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JP4904729B2 - セル電圧測定装置及び燃料電池 - Google Patents
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JP4904729B2 - セル電圧測定装置及び燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池等の複数セルが直列接続された組電池を構成するセルまたはセル群の電圧を検出するセル電圧検出装置に係り、特に組電池とセル電圧検出装置間の接続線の断線または接続不良を容易に検出できるセル電圧検出装置及びこれを備えた燃料電池に関する。
従来の組電池のセル電圧検出装置として、組電池を構成するセルの両端子のそれぞれに接続される検出端子を有し、検出端子間をスイッチング素子及び抵抗を介して所定時間短絡させ、短絡時と非短絡時の出力電圧を比較することにより、電池セルとセル電圧検出装置間の断線・接触不良などを検出する技術が知られている(例えば特許文献1)。
また従来のセル電圧検出装置の故障診断技術として、燃料電池のセル電圧を検出し、そのセル電圧が所定値以下であるときには燃料電池の出力電流を制限し、開放電圧の状態においてもなおセル電圧が所定値以下である場合には、セル電圧検出装置の故障と診断する技術が知られている(特許文献2)。
特開2001−157367号公報(第6頁、図1) 特開2004−178899号公報(第4頁、図1)
しかしながら、上記特許文献1に記載の装置では、電圧入力端子間にそれぞれトランジスタと検出抵抗を有するため回路構成が複雑となるという問題点があった。またトランジスタの故障を検出することができないという問題点があった。
また上記特許文献2に記載の装置では、故障を検出するために燃料電池の出力電流に制限を掛ける必要があり、車両走行時などの出力電流が高い状態が続くような場合には故障を検出することができないという問題点があった。
上記問題点を解決するために、本発明は、複数のセルが直列に接続して構成される組電池のセル電圧を測定するセル電圧測定装置において、前記セル毎または複数セルが直列接続されたセル群毎の電圧が入力される複数の入力端子と、前記入力端子間の電圧を測定する複数の電圧測定回路と、前記電圧測定回路が測定した電圧値に基づいて、前記組電池と前記入力端子との接続の良否及び前記セル毎または前記セル群毎の良否の判断を行う診断装置と、セル電圧測定装置の接地電位となる入力端子と他の入力端子間を接続する断線検出抵抗を含む前記入力端子間を接続する少なくとも1つの断線検出抵抗と、を備え、前記診断装置に入力される全ての測定電圧値の平均値または一部の測定電圧値の平均値を前記診断装置が演算し、前記電圧測定回路から出力される隣り合う2つのセルまたはセル群の測定電圧値の一方が前記平均値に所定係数乗じた値より大きいときに、接続線の断線または接触不良と診断することを要旨とする。
本発明によれば、燃料電池セルまたはセル群の端子とセル電圧測定装置の入力端子とを接続する接続線の断線または接触不良を簡易な回路構成により検出することができるという効果がある。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下の実施例は、燃料電池スタックのセル電圧を測定するセル電圧測定装置の実施例であるが、本発明に係るセル電圧測定装置は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の2次電池の組電池に適用可能であることは言うまでもない。
図1(a)は本発明に係るセル電圧検出装置の実施例1の構成を説明する概略構成図、図1(b)は実施例1における電圧測定回路の詳細を説明する回路図である。実施例1において、断線検出抵抗は、セル電圧測定装置の接地電位となる入力端子と他の入力端子間を接続する断線検出抵抗であることを特徴とする。
セル電圧の測定対象である燃料電池スタック1は、総数ns の燃料電池セルまたは燃料電池セル群を有している。燃料電池スタック1における符号を以下のように定義する。ci(i=1〜ns):燃料電池セルまたは複数の燃料電池セルからなるセル群、ei(i=1〜ns):燃料電池セルまたは燃料電池セル群の電圧値、pi(i=0〜ns):燃料電池セルまたは燃料電池セル群の端子。
燃料電池スタック1と、セル電圧測定装置2とは、接続線li(i=0〜ns)で接続されている。
セル電圧測定装置2は、入力端子ti(i=0〜ns)、断線検出抵抗Ra10 、電圧測定回路Di(i=1〜ns)、診断装置3を備えている。電圧測定回路Di(i=1〜ns)は、それぞれ出力電圧値Vi(i=1〜ns)を診断装置3へ出力する。
また、図1(b)に示すように、それぞれの電圧測定回路Di(i=1〜ns)は、演算増幅器(オペアンプ)OPi(i=1〜ns)と抵抗Rij(i=1〜ns,j=1〜5)により構成された差動増幅器であり、+V及び−Vの電源電圧が供給されている。図1(a)、(b)に共通に、回路の基準電位は、グランドGND である。ここで、電圧測定回路Di(i=1〜ns)に用いる抵抗Rij(i=1〜ns,j=1〜5)の抵抗値、及び演算増幅器OPi(i=1〜ns)の入力インピーダンスは、以下に説明する全ての断線検出抵抗の抵抗値より十分大きい値とする。言い換えれば、断線検出抵抗に流れる電流に比べて、電圧測定回路Di(i=1〜ns)の入力に出入りする電流は無視できる程度に小さいものとする。
燃料電池セルの電圧値ei は、接続線li から入力端子ti に接続されセル電圧測定装置2へ入力される。入力された燃料電池セルの電圧値ei は、電圧測定回路Di によりグランドGND を基準電位とした出力電圧値Vi として出力される。
ここで電圧測定回路Di は、その2つの入力端子間の電圧差と等しい出力電圧値Vi が出力されるような抵抗器Rijの抵抗値が決められてる。またグランドGND は接続線li を介して燃料電池スタック1中の端子pi に接続され、セル電圧測定装置2のグランドGND と等電位となる。
燃料電池スタック1の各セルまたはセル群の電圧は、接続線li を介して電圧測定回路Di へ入力され、それぞれの電圧測定回路Di から出力電圧値Vi が診断装置3へ出力される。診断装置3は、電圧Vi の総平均値または複数の電圧Vi の平均値であるVave を算出し、この平均値Vave と入力電圧Vi とに基づいて、接続線li の接続状態が正常か断線かを判断する。
ここで図2で示すように基準電位のグランドGND と等電位である接続線li より電位の高い側の接続線lk が断線したとき、図3(a)で示すような正常時の電圧出力から、セルck+1 およびck の出力電圧Vk+1 およびVk が図3(b)に示すように本来のセル電圧値ek およびek+1 からかけ離れ、
Vk ≒ 0 …式(1)
Vk+1 ≒Σej=ei+1 +ei+2 +,・・・,+ek +ek+1 …式(2)
で表現される。
また図2で示すように基準電位のグランドGND と等電位である接続線li より電位の低い側の接続線lm が断線したとき、図4(a)で示すように正常時の電圧出力からセルcm+1 およびcm の出力電圧Vm+1 およびVm が図4(b)に示すよう本来のセル電圧値em およびem+1 からかけ離れ、
Vm ≒Σej =em + em+1 +,・・・,+ei-1 +ei …式(3)
Vm+1 ≒ 0 …式(4)
で表現される。
図5は、比較例を説明する図であり、(a)断線検出抵抗を備えないセル電圧検出装置の構成、(b)比較例の正常時の電圧測定回路の出力電圧、(c)比較例の断線時の電圧測定回路の出力電圧をそれぞれ示す。尚、図5における符号は、図1と同様である。
図5(a)に示すように基準電位のグランドGND と等電位である接続線li が断線したとき、セル電圧測定装置2の基準電位のグランドGND と等電位となるべき燃料電池スタック1の中の端子pi の電位が接続線li の断線により不定となる。
このとき、電圧Vi およびVi+1 が図5(b)で示すような正常時の電圧出力から図5(c)に示すように真の電圧値ei およびei+1 に近い値を出力することがある。
そこで本実施例1では、図1(a)に示すように、入力端子ti とti+1 とを断線検出抵抗Ra10 を介して接続する構成とする。
これにより、図6(a)に示すように接続線li が断線したときには、入力端子ti が燃料電池スタック1の端子pi+1 とほぼ等電位となる。これにより、図6(b)で示すような正常時の電圧出力から、セルci およびci+1 に対する電圧測定回路の出力電圧Vi およびVi+1 が図6(c)で示す断線時の電圧
Vi ≒ei +ei+1 …式(5)
Vi+1 ≒ 0 …式(6)
で表現されるような電圧を出力させることができる。これら出力電圧Vi およびVi+1 の変化に基づいて診断装置3は、接続線li が断線したことを容易に検出することができる。
ここでセル電圧測定装置2で測定された電圧値について、
Vj > Vave ×k0 …式(7)
Vj+1 > Vave ×k0 …式(8)
式(7)または式(8)を満足する電圧値があるときには、接続線lj が断線していると判断する。
式(7)、(8)において、k0は1<k0<2を満足する値、Vave は、式(9)で算出されるセル電圧またはセル群電圧の平均値である。
Vave =ΣVj/ns …式(9)
ここで、ΣVj:セルまたはセル群電圧の総和、ns:セルまたはセル群の数である。
またセル電圧の平均値Vave は、燃料電池スタック1の全てのセルまたはセル群の平均電圧値ではなく、2つ以上のセルまたはセル群の平均電圧値であってもよい。
図7は、実施例1において接続線li+1 が断線したことを示す図である。このとき、入力端子ti とti+1 との間のセル電圧を検出する電圧測定回路Di+1 の入力電圧は、ほぼ0[V]となり、容易に接続線li+1 が断線したことを判断できる。
次に、一つの入力端子に2つの断線検出抵抗を接続する際の留意点について説明する。図8は、同一の入力端子に、2つの断線検出抵抗が接続された実施例1の変形例の構成を示す図である。
図8に示すように同じ入力端子ti に、2つの断線検出抵抗Ra11 およびRa12 が接続されて、入力端子ti に接続する接続線li が断線すると、電圧測定回路Di 、Di+1 の出力電圧Vi 、Vi+1 は、式(10)、式(11)で示される電圧が検出される。
Vi ≒ Ra12/(Ra11+Ra12)×(ei+ei+1) …式(10)
Vi+1 ≒ Ra11/(Ra11+Ra12)×(ei+ei+1) …式(11)
即ち、2つの断線検出抵抗のそれぞれの一端が接続された入力端子ti があり、この入力端子ti に接続された接続線li が断線すると、入力端子ti の電位は、2つの断線検出抵抗のそれぞれ他端の電位と、断線検出抵抗の抵抗値により定まる。そして、この入力端子ti に接続された電圧測定回路Di 、Di+1 の出力電圧Vi 、Vi+1 には、2つの断線検出抵抗Ra11 およびRa12 による分圧が出力される。このため、2つの断線検出抵抗Ra11 およびRa12 の値が等しく、且つそれぞれの断線検出抵抗の他端が正常時の入力端子ti の電位に対して電位差の絶対値がほぼ等しく互いに逆極性である場合には、正常時と断線時とで出力電圧の変化が殆どなく、断線を検出することができない。
この対策として、断線検出抵抗Ra11 およびRa12 に、互いに抵抗値の異なるものを使用すれば、分圧比が異なるので、式(10)の値と式(11)の値が異なり、断線検出が可能となる。例えば燃料電池の同一運転条件における最大セル電圧と最小セル電圧との比が1.2であれば、断線検出抵抗Ra11 およびRa12 の抵抗比Ra11 /Ra12 がセル電圧比1.2を超えるように、断線検出抵抗Ra11 、Ra12 を選択すれば、セル電圧の変動と接続線の断線とを区別することができる。
Ra11 /Ra12 >1.2 …式(12)
以上説明した本実施例によれば、燃料電池セルまたはセル群の端子と、セル電圧測定装置の入力端子とを接続する接続線の断線または接触不良を簡易な回路構成により検出することができるという効果がある。
次に、本発明に係るセル電圧測定装置の実施例2を説明する。図9は、実施例2の構成を例示する概略構成図である。本実施例の特徴は、断線検出抵抗の両端子が接続される入力端子の組が同一の電圧測定回路に入力されず、異なる電圧測定回路に入力される点にある。図9に示した実施例2は、図1(a)に示した実施例1とは、断線検出抵抗のみ異なり、その他の構成は、図1(a)に示した実施例1と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
図9において、断線検出抵抗Ra11 は入力端子ti+1 とti-1との間に接続され、断線検出抵抗Ra12 は入力端子ti とti-3 との間に接続されている。
セル電圧測定装置2が実施例1の図1(a)で示されるような回路構成である場合に、接続線図6(a)に示すようにli が断線すると式(5)および式(6)に示される電圧を出力し、また図7に示すように接続線li+1 が断線すると、
Vi+1 ≒0 …式(13)
Vi+2 ≒ei+1 +ei+2 …式(14)
で表現される電圧を出力する。
燃料電池スタック1の発電が過渡的な状態において、セルまたはセル群間の電圧ばらつきが大きいときには、式(7)または(8)で示される条件で断線を判断したときには誤診断の可能性がある。そこで接続線li およびli+1 などが断線しても出力電圧が導通時と大きな差異を生じない入力端子には、図9に示すように2つ以上離れた入力端子と断線検出抵抗を介して接続する。図10に示すように接続線li が断線したときには、入力端子ti が断線検出抵抗Ra12 を介してセル端子pi-3 とほぼ等電位となることにより、
Vi ≒ −(ei-1 +ei-2) …式(15)
Vi+1 ≒ei-2 +ei-1 +ei +ei+1 …式(16)
で表現されるような電圧を出力させることができる。
また図11に示すように接続線li-1 が断線したときには、入力端子ti-1 が断線検出抵抗Ra11 を介してセル端子pi+1 とほぼ等電位となることにより
Vi-1 ≒ei-1 +ei +ei+1 …式(17)
Vi ≒ −ei+1 …式(18)
で表現されるような電圧を出力させることができる。
また図12に示すように接続線li+1 が断線したときには入力端子ti+1 が断線検出抵抗Ra11 を介してセル端子pi-1 とほぼ等電位となることにより
Vi+1 ≒ −ei …式(19)
Vi+2 ≒ei +ei+1 +ei+2 …式(20)
で表現されるような電圧を出力させることができる。
ここで、
Vi+1 > Vave ×k0 …式(21)
k0は2<k0<3…式(22)を満足する値
であるときには接続線li が断線していると判断する。
また、
Vi+2 > Vave ×k0 …式(23)
であるときには接続線li+1 が断線していると判断する。
また、
Vi-1 > Vave ×k0 …式(24)
であるときには接続線li-1 が断線していると判断する。
以上説明した本実施例によれば、接続線が断線したときに、平均セル電圧または平均セル群電圧の2倍以上の異常値を検出することができるので、燃料電池の発電開始時のような過渡な状態におけるセル電圧のばらつきが大きい場合でも、接続線の断線、または接触不良を容易に検出することができるという効果がある。
次に、本発明に係るセル電圧検出装置の実施例3を図13、図14を用いて説明する。本実施例3は、セル電圧測定装置を構成する複数の電圧測定回路が複数(実施例3では2)の回路モジュールに分割された実施例である。
図13は実施例3の構成を例示する概略構成図であり、図14(a)は回路モジュール5における電圧測定回路DBiの詳細回路図、図14(b)は回路モジュール4における電圧測定回路DAiの詳細回路図である。
本実施例におけるセル電圧測定装置2は、複数の入力端子ti(i=0〜ns)、回路モジュール4と、回路モジュール5と、診断装置3とを備えている。回路モジュール4は、+VA 電源、−VA 電源、基準電位GND-A を供給するDC/DCコンバータDCA 、電圧測定回路DAiを備えている。回路モジュール5は、+VB 電源、−VB 電源、基準電位GND-B を供給するDC/DCコンバータDCB 、電圧測定回路DBnを備えている。その他記号は実施例1で示した記号と同じであるので省略する。
回路モジュール4は、入力端子ti から入力された燃料電池セルの電圧値ei を、差動増幅器である電圧測定回路DAiにより、基準電位GND-A に対する出力電圧値Vi として診断回路3へ出力する。それぞれの電圧測定回路DAiは、図14(b)に示すように、演算増幅器OPi および抵抗器Rijからなる。
同様に、回路モジュール5は、入力端子tn から入力された燃料電池セルの電圧値en を、差動増幅器である電圧測定回路DBnにより、基準電位GND-B に対する出力電圧値Vn として診断回路3へ出力する。それぞれの電圧測定回路DBiは、図14(a)に示すように、演算増幅器OPi および抵抗器Rijからなる。
実施例1と同様に電圧測定回路DAi、及びDBiは、2つの入力電圧の差と等しい出力電圧値Vi となるよう抵抗器Rijの抵抗値が決められる。
回路モジュール4に含まれる電圧測定回路DAiを構成する演算増幅器OPi には、DC/DCコンバータDCA から、プラス電源+VA 、マイナス電源−VA 、及び基準電位GND-A が供給される。回路モジュール5に含まれる電圧測定回路DBiを構成する演算増幅器OPi には、DC/DCコンバータDCB から、プラス電源+VB 、マイナス電源−VB 、及び基準電位GND-B が供給される。
また図13において、回路モジュール5の一番電位の低い入力端子tn と、回路モジュール4の一番電位の高い入力端子tn-1 とを断線検出抵抗Ra20 を介して接続する。
ここで断線検出方法は実施例1で示した方法と同じであるため省略する。
次に、本実施例における基準電位と電源電圧について考察する。基準電位GND-A と、基準電位GND-B とは電位が異なり、図13に示した燃料電池スタック1のセルci の極性では、基準電位GND-A より基準電位GND-B が高く設定される。
そして、回路モジュール4において、プラス電源+VA は、回路モジュール4の最大入力電圧である、GND-A の電位+e(n−i)の電圧に対して、数[V]程度高ければ、回路モジュール4に含まれる演算増幅器OPi(i=1〜ns)は十分動作可能である。同様に、マイナス電源−VA は、回路モジュール4の最小入力電圧である、GND-A の電位−e×iの電圧に対して、数[V]程度低ければ、回路モジュール4に含まれる演算増幅器OPi(i=1〜ns)は十分動作可能である。
同様に、回路モジュール5において、プラス電源+VB は、回路モジュール5の最大入力電圧である、GND-B の電位+e×(GND-B より高電位にあるセル数)の電圧に対して、数[V]程度高ければ、回路モジュール5に含まれる演算増幅器OPi(i=1〜ns)は十分動作可能である。同様に、マイナス電源−VB は、回路モジュール5の最小入力電圧である、GND-B の電位−e×(GND-B のセルからセルcn+1 までのセル)の電圧に対して、数[V]程度低ければ、回路モジュール4に含まれる演算増幅器OPi(i=1〜ns)は十分動作可能である。
以上のプラス、マイナス電源、+VA 、−VA 、+VB 、−VB に関する説明より、本実施例のように回路モジュールに分割した場合には、分割しない場合に比べて、個々の演算増幅器に供給する電源電圧の絶対値が低くてよいことになる。そして、分割数が多いほど、電源電圧低下の効果は大きくなり、必要以上に高耐圧の演算増幅器を使用しなくてもセル電圧測定装置を構成できるという効果を奏することができる。
また本実施例によれば、セル電圧測定装置が個々の電源および基準電位をもつ複数の回路モジュールからなる場合に、隣り合う回路モジュールの両方に入力される接続線の断線または接触不良も、簡易な回路構成により容易に検出することができるという効果がある。
(a)実施例1のセル電圧測定装置を示す図、(b)実施例1における電圧測定回路の詳細を示す回路図である。 実施例1において接続線lk およびlm が断線したことを示す図である。 (a)実施例1において正常時の電圧出力Vk およびVk+1 を示す図、(b)実施例1において接続線lk 断線時の電圧出力VkおよびVk+1を示す図である。 (a)実施例1において正常時の電圧出力Vm およびVm+1 を示す図、(b)実施例1において接続線lm 断線時の電圧出力Vm およびVm+1 を示す図である。 (a)比較例の断線検出抵抗を備えないセル電圧測定装置を示す図、(b)正常時の電圧出力Vi およびVi+1 を示す図、(c)接続線li の断線時の電圧出力Vi およびVi+1 を示す図である。 (a)実施例1において接続線li が断線したことを示す図、(b)実施例1の正常時の電圧出力Vi およびVi+1 を示す図、(c)接続線li 断線時の電圧出力Vi およびVi+1 を示す図である。 実施例1において接続線li+1 が断線したことを示す図である。 1つの入力端子に2つの断線検出抵抗を接続した回路を示す図である。 実施例2のセル電圧測定装置を示す図である。 実施例2において接続線li が断線したことを示す図である。 実施例2において接続線li-1 が断線したことを示す図である。 実施例2において接続線li+1 が断線したことを示す図である。 実施例3のセル電圧測定装置を示す図である。 (a)実施例3の回路モジュール5における電圧測定回路を示す図、(b)実施例3の回路モジュール4における電圧測定回路を示す図である。
符号の説明
1:燃料電池スタック
2:セル電圧測定装置
3:診断装置
li(i=0〜ns):接続線
ti(i=0〜ns):入力端子
Di(i=1〜ns):電圧測定回路
Ra10 :断線検出抵抗

Claims (5)

  1. 複数のセルが直列に接続して構成される組電池のセル電圧を測定するセル電圧測定装置において、
    前記セル毎または複数セルが直列接続されたセル群毎の電圧が入力される複数の入力端子と、
    前記入力端子間の電圧を測定する複数の電圧測定回路と、
    前記電圧測定回路が測定した電圧値に基づいて、前記組電池と前記入力端子との接続の良否及び前記セル毎または前記セル群毎の良否の判断を行う診断装置と、
    セル電圧測定装置の接地電位となる入力端子と他の入力端子間を接続する断線検出抵抗を含む前記入力端子間を接続する少なくとも1つの断線検出抵抗と、を備え、
    前記診断装置に入力される全ての測定電圧値の平均値または一部の測定電圧値の平均値を前記診断装置が演算し、
    前記電圧測定回路から出力される隣り合う2つのセルまたはセル群の測定電圧値の一方が前記平均値に所定係数乗じた値より大きいときに、接続線の断線または接触不良と診断することを特徴とするセル電圧測定装置。
  2. 前記所定係数は、前記組電池における最大セル電圧を平均セル電圧で除した値以上の値に設定されたことを特徴とする請求項1に記載のセル電圧測定装置。
  3. 前記断線検出抵抗の両端は、それぞれ異なる電圧測定回路に接続されたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のセル電圧測定装置。
  4. 前記複数の電圧測定回路は、それぞれ個別の電源及び基準電位を有する複数の回路モジュールに分割され、
    それぞれの前記回路モジュールは、前記組電池中の直列に接続されたそれぞれ異なるセル群の電圧を測定し、
    前記異なるセル群の境界から引き出された接続線が接続される入力端子は、第1の回路モジュールの最も電位の高い入力端子、及び第2の回路モジュールの最も電位の低い入力端子に接続され、
    前記回路モジュールの最も電位の高い入力端子または最も電位の低い入力端子と、異なる回路モジュールの入力端子間を接続する断線検出抵抗を有することを特徴とする請求項1乃至請求項の何れか1項に記載のセル電圧測定装置。
  5. 請求項1乃至請求項の何れか1項に記載のセル電圧測定装置を備えたことを特徴とする燃料電池。
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