。存儲確定 的交流阻抗，并更新為表示在該頻率當前時間點的內部狀況的參數(S17)。 一旦更新了交流阻抗，那么交流阻抗測量模式就轉換為關(S18)。基于該流程圖的描述為本發明的實例，對處理的細節和順序并沒 有限制。只要在實際的交流阻抗測量開始之前穩定了燃料電池，當系 統所需的功率大或系統內出現電流極限時停止交流阻抗測量，那么就 可根據需要修改本發明。根據上述第一實施例，在交流阻抗測量之前進行燃料電池內發電 的穩定處理，從而消除了交流阻抗測量期間燃料電池發電變化的起因。 因此，可高度精確地測量交流阻抗。同樣根據第一實施例，將燃料電池100發電穩定期間產生的過剩 功率給電池40充電，因此能有效地使用能量。同樣根據第一實施例，通過從電池40放電，補充了燃料電池IOO 發電穩定期間產生的功率不足，因此當測量期間所需的負載功率增大 時，無需停止交流阻抗測量就可跟隨負載變化。同樣根據第一實施例，當超過了通過從電池40放電提供的功率 Pth時，停止交流阻抗測量(S12， S18)，使得能夠響應于諸如加速器的 突然操作的突然負載變化。同樣根據第一實施例，當能充入或從電池40放出的功率等受到限 制時，停止交流阻抗測量(S12， S18)，結果，可提高系統的安全性和耐 用性。(第二實施例)本發明的第二實施例涉及在低輸出操作模式(例如怠速操作)內的 交流阻抗測量方法。圖1的系統方框圖和圖2的功能框圖也將應用到第二實施例的混合燃料電池系統，因此省略其描述。現在基于圖4的流程圖描述根據第二實施例的交流阻抗測量處理。在根據第二實施例的交流阻抗測量期間，當燃料電池為低輸出操 作模式時，在燃料電池的發電量增大預定量之后，測量交流阻抗。該 流程圖涉及用于在燃料電池為低輸出狀態時測量交流阻抗的具體處 理。現在詳細描述該處理。首先，確定是否設定用于進行低輸出交流阻抗測量的模式(S20)。 當未設定低輸出交流阻抗測量模式時(S20: NO)，在確定是否轉換到交 流阻抗測量模式(S21)的前提下穩定燃料電池100的發電。更具體地， 固定燃料電池100內牽引電機43和高壓輔助裝置45的扭矩，以穩定 負載狀況，并固定供給到燃料電池100的氫氣氣體和空氣的流率。這 樣，穩定了燃料電池的運行狀況，結果固定了燃料電池100產生的電 流，使得產生的功率設定為固定值Pc。然后，從電池計算機46讀取表示電池40充電狀態的檢測信號 SS(3C(S22)，以檢測電池40是否處于適當的充電區域、過放區域或過充 區域內。還參考表示電池40內部溫度的檢測信號Su和表示變換器41 內部溫度的檢測信號St2。然后，確定是否將交流阻抗測量模式轉換為開(S23)。首先，確定從前一交流阻抗測量是否經過了固定時間周期T。然 后，確定燃料電池100內的發電是否穩定。另外，從電池開始，做出 在系統內未出現電流極限的確認。這些確定都與第一實施例相同。另外，在該實施例中，確定燃料電池的輸出電流是否小于交流阻抗測量所需的測量電流值Id(S25)。通過測量所施加的交流信號的電壓和電流，并從電流相對于電壓的延遲(提前)的相位和放大水平計算交流 阻抗來測量交流阻抗。因此，如果檢測的電流未達到一定的量級，那 么交流阻抗測量會受誤差和噪聲的影響，使得無法精確地測量交流阻 抗。這里，確定燃料電池是否處于這種低輸出狀態(換句話說，交流阻 抗測量未在運行的正常操作狀態)。當滿足所有這些條件時(S23: YES)，低輸出交流阻抗測量模式轉 換為開(S24)。如果有任一條件未滿足(S23: NO),那么處理終止，不將 交流阻抗測量模式轉換為開。當交流阻抗測量模式己轉換為開時(S20: YES)，確定是否保持阻 抗測量模式。首先，讀取燃料電池100所需的功率(S30)。燃料電池100所需的 功率基于作為系統所需的功率的加速器開度信號Sa和換檔位置信號Ss 來確定，以獲得當前所需的操作狀況。然后，讀取電池計算機46的檢 測信號SS0C(S31)。然后，確定用于繼續交流阻抗測量的條件是否滿足(S32)。首先，確定從燃料電池100所需功率計算的所需電流是否大于交 流阻抗測量電流Id。當從系統所需功率計算的電流量大于測量電流值Id時，單獨通過從電池40的電力供應無法滿足功率需求。可根據功率 值做出其確定，類似于第一實施例，而不是通過比較電流值。另外，類似于第一實施例，確認電池和其它系統組件內未出現電流極限。例如，確定電池40是否處于過放或過充狀況以及電池40或 變換器41的內部溫度是否過高。這些確定的原因在于，當出現電流極 限時，不適于從電池等增加電力供應，因此牽引電機43和高壓輔助裝 置45的驅動功率必須由燃料電池100的發電來覆蓋。這樣，無法進行 交流阻抗測量。當形成了這些條件中任意一個時(S32: YES)，暫時不適宜進行交 流阻抗測量，因此交流阻抗測量模式轉換為關(S38)，終止其處理。另一方面，當步驟S32中這些條件都未形成時(S32: NO)，增加燃 料電池輸出以獲得適于交流阻抗測量的測量電流值Id，并且當在測量 電流值Id下已經產生功率時，保持該狀態(S33)。因此，在穩定的測量 電流值Id下持續燃料電池100內的發電。然后，執行交流阻抗測量(S34)。在交流信號的各頻率下檢測電壓 檢測信號Se和電流檢測信號Si，檢測的電壓檢測信號和電流檢測信號 存儲在存儲裝置37中。該交流阻抗測量方法可構成為每次程序開始時 在新的頻率進行檢測，或者一次在多個頻率進行檢測。當在與測量相關的所有頻率的測量未完成時(S35: NO)，進行下面 的測量，當所有頻率的測量都完成時(S35: YES)，基于檢測的電壓檢 測信號和電流檢測信號計算低頻交流阻抗(S36)。換句話說，基于電壓 分量與電流分量之間的相位差和增益差確定交流阻抗。存儲確定的交流阻抗，并更新為表示在該頻率當前時間點的內部狀況的參數(S37)。 一旦更新了交流阻抗，那么交流阻抗測量模式就轉換為關(S38)。基于該流程圖的描述為本發明的實例，對處理的細節和順序并沒 有限制。只要在實際的交流阻抗測量開始之前穩定了燃料電池，當系 統所需的功率大或系統內出現電流極限時停止交流阻抗測量，和當系 統所需的功率小時增大燃料電池的輸出電流，那么就可根據需要修改 本發明。根據上述第二實施例，除了與第一實施例所具有的那些相類似的 作用和效果之外，當設定為低輸出操作模式時，在增大發電量之后開 始測量，因此可高度精確地測量交流阻抗。(其它實施例)除了上述實施例之外，本發明還可進行各種修改。例如，在上述實施例中，本發明是應用到交流阻抗測量，但是本 發明的概念還可應用到根據負載裝置(例如高壓輔助裝置)的操作檢測 變化的物理值的情形。換句話說，在測量物理值之前，可通過控制負 載裝置的運行狀況來穩定燃料電池的輸出，以應用本發明。在上述實施例中，將作為移動體的車輛內安裝的混合燃料電池系 統用作實例，但是本發明不限于安裝在汽車內的燃料電池系統，還可 應用到安裝在其它移動體內的混合燃料電池系統，例如船舶或飛行器。 不用說，本發明還可應用到靜止的混合燃料電池系統中。根據本發明，在燃料電池內的發電設定為穩定狀態之后測量交流 阻抗。因此，在測量期間不會發生外界干擾，可高度精確地測量交流 阻抗。
權利要求
1.一種燃料電池系統，所述燃料電池系統能夠測量燃料電池內的交流阻抗，所述燃料電池系統包括發電穩定裝置，用于將所述燃料電池內的發電保持在穩定狀態；以及阻抗測量裝置，用于當檢測到所述燃料電池內的所述發電處于所述穩定狀態時測量所述交流阻抗。
2. 如權利要求l所述的燃料電池系統，其特征在于，所述發電穩 定裝置將所述燃料電池的發電電流保持在恒定水平。
3. 如權利要求1或2所述的燃料電池系統，其特征在于，所述發 電穩定裝置包括蓄電裝置，該蓄電裝置電連接到所述燃料電池；以及 功率控制裝置，用于控制所述燃料電池與所述蓄電裝置之間的功 率傳遞，使得所述燃料電池的輸出穩定。
4. 如權利要求1或2所述的燃料電池系統，其特征在于，所述發 電穩定裝置包括蓄電裝置，該蓄電裝置電連接到所述燃料電池；以及 功率控制裝置，用于通過從所述蓄電裝置放電來補償由穩定所述燃料電池的輸出而引起的功率不足。
5. 如權利要求4所述的燃料電池系統，其特征在于，當所述功率 不足超過通過從所述蓄電裝置放電而提供的補償功率時，所述阻抗測 量裝置停止測量所述交流阻抗。
6. 如權利要求3至5中任意一項所述的燃料電池系統，其特征在 于，當能向所述蓄電裝置充電或從所述蓄電裝置放電的功率受到限制時，所述阻抗測量裝置停止測量所述交流阻抗。
7. 如權利要求1至6中任意一項所述的燃料電池系統，其特征在 于，當所述燃料電池處于低輸出運行模式時，在將所述燃料電池的發 電量增大預定量之后，測量所述交流阻抗。
8. —種交流阻抗測量方法，包括下列步驟 將燃料電池內的發電保持在穩定狀態；以及在穩定了所述燃料電池內的所述發電之后，測量所述交流阻抗。
9. 一種燃料電池系統，包括 燃料電池；功率檢測裝置，用于檢測所述燃料電池的輸出功率； 交流阻抗測量裝置，用于基于所述燃料電池的所述輸出電壓來測 量交流阻抗；燃料氣體供給裝置，用于向所述燃料電池供給燃料氣體； 氧化氣體供給裝置，用于向所述燃料電池供給氧化氣體； 負載裝置，用于消耗來自所述燃料電池或所述蓄電裝置的功率；以及控制裝置，用于控制所述燃料氣體和所述氧化氣體向所述燃料電 池的供給和所述負載裝置的運行，其特征在于，所述控制裝置將通過所述燃料氣體供給裝置的所述 燃料氣體的供給、通過所述氧化氣體供給裝置的所述氧化氣體的供給、 以及所述負載裝置的運行保持在穩定狀態，使用所述功率檢測裝置檢測所述燃料電池的所述輸出功率，并且當所述檢測的輸出功率穩定時，使用所述交流阻抗測量裝置測量 所述交流阻抗。
10. 如權利要求9所述的燃料電池系統，還包括 蓄電裝置，該蓄電裝置電連接到所述燃料電池；以及功率控制裝置，用于控制所述燃料電池與所述蓄電裝置之間的功 率傳遞，其特征在于，所述控制裝置構成為能夠控制傳遞到所述蓄電裝置 或者從所述蓄電裝置傳遞的功率，并且當所述燃料電池的所述輸出功率穩定時，所述控制裝置(a) 當所述燃料電池的所述輸出功率過多時，控制所述功率控制裝 置以將過剩功率充入所述蓄電裝置；并且(b) 當所述燃料電池的所述輸出功率不足時，控制所述功率控制裝 置以使所述蓄電裝置補償功率不足。
全文摘要
一種能夠測量交流阻抗的燃料電池系統，包括發電穩定裝置(103)，用于穩定燃料電池(100)內的發電；以及阻抗測量裝置(104)，用于在燃料電池內的發電穩定之后測量交流阻抗。由于在燃料電池(100)的發電穩定之后測量低頻范圍的交流阻抗，所以在測量期間不會發生外部干擾，并且可高度精確地測量交流阻抗。因此，提供了可高度精確地測量交流阻抗的燃料電池系統和測量方法。
文檔編號H01M8/04GK101218704SQ20068002474
公開日2008年7月9日 申請日期2006年7月4日 優先權日2005年7月5日
發明者真鍋晃太, 繁雅裕 申請人:豐田自動車株式會社