JP4956348B2 - 大きな不要信号の存在下で燃料電池高周波抵抗を測定する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム内の動作パラメータ測定の方法に関する。より詳細には、本発明は、燃料電池高周波抵抗を測定する方法及び装置を対象とする。

高周波抵抗は、周知の且つ広く立証された燃料電池の特性である。励振電流周波数の特定の帯域内において燃料電池の高周波抵抗を測定することによって、プロトン交換膜の加湿状態を評価することができる。燃料電池のプロトン交換膜の高周波抵抗は、典型的には、５００Ｈｚから１５００Ｈｚの間の単一周波数で測定される。

高周波抵抗を測定する従来の方法は、まず、対象となっている周波数（通常１０００Ｈｚ）の交流電流を燃料電池又はスタックを通して誘導することから開始する。次に、燃料電池又はスタックを通って流れる実際の電流リップルと、流れた交流電流によって電池又はスタックに誘起した電圧リップルとを計測器が測定する。これらの信号は計測器によってフィルタリングされ、増幅される。次いで計測器は、電圧リップル波形の振幅値を電流リップル波形の振幅値で割ることによって高周波抵抗を算出する。オームの法則にしたがって、得られた値は抵抗であり、さらに、この値をスタックにおける電池の数又は燃料電池膜の作用面積によってスケーリングして、その膜の単位面積当たりの抵抗を得ることができる。

電動車の高電圧配電システムなど、ノイズのある電気的環境では、誘導されたリップル電流及び結果として生じたリップル電圧に加えて、別の大きな交流電流リップルが存在し得る。これらの大きな不要信号は永続的に単一周波数で存在したり、車両速度、エンジン負荷又は他の要因に応じて様々な周波数成分を有したりする。

このような大きな不要信号の存在は、従来の単一周波数の高周波抵抗測定システムにとって問題となり得る。たとえば、誘導されたリップル電流が約０．３Ａであり、大きな不要信号が同じ周波数で１００Ａである場合、信号チェーンの飽和を防止するには７０ｄＢより大きいダイナミック・レンジを備えた回路が実現されなければならない。

１つ又は複数の大きな不要信号の存在下での飽和を妨げる、妥当なダイナミック・レンジを備えた高周波抵抗測定器を製作することが望ましい。さらに、１つの大きな不要信号の存在下での信号チェーン飽和にもかかわらず測定能力を維持するように、周波数の異なる複数の誘導交流電流に利用することができる高周波抵抗計測器を製造することが望ましい。

本発明によれば、妥当なダイナミック・レンジを備え、大きな不要信号の存在下での信号チェーン飽和にもかかわらず測定能力を維持するように、異なる周波数の複数の交流電流を利用することができる高周波抵抗測定器が発見された。

一つの実施の形態においては、燃料電池システムでの高周波抵抗の測定方法は、燃料電池スタックを提供するステップと、マイクロコントローラを提供するステップと、少なくとも１つの励振信号を燃料電池スタックに誘導するステップと、マイクロコントローラを使用して燃料電池スタックの不要信号の存在を決定するステップと、許容可能な不要信号レベルを持つ周波数で励振信号の関数として高周波抵抗を決定するステップとを含む。

別の実施の形態では、燃料電池システムでの高周波抵抗の測定方法は、燃料電池スタックを提供するステップと、マイクロコントローラを提供するステップと、予想される不要信号の総数よりチャネルの総数が少なくとも１だけ大きい複数のチャネルを提供するステップと、各チャネルを別個の一定周波数に同調させるステップと、状態の数を決定するステップと、各状態の期間に少なくとも１つのチャネルを非アクティブ・チャネルとして、残りのチャネルをアクティブ・チャネルとして指定するステップと、各状態の期間にアクティブ・チャネルの周波数で少なくとも１つの励振信号を燃料電池に誘導するステップと、マイクロコントローラを使用してチャネルの出力をサンプリングするステップと、その出力の妥当性を評価するステップと、燃料電池システムの高周波抵抗値を計算するステップと、その高周波抵抗値を出力するステップとを含む。

もう１つの実施の形態において、燃料電池システムでの高周波抵抗を測定する装置は、マイクロコントローラと、このマイクロコントローラに電子的に連結された少なくとも１つのチャネルと、各チャネルに電子的に連結された周波数同調装置とを含む。

以下の詳細な説明及び添付の図面は、本発明の様々な例示的な実施の形態を説明し、図示するものである。この説明及び図面は当業者が本発明を製作して使用できるようにするのに役立つが、本発明の範囲をどのようにも限定するものではない。開示された方法に関し、提示された諸ステップは本質的に例示であり、したがって各ステップの順番は必然的でも決定的でもない。

図１は、並列及び／又は直列に電気的に接続された複数の個別の燃料電池からなる燃料電池スタック１０を示す。様々な種類の燃料電池システムの動作は当該技術分野で一般に知られており、本願の権利者が所有する米国特許第６，８４９，３５２号に一つの実施の形態を見出すことができ、同特許の全体を参照により本明細書に援用する。したがって、本明細書では本発明に関係する燃料電池システムの動作のみを説明する。

本明細書に示される実施の形態では、高周波抵抗測定システムは、総数が（Ｎ＋１）の高周波測定チャネル５５を含む。ここで、Ｎは、遭遇することが設計者により予測される別個の不要信号の数である。図１では、Ｎは２に等しいと仮定されているが、理解されるように、それより多い又は少ない信号が存在し得る。各高周波測定チャネル５５は個別の電流信号チェーン４２及び電圧信号チェーン６４を含む。さらに、設けられるチャネルの数は、本発明の範囲から逸脱することなく異なってもよい。

交流電流センサ１１は、燃料電池スタック１０と連結された電流変換器１２を含む。電流変換器１２には、増幅器１６が電気結線１４を介して連結される。電気結線は、たとえば絶縁電線など、従来の任意の電気的接続の手段でよい。増幅器１６に搬送波阻止フィルタ２０が電気結線１８を介して連結される。

搬送波阻止フィルタ２０は、電気結線２２を介して共通飽和検出回路８４のピーク検出器８８に接続される。
搬送波阻止フィルタ２０は、電気結線２２を介して第１積分器フィルタ２４、第２積分器フィルタ２６及び第３積分器フィルタ２８に接続される。第１積分器フィルタ２４は、第１高周波抵抗測定チャネル５７において電気結線２５を介して第１積分回路３０に連結される。第２積分器フィルタ２６は、第２高周波抵抗測定チャネル５９において電気結線２７を介して積分回路３２に連結される。第３積分器フィルタ２８は、第３高周波抵抗測定チャネル５３において電気結線２９を介して積分回路３４に連結される。積分器フィルタ２４、２６、２８の同調周波数は高周波測定チャネル５３、５９、５７の同調周波数と一致する。

第１高周波抵抗測定チャネル５７の電流信号チェーン４２において、フィルタ４４が電気結線３６を介して積分器回路３０に連結される。電気結線４５はフィルタ４４を検出回路５０に接続する。第２高周波抵抗測定チャネル５９の電流信号チェーン４２において、積分器回路３２が電気結線３８を介してフィルタ４６に連結される。検出回路５２が電気結線４７を介してフィルタ４６に連結される。第３高周波抵抗測定チャネル５３の電流信号チェーン４２において、積分器回路３４が電気結線４０を介してフィルタ４８に連結される。電気結線４９はフィルタ４８を検出回路５４に連結する。

アナログ−デジタル変換器１０６が電気結線９４を介して検出回路５０に連結される。電気結線９６を介して検出回路５２がアナログーデジタル変換器１０６に電気的に連結される。電気結線９８を介して検出回路５４がアナログーデジタル変換器１０６に連結される。アナログーデジタル変換器１０６はマイクロコントローラ１０８に含まれる。

燃料電池スタック１０は安全分離バリヤ回路５６に電気的に接続される。安全分離バリヤ回路５６は電気結線５８を介して搬送波阻止フィルタ６０に電気的に連結される。搬送波阻止フィルタ６０は電気結線６２を介して共通飽和検出回路８４のピーク検出器８６に連結される。検出器８６は電気結線９０を介して変換器１０６に連結され、検出器８８は電気結線９２を介して変換器１０６に連結される
搬送波阻止フィルタ６０は、第１高周波抵抗測定チャネル５７の電圧信号チェーン６４においてフィルタ６６に連結される。搬送波阻止フィルタ６０は、第２高周波抵抗測定チャネル５９の電圧信号チェーン６４においてフィルタ６８に連結される。搬送波阻止フィルタ６０は、第３高周波抵抗測定チャネル５３の電圧信号チェーン６４においてフィルタ７０に連結される。

電気結線７２がフィルタ６６を検出回路７８に連結する。フィルタ６８は電気結線７４を介して検出回路８０に連結される。電気結線７６はフィルタ７０を検出回路８２に連結する。

検出回路７８、８０、８２は、それぞれ電気結線１０４、１０２、１００を介してアナログ−デジタル変換器１０６に連結される。
動作において、燃料電池スタック１０は、当該技術分野で一般に知られた方法で電流及び電圧を発生する。リップル電流を含み且つリップル電圧を生じさせる励振信号が、燃料電池スタック１０において誘導される。この励振信号は、燃料電池スタック１０の端電池ヒータ（図示せず）を使用して生成される。端電池ヒータの出力は、パルス幅変調を使用して調整される。リップル電流の周波数は、パルス幅変調の搬送周波数を制御することによって変えられる。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、励振信号を誘導する他の発生源を使用することができる。

交流電流センサ１１は、燃料電池スタック１０を流れる交流電流を電流変換器１２によって測定する。電流変換器１２は、電流の大きさを、燃料電池スタック１０を通る電流の流れに比例する電圧信号に変換する。この電圧信号は増幅器１６によって増幅され、搬送波阻止フィルタ２０によってフィルタリングされる。

電流変換器１２の中には、大きな不要信号の存在下で飽和する可能性がある積分器回路１３を必要とするものがある。したがって、交流電流センサ積分器１１は、各高周波測定チャネル５５のための別個の積分器フィルタ２４、２６、２８を含むことができる。積分器フィルタ２４、２６、２８は、個々の高周波測定チャネル５５の同調周波数と一致する周波数に同調されている。

高周波測定チャネル５５は、電流信号チェーン４２上にフィルタ４４、４６、４８を含み、対応する周波数に同調された電圧信号チェーン６４上にフィルタ６６、６８、７０を含む。各高周波測定チャネル５５の周波数は、一定周波数の既知の不要信号を回避するように調整される。フィルタ４４、４６、４８、６６、６８、７０は、大きな不要信号の周波数と同調周波数が合致する高周波測定チャネル５５の飽和を許容しながら、近傍の大きな不要信号に各個の電圧信号チェーン６４及び電流信号チェーン４２がさらされることを制限する。大きな不要信号が存在し、それによって１つの高周波測定チャネル５５を飽和させる場合、隣接の高周波測定チャネル５５上の各フィルタは不要信号を十分に減衰させるので、誘導されたリップル電流は飽和することなく再生される。さらに、理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、当該技術分野で知られた様々な形式の周波数同調デバイスを使用することができる。

電流信号チェーン４２は、交流電流センサ１１から電圧信号を受け取るとともに、高周波測定チャネル５５の電流測定調整部分になっている。電流信号チェーン４２は、フィルタ４４、４６、４８が同調している所定の周波数の電流を検出回路５０、５２、５４によって測定する。また、電流信号チェーン４２は測定値をマイクロコントローラ１０８への出力信号として調整する。

安全分離バリヤ回路５６は、燃料電池スタック１０の両端間に発生する電圧が人又は接続される機器に危険を及ぼすのに十分であるならば、高周波測定装置に使用される。安全分離バリヤ回路５６は、システムの高電圧部分と低電圧部分との間の電気的分離を行う。搬送波阻止フィルタ６０は、安全分離バリヤ回路５６を介して燃料電池スタック１０から受け取った電圧から該当周波数をフィルタリングする。

電圧信号チェーン６４は、搬送波阻止フィルタ６０から電圧信号を受け取るとともに、高周波測定チャネル５５の電圧測定調整の部分になっている。電圧信号チェーン６４は、フィルタ６６、６８、７０が同調している所定の周波数の電圧を検出回路７８、８０、８２によって測定する。また、電圧信号チェーンは測定値を出力信号として調整する。

次に図２を参照すると、マイクロコントローラ１０８は、最も正確な高周波測定値の選択を補強する状態機械として動作する。マイクロコントローラ１０８は、電圧信号チェーン６４及び電流信号チェーン４２の各高周波測定チャネル５５の出力を連続的にサンプリングする。実施される状態の数は、高周波測定チャネル５５の総数と、同時に励振されることのできる高周波測定チャネル５５の総数とによって決まる。

各状態１２０、１２８、１３４において、励振信号が、高周波測定チャネル５５の周波数のうちの１つのみを除く全周波数において燃料電池スタック１０に注入される。電流リップルが励振される高周波測定チャネル５５はアクティブ・チャネルと呼ばれ、その他のチャネルは非アクティブ・チャネルと呼ばれる。

マイクロコントローラ１０８は、ステップ１２２、１３０、１３８において、各アクティブ・チャネル上のそれぞれの電圧リップル及び電流リップルの測定値の妥当性を評価し、大きな不要信号が高周波測定チャネル・センサを飽和させているかどうかを決定する。マイクロコントローラ１０８が飽和を検出していない場合、高周波測定チャネルの高周波測定値がステップ１２４、１３２、１４０で計算され、マイクロコントローラは最良の測定値を選択してステップ１２６、１３６、１４２で電気信号として出力する。また、マイクロコントローラは、励振されないチャネルに、意図的な励振のない状態で何らかの電圧又は電流が存在するかどうかを調べる。非励振リップルが少ないチャネルについて行われた測定は、その後の状態で行われた測定において妥当性が大きいと考えられる。飽和又は高レベルの非励振リップルを示す高周波測定チャネルは、その後の状態において妥当性がより小さいと考えられる。マイクロコントローラ１０８は、妥当性アルゴリズムに依存して、各状態において単一又は複数の高周波測定値を出力することができる。また、マイクロコントローラ１０８は、高周波出力測定値が取得された周波数を出力することができる。マイクロコントローラ１０８は全ての状態を通って循環した後、１４４により最初の状態１２０に戻る。

別の実施の形態では、高周波測定装置は、少なくとも１つの高周波測定チャネル５５を使用して実現される。マイクロコントローラ１０８は、図３に示すように、所望の周波数１５３を得るよう所定の測定範囲１５１を連続的に走査する。図５に示すように、マイクロコントローラ１０８は「開始」１６６から始めて１６８で第１の測定チャネルで走査してから、非励振リップルが最小であり飽和不要信号が存在しない周波数を１７０で見出す。マイクロコントローラ１０８が最小値を見出すことなく全ての測定値を調べ終わった場合（１７２のＹ）、マイクロコントローラ１０８は１７４に分岐し、１８０で無効信号が返される。マイクロコントローラ１０８が最小値を見出すことなく全ての測定値を調べ終わってはいない場合（１７２のＮ）、マイクロコントローラ１０８は１７６に分岐し、１７８で最小値が返される。図４では、開始１５０から図５のサブルーチンがステップ１５２で実行され、ステップ１５４において、高周波抵抗励振を、１７８で返された最小値によって決定された所望の周波数１５３に設定する。マイクロコントローラ１０８は１５６において、１つの測定チャネルに対する高周波抵抗を所望の周波数１５３で測定する。マイクロコントローラ１０８は、所望の周波数１５３での高周波抵抗を、第１の高周波測定チャネル又は第２の高周波測定チャネルを使用して測定することができる。図５のサブルーチンはステップ１５８で実行され、１６０において現在の周波数が最良の周波数と比較される。この方法は、現在の周波数が最良の周波数である場合（１６０のＹ）には１６２でステップ１５６へ分岐し、そうでない場合（１６０のＮ）には１６４でステップ１５４へ分岐する。

もう１つの実施の形態では、高周波測定装置は、図６に示した所定の測定範囲１９２の中心周波数１９０に配置された単一の高周波測定チャネル５５を使用して実現される。マイクロコントローラ１０８は図７のステップ１９４において、中心周波数１９０でのノイズを測定する。マイクロコントローラ１０８は、ノイズ・レベルが飽和レベル未満の場合（１９６のＹ）には、ステップ１９８において中心周波数１９０での高周波抵抗を測定する。

中心周波数でのノイズが飽和レベル未満ではない場合（１９６のＮ）には、マイクロコントローラ１０８は、高周波測定チャネル５５の周波数を中心周波数１９０の上下に或る等しい変調距離Δだけ変調する。変調距離はステップ２０２で最小値に設定され、２０４においてマイクロコントローラ１０８は中心周波数１９０±変調距離Δでのノイズを測定する。変調距離が最大値になっていない場合（２０８のＮ）、マイクロコントローラは変調距離Δをステップ２０６で増大させる。変調距離が最大であるならば、システムはステップ２１６でエラーを報告し、ステップ２１８で再始動する。

高周波測定装置は励振信号を誘導し、ノイズが飽和レベル未満の場合（２１０のＹ）には、ステップ２１２で変調周波数において高周波抵抗を測定し、次いで２１４で再始動する。ステップ２００は測定期間のみ励振を作動させる。

以上の説明により当業者は、本発明の本質的な特性を容易に確認することができ、また、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な使用法及び条件に適合するように本発明に様々な変更及び改変を加えることができる。

本発明の一つの実施の形態による、燃料電池高周波抵抗の測定装置の概略図である。 図１の燃料電池高周波抵抗の測定装置を制御する方法を示す流れ図である。 車両運転期間の周波数に対するノイズ・フロアと、車両運転期間のリップル・ノイズとを示すグラフである。 本発明の別の実施の形態による、燃料電池高周波抵抗の測定装置を制御する方法を示す流れ図である。 図４の燃料電池高周波抵抗の測定装置を制御する方法のサブルーチンを示す流れ図である。 本発明の第３の実施の形態での、車両運転期間の周波数に対するノイズ・フロアと、車両運転期間のリップル・ノイズとを示すグラフである。 本発明の第３の実施の形態による、燃料電池高周波抵抗の測定装置を制御する方法を示す流れ図である。

Claims (11)

1. 燃料電池システムにおける高周波抵抗を測定するためにマイクロコントローラによって実施される方法であって、
   （ａ）高周波測定チャネルを中心周波数に同調させるステップと、
   （ｂ）不要信号により前記高周波測定チャネルが飽和されるのを回避するよう、前記高周波測定チャネルの周波数を変調するステップと、
   （ｃ）前記の変調された高周波測定チャネルでの信号レベルを測定して、該変調された高周波測定チャネルが許容可能な信号レベルを有するかどうかを決定するステップと、
   （ｄ）前記変調された高周波測定チャネルが許容可能な信号レベルを持つときに励振信号の関数として前記高周波抵抗を計算するステップと、
   を含む方法。
2. 前記中心周波数からの変調距離を、該変調距離が最大になるまで増大させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記変調されている周波数で前記励振信号を前記燃料電池に生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 複数の高周波測定チャネルを用いて燃料電池における高周波抵抗を測定するために状態機械として動作するマイクロコントローラによって実施される方法であって、前記高周波測定チャネルの総数が、予測される不要信号の総数よりも少なくとも１だけ大きい方法において、
   （ａ）それぞれの前記高周波測定チャネルを別個の一定周波数に同調させるステップと、
   （ｂ）状態機械としての前記マイクロコントローラによって実現される状態の数を決定するステップであって、前記状態の数が、前記高周波測定チャネルの総数と、同時に励振されることができる高周波測定チャネルの総数とに依存するステップと、
   （ｃ）それぞれの前記状態の期間に、少なくとも１つの高周波測定チャネルを非アクティブ・チャネルとして指定し、残りの高周波測定チャネルをアクティブ・チャネルとして指定するステップと、
   （ｄ）それぞれの前記状態の期間に、少なくとも１つの励振信号を前記燃料電池に前記アクティブ・チャネルの周波数で誘導するステップと、
   （ｅ）前記高周波測定チャネルの出力をサンプリングするステップと、
   （ｆ）サンプリングされた前記出力の妥当性を評価して、それぞれの前記高周波測定チャネルが飽和しているかどうかを決定するステップと、
   （ｇ）妥当な出力を有する少なくとも１つの前記高周波測定チャネルから、前記燃料電池システムの高周波抵抗値を計算するステップと、
   （ｈ）少なくとも１つの計算された高周波抵抗値を出力するステップと、
   を含む方法。
5. 既知の一定周波数の不要信号による飽和を回避するように前記高周波電圧測定チャネルを同調させることによって前記ステップ（ｄ）を実行するステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 意図的な励振信号がない状態で、電圧リップル又は電流リップルについて前記非アクティブ・チャネルを評価することによって前記ステップ（ｈ）を実行するステップを含む、請求項４に記載の方法。
7. 前記高周波抵抗値が計算されたときの周波数を出力するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
8. 燃料電池システムにおける高周波抵抗を測定する装置において、
   前記燃料電池システムに加えられる励振信号に応答して電圧信号を生成する高周波電圧測定チャネルであって、所定の周波数に同調され、それによって該高周波電圧測定チャネルが不要信号によって飽和されることを回避する高周波電圧測定チャネルと、
   前記燃料電池システムに加えられる前記励振信号に応答して電流信号を生成する高周波電流測定チャネルであって、前記所定の周波数に同調され、それによって該高周波電圧測定チャネルが不要信号によって飽和されることを回避する高周波電流測定チャネルと、
   前記電圧信号及び前記電流信号に応答して高周波抵抗値を計算するマイクロコントローラと、
   を備える装置。
9. 前記所定の周波数が前記マイクロコントローラによって調整可能である、請求項８に記載の装置。
10. 前記高周波電圧測定チャネルの数が、予想される不要信号の数よりも１だけ大きい、請求項８に記載の装置。
11. 前記高周波電圧測定チャネルと同じ数の前記高周波電流測定チャネルを含む、請求項１０に記載の装置。

Images