電池電圧検出装置および電池電圧検出装置を用いた電池システム
【課題】複数個の電池を直列接続した電池ブロックの電池電圧の測定を測定するＡ／Ｄコンバータ素子の検出データの誤検出の有無を検知すること。
【解決手段】本発明の電池電圧検出装置は、複数個の電池を直列接続した電池ブロックと、該電池ブロックの内部の電池の電圧を検出する電圧検出素子と、該電圧検出素子の動作電源の電圧を検出する別の電圧検出素子とを備え、電圧検出素子の動作電源が電池ブロックの内部または両端の電圧から供給され、別の電圧検出素子の動作電源を該電池ブロックの外部の電圧から供給し、別の電圧検出素子の動作電源に電圧検出素子の動作電源よりも変動が少ない電源を用いる。
【解決手段】本発明の電池電圧検出装置は、複数個の電池を直列接続した電池ブロックと、該電池ブロックの内部の電池の電圧を検出する電圧検出素子と、該電圧検出素子の動作電源の電圧を検出する別の電圧検出素子とを備え、電圧検出素子の動作電源が電池ブロックの内部または両端の電圧から供給され、別の電圧検出素子の動作電源を該電池ブロックの外部の電圧から供給し、別の電圧検出素子の動作電源に電圧検出素子の動作電源よりも変動が少ない電源を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池セルを直列接続した燃料電池スタックの燃料電池セルの電圧を検出する電池電圧検出装置、および電池電圧検出装置を用いた電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の少ないエネルギー源として燃料電池が検討されている。例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、その熱と電力を用いたコージェネレーションシステムのエネルギー源として、または電動車両の電源として利用が検討されている。
【０００３】
燃料電池は、水素を主成分とする燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて起電力を得る装置であり、燃料電池セルの個別の起電力はせいぜい０.７Ｖ 程度に過ぎない。このため一般的に数十から数百セルを積層して一つの燃料電池スタックを構成して使用する。スタック化した燃料電池各セルの電圧は、スタック内部での燃料ガス密度や湿度、温度の分布によってばらつき、セル毎に電圧劣化傾向は異なる。各セル電圧の低下はスタックの寿命や安全性に影響を及ぼす恐れがあるため、各セル電圧の状態を監視する必要がある。直列接続した電池の各電圧を検出する電池電圧検出装置の例として、二次電池のセル電圧をＡ／Ｄコンバータ素子を用いて検出する方法が、例えば特許文献１に開示されている。
【０００４】
Ａ／Ｄコンバータ素子を作動させるには所定の動作電源およびＡ／Ｄ変換用の基準電圧をＡ／Ｄコンバータ素子に供給する必要がある。ここで、動作電源および基準電圧の供給には、電圧測定対象である電池の電力の一部を利用することで、外部からの電源供給用の装置を省くことができる。これは、Ｌｉイオン電池などの二次電池は自己放電を無視すれば、充放電量の調整により電池の電圧を所望の変動範囲に維持することが出来るためである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２４３０４４号公報（(０００７)段落から(００２１)段落の記載）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしＬｉイオン電池などに比べ燃料電池では、燃料ガスを供給しない状態ではセル電圧はゼロとなり、また、燃料供給中のセル電圧も燃料電池セルの状態によって変動し易いため、燃料電池の電圧からＡ／Ｄコンバータ素子の動作電源およびＡ／Ｄ変換用の基準電圧を供給する場合に複数のセル電圧が同時に低下すると、Ａ／Ｄコンバータ素子の検出データの誤検出が発生する可能性がある。
【０００７】
本発明は前記の問題に対処し、電池電圧の測定にＡ／Ｄコンバータ素子を用いる際に検出データの誤検出を検知できる電池電圧検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電池電圧検出装置は、複数個の電池を直列接続した電池ブロックの内部の電池の電圧を検出する電圧検出素子Ａと、該電圧検出素子Ａの動作電源の電圧を検出する電圧検出素子Ｂを備え、該電圧検出素子Ａの動作電源は該電池ブロックの内部または両端の電圧から供給され、該電圧検出素子Ｂの動作電源は該電池ブロックの外部の電圧から供給され、該電圧検出素子Ｂの動作電源に該電圧検出素子Ａの動作電源よりも変動が少ない電源を用いる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、セル電圧検出データの誤検出を防止できる電池電圧検出装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の詳細を図面を用いながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
本実施例について図１を用いて説明する。図１に示す燃料電池セル１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４、１ａ５、１ａ６は、符号の小さい燃料電池セルの方が高い電位となるよう６直列に接続して燃料電池ブロック１ａを構成する。同様に、燃料電池セル１ｂ１〜１ｂ６、および１ｃ１〜１ｃ６は、それぞれ燃料電池ブロック１ｂ、１ｃを構成する。さらに燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃは符号の小さい燃料電池ブロックの方が高い電位となるよう３直列に接続して燃料電池スタック１を構成する。ここで、燃料電池セルをセパレータを介して積層する構成を燃料電池セルもしくは燃料電池ブロックの直列接続と見なしても構わない。また、図１では燃料電池ブロック内の燃料電池セルを６直列、燃料電池スタック内の燃料電池ブロックを３直列としているが、他の複数個の直列構成であっても構わない。
【００１２】
燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃには、電圧検出素子ＡとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃをそれぞれ接続する。燃料電池セルを６直列した燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃにはそれぞれ最低電位に対し燃料電池セルの起電力による６つの電圧が発生しており、これら６つの電圧を全てＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃのアナログ入力端子Ａｉに接続する。一方で、燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃそれぞれの内部に発生する電位のうち、最高電位点はＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれの電源端子Ｖｃｃに、最低電位点はＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれのグランド電位端子Ｖｓに接続する。
【００１３】
さらに、燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃを構成する直列セルの最高電位および最低電位は、別の電圧検出素子ＢとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ｚのアナログ入力端子Ａｉに、分圧抵抗回路８およびバッファ回路９などを介して接続する。また、Ａ／Ｄコンバータ素子２ｚの電源端子Ｖｃｃには、各燃料電池ブロック両端の電圧に比べ変動の少ない電圧を供給する定電圧源４の出力が供給される。ここで例えば、定電圧源４には３端子レギュレータ素子やスイッチングコンバータ回路を用いても良い。ここで、燃料電池スタック１は各燃料電池ブロックよりも直列数が多く、数個のセル電圧が低下したとしても燃料電池スタック１の両端電圧に与える影響は少ないと見なせるため、定電圧源４の電源供給には燃料電池スタック１の両端電圧を用いても良い。
【００１４】
本実施例では、Ａ／Ｄコンバータ素子とのデータ通信、および電圧データを収集には、マイコンなどのプロセッサ５を用いる。ここで例えば、データ通信はシリアル方式またはパラレル方式のデジタル通信を用いるものとし、プロセッサ５のデジタル出力ＤｏのピンにはＡ／Ｄ変換指令データのデジタル信号を発生可能なポートを割り当て、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｚのデジタル入力Ｄｉ１およびデジタル入力Ｄｉ２のピンを接続する。また、プロセッサ５のデジタル入力ＤｉのピンにはＡ／Ｄ変換結果データのデジタル信号を受信可能なポートを割り当て、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｚのデジタル出力Ｄｏのピンを接続する。
【００１５】
各Ａ／Ｄコンバータ素子のデジタル出力Ｄｏ、およびデジタル入力Ｄｉ１、Ｄｉ２、の接続に関しては必要に応じて絶縁手段７により各Ａ／Ｄコンバータ素子のデジタルグランド電位とプロセッサ５のグランド電位を相互に変換するものとし、絶縁手段７には光学式や磁気式によるカプラを用いてもよい。また、プロセッサ５の動作電源Ｖｃｃには、定電圧源４の出力電圧を接続しても良く、この構成であればプロセッサ５およびＡ／Ｄコンバータ素子２ｚの電源を１つの電源で供給できるため、電源回路の削減が可能となる。さらに、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃのいずれか一つについては動作電源Ｖｃｃを、プロセッサ５およびＡ／Ｄコンバータ素子２ｚと共通にして電源回路を削減することも可能である。
【００１６】
また、図１の構成は、燃料電池ブロック、Ａ／Ｄコンバータ素子、および絶縁手段７のそれぞれ一部を図中の記号１ｓａ、１ｓｂ、１ｓｃで示すような電池サブモジュールとして定義すれば、複数個の該電池サブモジュール内の該電池ブロックの最低電位は互いに異なる電位を持ち、Ａ／Ｄコンバータ２ｚによる燃料電池ブロックの両端の電位の測定と、絶縁手段７を介した通信と、プロセッサ５の駆動を共通の定電圧源４を用いて行う構成となっている。
【００１７】
この構成により、プロセッサ５は、各Ａ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｚに、所定のＡ／Ｄ変換指令データを送信することで、Ａ／Ｄ変換結果データに変換した任意のアナログ入力Ａｉの電圧値を収集することが出来る。また図１に示すように、単一のプロセッサ５で複数のＡ／Ｄコンバータ素子と同一のデジタル通信プロトコルを用いて通信を行う場合は、Ａ／Ｄ変換指令データおよびＡ／Ｄ変換結果データの信号経路を、それぞれ絶縁手段７よりもプロセッサ５側で電気的に並列接続する。ただしこの場合は、全てのＡ／Ｄコンバータ素子のＤｉ１にプロセッサ５から同様のデジタル信号が送信されるため、信号を受信すべきＡ／Ｄコンバータ素子を指定する信号（チップセレクト）を所望のＡ／Ｄコンバータ素子の入力端子Ｄｉ２にのみ送信することで、複数のＡ／Ｄコンバータ素子のうち所望のＡ／Ｄコンバータ素子の結果データを得ることが出来る。このような構成によれば、プロセッサ５は複数のＡ／Ｄコンバータ素子とのデジタル通信を単一の通信ポートで送受信することが可能となり、プロセッサ５の通信機能を持つピンの削減が可能である。また、Ａ／Ｄコンバータ素子およびプロセッサ５の間のデジタル通信プロトコルには、チップセレクトを特定のポートで送受信するデジタル通信プロトコルを例として示したが、デジタル信号中のビットでチップセレクトを行うなど、他の通信プロトコルに応じた構成でも構わない。
【００１８】
図２は、燃料電池ブロック１ａに接続したＡ／Ｄコンバータ素子２ａを例にＡ／Ｄコンバータ素子の詳細図を示す。Ａ／Ｄコンバータ素子内部では、電源端子Ｖｃｃとグランド電位端子Ｖｓとの間に供給された動作電源をもとに、バンドギャップリファレンス等を用いた基準電圧ａ１が作成される。信号演算部ａ７は、デジタル入力端子Ｄｉのチップセレクト、シリアルクロック等のデジタル指令信号に基づき、マルチプレクサ回路ａ３およびエンコーダａ６に指令信号を出力する。これに伴い、マルチプレクサ回路ａ３は所望のアナログ入力端子Ｖｉを選択し、サンプルホールド回路ａ４は選択した端子電圧を保持する。比較器ａ５は、サンプルホールド回路ａ４の出力電圧を基準電圧ａ１の電圧と時間変化するゲイン回路ａ２において作成した参照電圧と比較し、両者の電圧の一致する条件、例えば時間をカウンタ等で計測する。エンコーダａ６は比較器ａ５において計測した条件を実現するカウンタ数などのデジタル値を基に、Ｄｏ端子に所定のデジタル信号を発生させる。
【００１９】
図３には、図１および図２とは異なるＡ／Ｄコンバータ素子２ａ′の構成例を示す。図２ではＡ／Ｄコンバータ素子２ａ内部で作成される基準電圧ａ１を用いていたが、図３に示すようにＡ／Ｄコンバータ素子２ａ′の外部回路として基準電圧素子ａ１′を用いて、変動の少ない基準電圧をＡ／Ｄコンバータ素子の基準電圧端子Ｖｒｅｆに接続し、比較器ａ５の入力の基準電圧としても良い。
【００２０】
図４は、燃料電池ブロック１ａの両端の電圧がＡ／Ｄコンバータ素子２ａの動作電源耐圧を超える場合の燃料電池ブロック１ａとＡ／Ｄコンバータ素子２ａの接続例について示している。この場合、出力電圧がＡ／Ｄコンバータ素子２ａの耐圧以下となるような定電圧源ａ１２を設け、定電圧源ａ１２の入力Ｖｉｎに燃料電池ブロック１ａ両端の電圧を供給する。一方で、燃料電池ブロック１ａ内部の電池電位とＡ／Ｄコンバータ素子２ａのアナログ入力端子Ａｉとの間には、所定の分圧抵抗回路ａ１０およびバッファ回路ａ１１を設け、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａの入力Ａｉには定電圧源ａ１２の出力電圧以上の電圧が供給されないようにする。また電圧検出素子ＡとしてのＡ／Ｄコンバータ素子が図４の構成で接続される場合は、電圧検出素子ＢとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ｚで検出する電圧検出素子Ａの動作電源の電圧は、定電圧源ａ１２の両端電位のほか、燃料電池ブロック１ａの両端の電位を検出することによって求めることが出来る。
【００２１】
ここで、燃料電池セル１ａ１〜１ａ６、１ｂ１〜１ｂ６、１ｃ１〜１ｃ６に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いた場合について説明を行う。ＰＥＦＣの燃料電池セルは、水素リッチガスを燃料ガスとして通流することによりセル１個あたり約０.７〜１.０Ｖの電圧を発生することが出来る。ただし発電中の燃料電池セルでは水素を酸化して水を生成する反応が行われており、燃料電池セル内の湿潤が過剰になり燃料ガスおよび酸化ガスの通流が阻害され、ガス欠運転となることがある。ガス欠運転となった場合に燃料電池セルの性能は損なわれ、そのセル電圧は低下し、０Ｖ付近まで低下することがある。
【００２２】
従って、例えば燃料電池ブロック１ａを構成する６つの燃料電池セルのうち多くのセルの電圧が一度に低下した場合には、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａの動作電源端子Ｖｃｃとグランド電位端子Ｖｓとの間の電圧も低下し、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａの動作電圧は許容値を下回り、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａから送出されるＡ／Ｄ変換結果データに異常な値が現れる可能性がある。
【００２３】
図５には、本実施例のプロセッサ５で実行するセル電圧検出のフローチャートの例を示す。まず、ステップ１においてＡ／Ｄ変換およびデータ通信の基準となるクロック信号を発生する。その後ステップ２において、所定の電圧検出手段ＡとしてのＡ／Ｄコンバータ素子にチップセレクトのＤｏを送信し、選択したＡ／Ｄコンバータ素子の全てのアナログ入力チャンネルの電位を検出するよう、指令の送信および結果の受信を行い、得られた結果を電圧データ配列Ｖｃｅｌｌ［１..６］に仮保存しておく。続いてステップ３において、Ａ／Ｄコンバータ素子２ｚに対してチップセレクトのＤｏを送信し、仮保存したＡ／Ｄコンバータ素子の動作電源の両端の電位を検出するよう、指令の送信および受信を行う。ここで得られた両端の電位の差分からＡ／Ｄコンバータ素子の動作電源の電圧を求め、Ａ／Ｄコンバータ素子の動作電源の電圧が所定の電圧閾値Ｖｌｏｗよりも高ければ、先に仮保存した電圧データ配列Ｖｃｅｌｌ［１..６］を真と判定し、新しいデータとして所定のデータベースに更新を行うなどの正常処理を行う。また、ここでＡ／Ｄコンバータの動作電源の電圧が所定の電圧閾値Ｖｌｏｗ以下であれば、先に仮保存した電圧データ配列Ｖｃｅｌｌ［１..６］の検出中にＡ／Ｄコンバータ素子の動作電源が低下しておりＡ／Ｄ変換結果データに異常が含まれると判断し、仮保存した電圧データＶｃｅｌｌ［１..６］を無視するか、あるいはデータを補正するなどの異常処理を行い、電圧の誤検出を回避する。また、本フローは、ステップ２におけるチップセレクトを送信する燃料電池ブロックを変更しながらステップ２およびステップ３を繰り返し、燃料電池スタック１を構成する燃料電池ブロックを全て検出した時点で終了する。
【００２４】
このように本実施例では、接続した各燃料電池ブロックの内部の電圧を電源とする電圧検出素子ＡとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃの他に、変動の少ない定電圧源４を接続した電圧検出素子ＢとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ｚを用いて、電圧検出素子Ａの動作電源である燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃの両端電圧を計測することにより、燃料電池セルの電圧低下によるＡ／Ｄコンバータ素子の誤検出を検知することができる。
【実施例２】
【００２５】
本実施例について図６を用いて説明する。実施例１と同一の機能を有する構成要素については同一の符号を用いることとし、詳細な説明を省略する。本実施例では図６に示すように、各燃料電池ブロックに設けられたＡ／Ｄコンバータ素子の基準電圧端子Ｖｒｅｆに各燃料電池ブロックの最高電位を接続する。このように構成した場合、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａから得られる電池電圧のデジタル値は、測定対象の燃料電池ブロック１ａの両端電圧に対するアナログ入力端子Ａｉの電圧の相対値を出力することになる。
【００２６】
実施例１と同様に、Ａ／Ｄコンバータ素子２ｚにより燃料電池ブロック１ａの両端電圧の絶対値は測定されていることから、例えば燃料電池セル１ａ１の電圧は、Ａ／Ｄコンバータ素子２ｚの検出した絶対値に、Ａ／Ｄコンバータ２ａで検出した燃料電池ブロック１ａ内の燃料電池セル１ａ１の相対値を乗算すれば検出可能であり、乗算はプロセッサ５の演算において実行可能である。
【００２７】
このように構成すれば、電圧検出素子ＡとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれに基準電圧Ｖｒｅｆを用いずとも各燃料電池セルの電圧値が検出可能であり、Ａ／Ｄコンバータ素子周辺回路の機能を削減することが出来る。
【実施例３】
【００２８】
本実施例について図７を用いて説明する。図７に示す燃料電池モジュールの筐体Ｍ１１内には、複数の燃料電池セルを積層して構成される燃料電池スタックＭ１、昇圧コンバータＭ２、およびセル状態監視基板Ｍ３が納められる。筐体Ｍ１１外面には端子台Ｍ１３、および通信コネクタＭ１２が設けられる。また、筐体Ｍ１１外面に燃料電池モジュールの状態を示す発光ダイオードや液晶パネルを設置しても良い。さらに筐体Ｍ１１には、燃料電池スタックＭ１の燃料ガスとなる水素リッチガスを通流する燃料供給手段Ｍ８ｉ、燃料供給手段Ｍ８ｉより供給された水素リッチガスの一部の水素が燃料電池スタックＭ１で消費された後の排ガスを排出する排ガス排出手段Ｍ８ｏ、燃料電池スタックＭ１の発熱を冷却するための熱媒体を循環するための熱媒体供給手段Ｍ９ｉおよび熱媒体排出手段Ｍ９ｏが接続され、筐体Ｍ１１の外部の燃料ガス系統、および伝熱系統との連系が行われる。
【００２９】
図８は、筐体Ｍ１１に納めた燃料電池モジュールのシステム構成を示す。昇圧コンバータＭ２は、燃料電池スタックＭ１両端のセルに電気的に接続される。また、燃料電池スタックＭ１のうち数セルまたは全セルはそれぞれ電圧検出端子Ｍ１０１を備えており、電圧検出端子Ｍ１０１はセル状態監視基板Ｍ３内部のセル電圧検知部Ｍ３０１に電気的に接続されている。また同様に燃料電池スタックＭ１は温度検出器Ｍ１０２を備えており、温度検出器Ｍ１０２はセル状態監視基板Ｍ３内部のスタック温度検知部Ｍ３０２に接続されている。
【００３０】
セル電圧検知部Ｍ３０１およびスタック温度検知部Ｍ３０２で得られたセル電圧およびスタック温度の情報に基づき、セル状態監視基板Ｍ３内部のスタック状態監視部Ｍ３０３において、燃料電池スタックＭ１の状態について正常か異常かを診断する異常診断処理、およびユーザの用途に合わせた最適電流指令値を演算する最適電流指令値演算が行われる。スタック状態監視部Ｍ３０３で得られた異常診断結果および最適電流指令値は、セル状態監視基板Ｍ３内部の通信部Ｍ３０４および接続ケーブルＭ６を通じて、昇圧コンバータＭ２に送信される。
【００３１】
昇圧コンバータＭ２内部にはコンバータ主回路Ｍ２０１、コンバータ制御部Ｍ２０２、通信部Ｍ２０３、および補器電源Ｍ２０７があり、コンバータ制御部Ｍ２０２では、接続ケーブルＭ６を通じて得た最適電流指令値、コンバータ入力電圧検出値Ｍ２０８、コンバータ入力電流検出値Ｍ２０４、およびコンバータ出力電圧Ｍ２０５の各情報に基づきコンバータ制御パルスＭ２０６を演算し、コンバータ主回路Ｍ２０１中の半導体スイッチング素子に対しパルスの出力を行う。
【００３２】
また、通信部Ｍ２０３では、接続ケーブルＭ６を通じて得た異常診断結果の情報が、通信ケーブルＭ１０および通信コネクタＭ１２を介して所定の通信手法、例えばデジタル通信やアナログ通信で筐体Ｍ１１の外部へ送信される。補器電源Ｍ２０７は、燃料電池スタックＭ１の両端の電圧が所定の閾値Ｖ１以上となった場合に、燃料電池スタックＭ１の発生電力の一部を変換し、昇圧コンバータＭ２およびセル状態監視基板Ｍ３を構成する電気回路素子などで消費するＤＣ５Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖなどの所定電圧の電力を供給する。ここで、補記電源Ｍ２０７より電池電圧検出装置における定電圧源７を構成しても良い。また、図示を省略しているがコンバータ主回路Ｍ２０１の出力端に設けたコンデンサと端子台Ｍ１３との接続線上に、外部から端子台を介してコンデンサへ電流が流入することを防止する逆流防止ダイオードを設置しても良い。
【００３３】
また、図７および図８では部位ごとに機能を分離したため昇圧コンバータ２とセル状態監視基板３を別のブロックとして示しているが、燃料電池モジュール内部の配置構成によっては、昇圧コンバータ２とセル状態監視基板３を同一のブロック、例えば同一の基板上に配置しても構わない。昇圧コンバータ２とセル状態監視基板３を同一のブロックに配置した場合、接続ケーブル６は省略できる。
【００３４】
図９は、図７および図８に示す燃料電池モジュール内部で行う最適電流指令値演算を含めた燃料電池スタックＭ１の発電制御ブロック図を示している。最初に、セル電圧検知部Ｍ３０１で検出された各セル電圧ＶｃＩＮを基準値Ｖｃ＿ｒｅｆと比較し、基準値Ｖｃ＿ｒｅｆよりもセル電圧が低下した場合にこれを異常と判断し電流指令値を絞り込むセル電圧静定ブロックＣＶＳ、コンバータ出力電圧検出値Ｍ２０５を所定のコンバータ出力電圧指令値Ｖ２＿ｒｅｆとの差分を最小とする電流指令値を決定する出力電圧制御ブロックＡＶＲ、電流指令値を微小変化させながら燃料電池スタックＭ１の発電電力が最大となる点に電流指令値を追従させる最大電力追従制御ブロックＭＰＰＴの各ブロックは、それぞれに所望の電流指令値を計算する。一方で、これらの各ブロックの出力する電流指令値の他にも、燃料電池モジュールの外部からシリアル通信やアナログ指令電圧を用いて、電流指令値Ｉｒｅｆ２、または電力指令値Ｐｒｅｆ２が入力可能である。燃料電池モジュールのユーザは所望の運転条件に合わせ、電圧静定ブロックＣＶＳ、出力電圧制御ブロックＡＶＲ、最大電力追従制御ブロックＭＰＰＴで得られた電流指令値、および燃料電池モジュールの外部から入力する電流指令値の中から、切り替えスイッチＳＷ１〜ＳＷ５の組み合わせで実際の電流指令値を選択することが出来る。選択された電流指令値の上限はＩｒｅｆ＿ｌｉｍＨ、下限は０に制限し、電流指令値とコンバータ入力電流検出値Ｍ２０４との差分を最小とする電流制御ＡＣＲにおいて所定の変調信号を得て、変調信号を三角波の搬送信号と比較しパルス幅制御ＰＷＭによりコンバータ制御パルスＭ２０６を作成する。ここで、例えば起動・停止シーケンスなど燃料電池スタックＭ１の発電電流を増加または減少させる際に、電流指令値の上限Ｉｒｅｆ＿ｌｉｍＨを調整すれば、燃料電池スタック１の急激な負荷変化を抑制して燃料電池スタック１へ与えるダメージを軽減することも可能である。また、コンバータ出力電圧指令値Ｖ２＿ｒｅｆには３００Ｖ〜４００Ｖを設定することにより、連系インバータＭ４０７との接続が容易となる。
【００３５】
以上述べたような燃料電池モジュールは、燃料電池セルの発電特性ノウハウに基づく発電電流調整を自動化し、燃料電池スタックを用いた発電システムの設計を簡易化できるものであるが、本燃料電池モジュールのセル電圧検知部Ｍ１０２およびスタック状態監視部Ｍ３０３に、実施例１で述べた本実施例の電圧検出装置を適用すれば、燃料電池モジュール内部における電池セル電圧の検出異常を防ぐことが出来る。
【実施例４】
【００３６】
本実施例について図１０を用いて説明する。前述の実施例３と同一の機能を有する構成要素については同一の符号を用いることとし、詳細な説明を省略する。図１０は、本実施例に示す燃料電池モジュールを使用した発電システムを示す。端子台Ｍ１３を介して電極Ｍ７ＰおよびＭ７Ｎには、連系インバータＭ４０７が電気的に接続される。連系インバータＭ４０７は端子台Ｍ１３に発生した電力を、商用交流電力系統Ｍ４０９の電圧振幅および周波数をもつ交流電力に逆変換を行う。連系インバータＭ４０７の逆変換により得た交流電力は、商用交流電力系統Ｍ４０９または系統負荷Ｍ４１１に供給される。また、筐体Ｍ１１の所定の接地端子には接地線Ｍ４１０が接続される。
【００３７】
水素製造装置Ｍ４０１は燃料電池スタックＭ１の燃料となる水素リッチガスを発生する装置であり、都市ガスや灯油より水素を抽出する改質装置や、水を電気分解する電解槽などを用いることができる。水素製造装置Ｍ４０１で発生した水素リッチガスは燃料ブロアＭ４０２により燃料供給手段Ｍ８ｉに送られる。排ガス排出手段Ｍ８ｏより排出された排ガスは水素製造装置へと循環し、排ガス中の水素は回収もしくは燃焼に利用される。冷却水タンクＭ４０３には燃料電池スタックＭ１で発生した熱を交換する熱媒体となる冷却水が貯水されており、冷却水は冷却水ポンプＭ４０４により熱媒体供給手段Ｍ９ｉへ送られる。ここで例えば、冷却水には純度の高い水を使用する。燃料電池スタックＭ１の熱を交換した後の冷却水は熱媒体排出手段９ｏから排出され、熱交換器Ｍ４０５を通過した後に冷却水タンクＭ４０３へと循環する。
【００３８】
システム制御Ｍ４０６は、連系インバータＭ４０７と系統負荷Ｍ４１１との接続点と、商用電力系統Ｍ４０９との間に設置された受電電力センサＭ４０８の検出した受電電流値Ｍ４１２と、燃料電池モジュールの通信コネクタＭ１２より得たモジュール状態信号Ｍ４１５とを監視しながら、燃料ブロア流量指令Ｍ４１３および冷却水ポンプ指令Ｍ４１４を指令する。
【００３９】
複数台の燃料電池モジュールを組み合わせる場合には、例えばモジュール状態信号Ｍ４１５の通信に関して、それぞれの燃料電池モジュールをマスタ／スレーブの選択を出来るようにして、システム制御Ｍ４０６にはマスタを選択した燃料電池モジュールからのみ通信用の配線を接続するようにしても良い。
【００４０】
以上述べた燃料電池システムは、燃料電池の発電した電力を例えば家庭などの商用の電力系統に接続して電力利用するシステムであるが、燃料電池を用いた発電システムに対し、本実施例の電池電圧検出装置を備えた燃料電池モジュールを適用すれば、燃料電池システムにおける電池セル電圧の検出異常を防ぐことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１に係わる電池電圧検出装置の概要を示す図。
【図２】実施例１の電池電圧検出装置におけるＡ／Ｄコンバータ素子周辺の例を示す図。
【図３】実施例１の電池電圧検出装置におけるＡ／Ｄコンバータ素子周辺の例を示す図。
【図４】実施例１の電池電圧検出装置におけるＡ／Ｄコンバータ素子の接続例を示す図。
【図５】実施例１の電池電圧検出装置におけるセル電圧検出フローの例を示す図。
【図６】実施例２の電池電圧検出装置におけるＡ／Ｄコンバータ素子の内部の例を示す図。
【図７】実施例３の燃料電池モジュールの概要を示す図。
【図８】実施例３の燃料電池モジュールの詳細構成の例を示す図。
【図９】実施例３の燃料電池モジュールにおける燃料電池スタックの発電制御ブロックの例を示す図。
【図１０】実施例４に係わる発電システムの概要を示す図。
【符号の説明】
【００４２】
１ａ１〜１ａ６、１ｂ１〜１ｂ６、１ｃ１〜１ｃ６…燃料電池セル、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｓａ、１ｓｂ、１ｓｃ…燃料電池ブロック、１、Ｍ１…燃料電池スタック、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｚ…Ａ／Ｄコンバータ素子、４…定電圧源、５…プロセッサ、７…絶縁手段、８…抵抗回路、９…バッファ回路、Ｖｃｃ…動作電源端子、Ｖｓ…グランド電位端子、Ｖｒｅｆ…基準電圧端子、Ａｉ…アナログ入力端子、Ｄｏ…デジタル出力端子、Ｄｉ１、Ｄｉ２…デジタル入力端子、Ｍ１１…筐体、Ｍ２…昇圧コンバータ、Ｍ３…セル状態監視基板、Ｍ１２…通信コネクタ、Ｍ１３…端子台、Ｍ８ｉ…燃料供給手段、Ｍ８ｏ…排ガス排出手段、Ｍ９ｉ…熱媒体供給手段、Ｍ９ｏ…熱媒体排出手段、Ｍ１０１…電圧検出端子、Ｍ３０１…セル電圧検知部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池セルを直列接続した燃料電池スタックの燃料電池セルの電圧を検出する電池電圧検出装置、および電池電圧検出装置を用いた電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の少ないエネルギー源として燃料電池が検討されている。例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、その熱と電力を用いたコージェネレーションシステムのエネルギー源として、または電動車両の電源として利用が検討されている。
【０００３】
燃料電池は、水素を主成分とする燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて起電力を得る装置であり、燃料電池セルの個別の起電力はせいぜい０.７Ｖ 程度に過ぎない。このため一般的に数十から数百セルを積層して一つの燃料電池スタックを構成して使用する。スタック化した燃料電池各セルの電圧は、スタック内部での燃料ガス密度や湿度、温度の分布によってばらつき、セル毎に電圧劣化傾向は異なる。各セル電圧の低下はスタックの寿命や安全性に影響を及ぼす恐れがあるため、各セル電圧の状態を監視する必要がある。直列接続した電池の各電圧を検出する電池電圧検出装置の例として、二次電池のセル電圧をＡ／Ｄコンバータ素子を用いて検出する方法が、例えば特許文献１に開示されている。
【０００４】
Ａ／Ｄコンバータ素子を作動させるには所定の動作電源およびＡ／Ｄ変換用の基準電圧をＡ／Ｄコンバータ素子に供給する必要がある。ここで、動作電源および基準電圧の供給には、電圧測定対象である電池の電力の一部を利用することで、外部からの電源供給用の装置を省くことができる。これは、Ｌｉイオン電池などの二次電池は自己放電を無視すれば、充放電量の調整により電池の電圧を所望の変動範囲に維持することが出来るためである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２４３０４４号公報（(０００７)段落から(００２１)段落の記載）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしＬｉイオン電池などに比べ燃料電池では、燃料ガスを供給しない状態ではセル電圧はゼロとなり、また、燃料供給中のセル電圧も燃料電池セルの状態によって変動し易いため、燃料電池の電圧からＡ／Ｄコンバータ素子の動作電源およびＡ／Ｄ変換用の基準電圧を供給する場合に複数のセル電圧が同時に低下すると、Ａ／Ｄコンバータ素子の検出データの誤検出が発生する可能性がある。
【０００７】
本発明は前記の問題に対処し、電池電圧の測定にＡ／Ｄコンバータ素子を用いる際に検出データの誤検出を検知できる電池電圧検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電池電圧検出装置は、複数個の電池を直列接続した電池ブロックの内部の電池の電圧を検出する電圧検出素子Ａと、該電圧検出素子Ａの動作電源の電圧を検出する電圧検出素子Ｂを備え、該電圧検出素子Ａの動作電源は該電池ブロックの内部または両端の電圧から供給され、該電圧検出素子Ｂの動作電源は該電池ブロックの外部の電圧から供給され、該電圧検出素子Ｂの動作電源に該電圧検出素子Ａの動作電源よりも変動が少ない電源を用いる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、セル電圧検出データの誤検出を防止できる電池電圧検出装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の詳細を図面を用いながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
本実施例について図１を用いて説明する。図１に示す燃料電池セル１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４、１ａ５、１ａ６は、符号の小さい燃料電池セルの方が高い電位となるよう６直列に接続して燃料電池ブロック１ａを構成する。同様に、燃料電池セル１ｂ１〜１ｂ６、および１ｃ１〜１ｃ６は、それぞれ燃料電池ブロック１ｂ、１ｃを構成する。さらに燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃは符号の小さい燃料電池ブロックの方が高い電位となるよう３直列に接続して燃料電池スタック１を構成する。ここで、燃料電池セルをセパレータを介して積層する構成を燃料電池セルもしくは燃料電池ブロックの直列接続と見なしても構わない。また、図１では燃料電池ブロック内の燃料電池セルを６直列、燃料電池スタック内の燃料電池ブロックを３直列としているが、他の複数個の直列構成であっても構わない。
【００１２】
燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃには、電圧検出素子ＡとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃをそれぞれ接続する。燃料電池セルを６直列した燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃにはそれぞれ最低電位に対し燃料電池セルの起電力による６つの電圧が発生しており、これら６つの電圧を全てＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃのアナログ入力端子Ａｉに接続する。一方で、燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃそれぞれの内部に発生する電位のうち、最高電位点はＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれの電源端子Ｖｃｃに、最低電位点はＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれのグランド電位端子Ｖｓに接続する。
【００１３】
さらに、燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃを構成する直列セルの最高電位および最低電位は、別の電圧検出素子ＢとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ｚのアナログ入力端子Ａｉに、分圧抵抗回路８およびバッファ回路９などを介して接続する。また、Ａ／Ｄコンバータ素子２ｚの電源端子Ｖｃｃには、各燃料電池ブロック両端の電圧に比べ変動の少ない電圧を供給する定電圧源４の出力が供給される。ここで例えば、定電圧源４には３端子レギュレータ素子やスイッチングコンバータ回路を用いても良い。ここで、燃料電池スタック１は各燃料電池ブロックよりも直列数が多く、数個のセル電圧が低下したとしても燃料電池スタック１の両端電圧に与える影響は少ないと見なせるため、定電圧源４の電源供給には燃料電池スタック１の両端電圧を用いても良い。
【００１４】
本実施例では、Ａ／Ｄコンバータ素子とのデータ通信、および電圧データを収集には、マイコンなどのプロセッサ５を用いる。ここで例えば、データ通信はシリアル方式またはパラレル方式のデジタル通信を用いるものとし、プロセッサ５のデジタル出力ＤｏのピンにはＡ／Ｄ変換指令データのデジタル信号を発生可能なポートを割り当て、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｚのデジタル入力Ｄｉ１およびデジタル入力Ｄｉ２のピンを接続する。また、プロセッサ５のデジタル入力ＤｉのピンにはＡ／Ｄ変換結果データのデジタル信号を受信可能なポートを割り当て、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｚのデジタル出力Ｄｏのピンを接続する。
【００１５】
各Ａ／Ｄコンバータ素子のデジタル出力Ｄｏ、およびデジタル入力Ｄｉ１、Ｄｉ２、の接続に関しては必要に応じて絶縁手段７により各Ａ／Ｄコンバータ素子のデジタルグランド電位とプロセッサ５のグランド電位を相互に変換するものとし、絶縁手段７には光学式や磁気式によるカプラを用いてもよい。また、プロセッサ５の動作電源Ｖｃｃには、定電圧源４の出力電圧を接続しても良く、この構成であればプロセッサ５およびＡ／Ｄコンバータ素子２ｚの電源を１つの電源で供給できるため、電源回路の削減が可能となる。さらに、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃのいずれか一つについては動作電源Ｖｃｃを、プロセッサ５およびＡ／Ｄコンバータ素子２ｚと共通にして電源回路を削減することも可能である。
【００１６】
また、図１の構成は、燃料電池ブロック、Ａ／Ｄコンバータ素子、および絶縁手段７のそれぞれ一部を図中の記号１ｓａ、１ｓｂ、１ｓｃで示すような電池サブモジュールとして定義すれば、複数個の該電池サブモジュール内の該電池ブロックの最低電位は互いに異なる電位を持ち、Ａ／Ｄコンバータ２ｚによる燃料電池ブロックの両端の電位の測定と、絶縁手段７を介した通信と、プロセッサ５の駆動を共通の定電圧源４を用いて行う構成となっている。
【００１７】
この構成により、プロセッサ５は、各Ａ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｚに、所定のＡ／Ｄ変換指令データを送信することで、Ａ／Ｄ変換結果データに変換した任意のアナログ入力Ａｉの電圧値を収集することが出来る。また図１に示すように、単一のプロセッサ５で複数のＡ／Ｄコンバータ素子と同一のデジタル通信プロトコルを用いて通信を行う場合は、Ａ／Ｄ変換指令データおよびＡ／Ｄ変換結果データの信号経路を、それぞれ絶縁手段７よりもプロセッサ５側で電気的に並列接続する。ただしこの場合は、全てのＡ／Ｄコンバータ素子のＤｉ１にプロセッサ５から同様のデジタル信号が送信されるため、信号を受信すべきＡ／Ｄコンバータ素子を指定する信号（チップセレクト）を所望のＡ／Ｄコンバータ素子の入力端子Ｄｉ２にのみ送信することで、複数のＡ／Ｄコンバータ素子のうち所望のＡ／Ｄコンバータ素子の結果データを得ることが出来る。このような構成によれば、プロセッサ５は複数のＡ／Ｄコンバータ素子とのデジタル通信を単一の通信ポートで送受信することが可能となり、プロセッサ５の通信機能を持つピンの削減が可能である。また、Ａ／Ｄコンバータ素子およびプロセッサ５の間のデジタル通信プロトコルには、チップセレクトを特定のポートで送受信するデジタル通信プロトコルを例として示したが、デジタル信号中のビットでチップセレクトを行うなど、他の通信プロトコルに応じた構成でも構わない。
【００１８】
図２は、燃料電池ブロック１ａに接続したＡ／Ｄコンバータ素子２ａを例にＡ／Ｄコンバータ素子の詳細図を示す。Ａ／Ｄコンバータ素子内部では、電源端子Ｖｃｃとグランド電位端子Ｖｓとの間に供給された動作電源をもとに、バンドギャップリファレンス等を用いた基準電圧ａ１が作成される。信号演算部ａ７は、デジタル入力端子Ｄｉのチップセレクト、シリアルクロック等のデジタル指令信号に基づき、マルチプレクサ回路ａ３およびエンコーダａ６に指令信号を出力する。これに伴い、マルチプレクサ回路ａ３は所望のアナログ入力端子Ｖｉを選択し、サンプルホールド回路ａ４は選択した端子電圧を保持する。比較器ａ５は、サンプルホールド回路ａ４の出力電圧を基準電圧ａ１の電圧と時間変化するゲイン回路ａ２において作成した参照電圧と比較し、両者の電圧の一致する条件、例えば時間をカウンタ等で計測する。エンコーダａ６は比較器ａ５において計測した条件を実現するカウンタ数などのデジタル値を基に、Ｄｏ端子に所定のデジタル信号を発生させる。
【００１９】
図３には、図１および図２とは異なるＡ／Ｄコンバータ素子２ａ′の構成例を示す。図２ではＡ／Ｄコンバータ素子２ａ内部で作成される基準電圧ａ１を用いていたが、図３に示すようにＡ／Ｄコンバータ素子２ａ′の外部回路として基準電圧素子ａ１′を用いて、変動の少ない基準電圧をＡ／Ｄコンバータ素子の基準電圧端子Ｖｒｅｆに接続し、比較器ａ５の入力の基準電圧としても良い。
【００２０】
図４は、燃料電池ブロック１ａの両端の電圧がＡ／Ｄコンバータ素子２ａの動作電源耐圧を超える場合の燃料電池ブロック１ａとＡ／Ｄコンバータ素子２ａの接続例について示している。この場合、出力電圧がＡ／Ｄコンバータ素子２ａの耐圧以下となるような定電圧源ａ１２を設け、定電圧源ａ１２の入力Ｖｉｎに燃料電池ブロック１ａ両端の電圧を供給する。一方で、燃料電池ブロック１ａ内部の電池電位とＡ／Ｄコンバータ素子２ａのアナログ入力端子Ａｉとの間には、所定の分圧抵抗回路ａ１０およびバッファ回路ａ１１を設け、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａの入力Ａｉには定電圧源ａ１２の出力電圧以上の電圧が供給されないようにする。また電圧検出素子ＡとしてのＡ／Ｄコンバータ素子が図４の構成で接続される場合は、電圧検出素子ＢとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ｚで検出する電圧検出素子Ａの動作電源の電圧は、定電圧源ａ１２の両端電位のほか、燃料電池ブロック１ａの両端の電位を検出することによって求めることが出来る。
【００２１】
ここで、燃料電池セル１ａ１〜１ａ６、１ｂ１〜１ｂ６、１ｃ１〜１ｃ６に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いた場合について説明を行う。ＰＥＦＣの燃料電池セルは、水素リッチガスを燃料ガスとして通流することによりセル１個あたり約０.７〜１.０Ｖの電圧を発生することが出来る。ただし発電中の燃料電池セルでは水素を酸化して水を生成する反応が行われており、燃料電池セル内の湿潤が過剰になり燃料ガスおよび酸化ガスの通流が阻害され、ガス欠運転となることがある。ガス欠運転となった場合に燃料電池セルの性能は損なわれ、そのセル電圧は低下し、０Ｖ付近まで低下することがある。
【００２２】
従って、例えば燃料電池ブロック１ａを構成する６つの燃料電池セルのうち多くのセルの電圧が一度に低下した場合には、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａの動作電源端子Ｖｃｃとグランド電位端子Ｖｓとの間の電圧も低下し、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａの動作電圧は許容値を下回り、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａから送出されるＡ／Ｄ変換結果データに異常な値が現れる可能性がある。
【００２３】
図５には、本実施例のプロセッサ５で実行するセル電圧検出のフローチャートの例を示す。まず、ステップ１においてＡ／Ｄ変換およびデータ通信の基準となるクロック信号を発生する。その後ステップ２において、所定の電圧検出手段ＡとしてのＡ／Ｄコンバータ素子にチップセレクトのＤｏを送信し、選択したＡ／Ｄコンバータ素子の全てのアナログ入力チャンネルの電位を検出するよう、指令の送信および結果の受信を行い、得られた結果を電圧データ配列Ｖｃｅｌｌ［１..６］に仮保存しておく。続いてステップ３において、Ａ／Ｄコンバータ素子２ｚに対してチップセレクトのＤｏを送信し、仮保存したＡ／Ｄコンバータ素子の動作電源の両端の電位を検出するよう、指令の送信および受信を行う。ここで得られた両端の電位の差分からＡ／Ｄコンバータ素子の動作電源の電圧を求め、Ａ／Ｄコンバータ素子の動作電源の電圧が所定の電圧閾値Ｖｌｏｗよりも高ければ、先に仮保存した電圧データ配列Ｖｃｅｌｌ［１..６］を真と判定し、新しいデータとして所定のデータベースに更新を行うなどの正常処理を行う。また、ここでＡ／Ｄコンバータの動作電源の電圧が所定の電圧閾値Ｖｌｏｗ以下であれば、先に仮保存した電圧データ配列Ｖｃｅｌｌ［１..６］の検出中にＡ／Ｄコンバータ素子の動作電源が低下しておりＡ／Ｄ変換結果データに異常が含まれると判断し、仮保存した電圧データＶｃｅｌｌ［１..６］を無視するか、あるいはデータを補正するなどの異常処理を行い、電圧の誤検出を回避する。また、本フローは、ステップ２におけるチップセレクトを送信する燃料電池ブロックを変更しながらステップ２およびステップ３を繰り返し、燃料電池スタック１を構成する燃料電池ブロックを全て検出した時点で終了する。
【００２４】
このように本実施例では、接続した各燃料電池ブロックの内部の電圧を電源とする電圧検出素子ＡとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃの他に、変動の少ない定電圧源４を接続した電圧検出素子ＢとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ｚを用いて、電圧検出素子Ａの動作電源である燃料電池ブロック１ａ、１ｂ、１ｃの両端電圧を計測することにより、燃料電池セルの電圧低下によるＡ／Ｄコンバータ素子の誤検出を検知することができる。
【実施例２】
【００２５】
本実施例について図６を用いて説明する。実施例１と同一の機能を有する構成要素については同一の符号を用いることとし、詳細な説明を省略する。本実施例では図６に示すように、各燃料電池ブロックに設けられたＡ／Ｄコンバータ素子の基準電圧端子Ｖｒｅｆに各燃料電池ブロックの最高電位を接続する。このように構成した場合、Ａ／Ｄコンバータ素子２ａから得られる電池電圧のデジタル値は、測定対象の燃料電池ブロック１ａの両端電圧に対するアナログ入力端子Ａｉの電圧の相対値を出力することになる。
【００２６】
実施例１と同様に、Ａ／Ｄコンバータ素子２ｚにより燃料電池ブロック１ａの両端電圧の絶対値は測定されていることから、例えば燃料電池セル１ａ１の電圧は、Ａ／Ｄコンバータ素子２ｚの検出した絶対値に、Ａ／Ｄコンバータ２ａで検出した燃料電池ブロック１ａ内の燃料電池セル１ａ１の相対値を乗算すれば検出可能であり、乗算はプロセッサ５の演算において実行可能である。
【００２７】
このように構成すれば、電圧検出素子ＡとしてのＡ／Ｄコンバータ素子２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれに基準電圧Ｖｒｅｆを用いずとも各燃料電池セルの電圧値が検出可能であり、Ａ／Ｄコンバータ素子周辺回路の機能を削減することが出来る。
【実施例３】
【００２８】
本実施例について図７を用いて説明する。図７に示す燃料電池モジュールの筐体Ｍ１１内には、複数の燃料電池セルを積層して構成される燃料電池スタックＭ１、昇圧コンバータＭ２、およびセル状態監視基板Ｍ３が納められる。筐体Ｍ１１外面には端子台Ｍ１３、および通信コネクタＭ１２が設けられる。また、筐体Ｍ１１外面に燃料電池モジュールの状態を示す発光ダイオードや液晶パネルを設置しても良い。さらに筐体Ｍ１１には、燃料電池スタックＭ１の燃料ガスとなる水素リッチガスを通流する燃料供給手段Ｍ８ｉ、燃料供給手段Ｍ８ｉより供給された水素リッチガスの一部の水素が燃料電池スタックＭ１で消費された後の排ガスを排出する排ガス排出手段Ｍ８ｏ、燃料電池スタックＭ１の発熱を冷却するための熱媒体を循環するための熱媒体供給手段Ｍ９ｉおよび熱媒体排出手段Ｍ９ｏが接続され、筐体Ｍ１１の外部の燃料ガス系統、および伝熱系統との連系が行われる。
【００２９】
図８は、筐体Ｍ１１に納めた燃料電池モジュールのシステム構成を示す。昇圧コンバータＭ２は、燃料電池スタックＭ１両端のセルに電気的に接続される。また、燃料電池スタックＭ１のうち数セルまたは全セルはそれぞれ電圧検出端子Ｍ１０１を備えており、電圧検出端子Ｍ１０１はセル状態監視基板Ｍ３内部のセル電圧検知部Ｍ３０１に電気的に接続されている。また同様に燃料電池スタックＭ１は温度検出器Ｍ１０２を備えており、温度検出器Ｍ１０２はセル状態監視基板Ｍ３内部のスタック温度検知部Ｍ３０２に接続されている。
【００３０】
セル電圧検知部Ｍ３０１およびスタック温度検知部Ｍ３０２で得られたセル電圧およびスタック温度の情報に基づき、セル状態監視基板Ｍ３内部のスタック状態監視部Ｍ３０３において、燃料電池スタックＭ１の状態について正常か異常かを診断する異常診断処理、およびユーザの用途に合わせた最適電流指令値を演算する最適電流指令値演算が行われる。スタック状態監視部Ｍ３０３で得られた異常診断結果および最適電流指令値は、セル状態監視基板Ｍ３内部の通信部Ｍ３０４および接続ケーブルＭ６を通じて、昇圧コンバータＭ２に送信される。
【００３１】
昇圧コンバータＭ２内部にはコンバータ主回路Ｍ２０１、コンバータ制御部Ｍ２０２、通信部Ｍ２０３、および補器電源Ｍ２０７があり、コンバータ制御部Ｍ２０２では、接続ケーブルＭ６を通じて得た最適電流指令値、コンバータ入力電圧検出値Ｍ２０８、コンバータ入力電流検出値Ｍ２０４、およびコンバータ出力電圧Ｍ２０５の各情報に基づきコンバータ制御パルスＭ２０６を演算し、コンバータ主回路Ｍ２０１中の半導体スイッチング素子に対しパルスの出力を行う。
【００３２】
また、通信部Ｍ２０３では、接続ケーブルＭ６を通じて得た異常診断結果の情報が、通信ケーブルＭ１０および通信コネクタＭ１２を介して所定の通信手法、例えばデジタル通信やアナログ通信で筐体Ｍ１１の外部へ送信される。補器電源Ｍ２０７は、燃料電池スタックＭ１の両端の電圧が所定の閾値Ｖ１以上となった場合に、燃料電池スタックＭ１の発生電力の一部を変換し、昇圧コンバータＭ２およびセル状態監視基板Ｍ３を構成する電気回路素子などで消費するＤＣ５Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖなどの所定電圧の電力を供給する。ここで、補記電源Ｍ２０７より電池電圧検出装置における定電圧源７を構成しても良い。また、図示を省略しているがコンバータ主回路Ｍ２０１の出力端に設けたコンデンサと端子台Ｍ１３との接続線上に、外部から端子台を介してコンデンサへ電流が流入することを防止する逆流防止ダイオードを設置しても良い。
【００３３】
また、図７および図８では部位ごとに機能を分離したため昇圧コンバータ２とセル状態監視基板３を別のブロックとして示しているが、燃料電池モジュール内部の配置構成によっては、昇圧コンバータ２とセル状態監視基板３を同一のブロック、例えば同一の基板上に配置しても構わない。昇圧コンバータ２とセル状態監視基板３を同一のブロックに配置した場合、接続ケーブル６は省略できる。
【００３４】
図９は、図７および図８に示す燃料電池モジュール内部で行う最適電流指令値演算を含めた燃料電池スタックＭ１の発電制御ブロック図を示している。最初に、セル電圧検知部Ｍ３０１で検出された各セル電圧ＶｃＩＮを基準値Ｖｃ＿ｒｅｆと比較し、基準値Ｖｃ＿ｒｅｆよりもセル電圧が低下した場合にこれを異常と判断し電流指令値を絞り込むセル電圧静定ブロックＣＶＳ、コンバータ出力電圧検出値Ｍ２０５を所定のコンバータ出力電圧指令値Ｖ２＿ｒｅｆとの差分を最小とする電流指令値を決定する出力電圧制御ブロックＡＶＲ、電流指令値を微小変化させながら燃料電池スタックＭ１の発電電力が最大となる点に電流指令値を追従させる最大電力追従制御ブロックＭＰＰＴの各ブロックは、それぞれに所望の電流指令値を計算する。一方で、これらの各ブロックの出力する電流指令値の他にも、燃料電池モジュールの外部からシリアル通信やアナログ指令電圧を用いて、電流指令値Ｉｒｅｆ２、または電力指令値Ｐｒｅｆ２が入力可能である。燃料電池モジュールのユーザは所望の運転条件に合わせ、電圧静定ブロックＣＶＳ、出力電圧制御ブロックＡＶＲ、最大電力追従制御ブロックＭＰＰＴで得られた電流指令値、および燃料電池モジュールの外部から入力する電流指令値の中から、切り替えスイッチＳＷ１〜ＳＷ５の組み合わせで実際の電流指令値を選択することが出来る。選択された電流指令値の上限はＩｒｅｆ＿ｌｉｍＨ、下限は０に制限し、電流指令値とコンバータ入力電流検出値Ｍ２０４との差分を最小とする電流制御ＡＣＲにおいて所定の変調信号を得て、変調信号を三角波の搬送信号と比較しパルス幅制御ＰＷＭによりコンバータ制御パルスＭ２０６を作成する。ここで、例えば起動・停止シーケンスなど燃料電池スタックＭ１の発電電流を増加または減少させる際に、電流指令値の上限Ｉｒｅｆ＿ｌｉｍＨを調整すれば、燃料電池スタック１の急激な負荷変化を抑制して燃料電池スタック１へ与えるダメージを軽減することも可能である。また、コンバータ出力電圧指令値Ｖ２＿ｒｅｆには３００Ｖ〜４００Ｖを設定することにより、連系インバータＭ４０７との接続が容易となる。
【００３５】
以上述べたような燃料電池モジュールは、燃料電池セルの発電特性ノウハウに基づく発電電流調整を自動化し、燃料電池スタックを用いた発電システムの設計を簡易化できるものであるが、本燃料電池モジュールのセル電圧検知部Ｍ１０２およびスタック状態監視部Ｍ３０３に、実施例１で述べた本実施例の電圧検出装置を適用すれば、燃料電池モジュール内部における電池セル電圧の検出異常を防ぐことが出来る。
【実施例４】
【００３６】
本実施例について図１０を用いて説明する。前述の実施例３と同一の機能を有する構成要素については同一の符号を用いることとし、詳細な説明を省略する。図１０は、本実施例に示す燃料電池モジュールを使用した発電システムを示す。端子台Ｍ１３を介して電極Ｍ７ＰおよびＭ７Ｎには、連系インバータＭ４０７が電気的に接続される。連系インバータＭ４０７は端子台Ｍ１３に発生した電力を、商用交流電力系統Ｍ４０９の電圧振幅および周波数をもつ交流電力に逆変換を行う。連系インバータＭ４０７の逆変換により得た交流電力は、商用交流電力系統Ｍ４０９または系統負荷Ｍ４１１に供給される。また、筐体Ｍ１１の所定の接地端子には接地線Ｍ４１０が接続される。
【００３７】
水素製造装置Ｍ４０１は燃料電池スタックＭ１の燃料となる水素リッチガスを発生する装置であり、都市ガスや灯油より水素を抽出する改質装置や、水を電気分解する電解槽などを用いることができる。水素製造装置Ｍ４０１で発生した水素リッチガスは燃料ブロアＭ４０２により燃料供給手段Ｍ８ｉに送られる。排ガス排出手段Ｍ８ｏより排出された排ガスは水素製造装置へと循環し、排ガス中の水素は回収もしくは燃焼に利用される。冷却水タンクＭ４０３には燃料電池スタックＭ１で発生した熱を交換する熱媒体となる冷却水が貯水されており、冷却水は冷却水ポンプＭ４０４により熱媒体供給手段Ｍ９ｉへ送られる。ここで例えば、冷却水には純度の高い水を使用する。燃料電池スタックＭ１の熱を交換した後の冷却水は熱媒体排出手段９ｏから排出され、熱交換器Ｍ４０５を通過した後に冷却水タンクＭ４０３へと循環する。
【００３８】
システム制御Ｍ４０６は、連系インバータＭ４０７と系統負荷Ｍ４１１との接続点と、商用電力系統Ｍ４０９との間に設置された受電電力センサＭ４０８の検出した受電電流値Ｍ４１２と、燃料電池モジュールの通信コネクタＭ１２より得たモジュール状態信号Ｍ４１５とを監視しながら、燃料ブロア流量指令Ｍ４１３および冷却水ポンプ指令Ｍ４１４を指令する。
【００３９】
複数台の燃料電池モジュールを組み合わせる場合には、例えばモジュール状態信号Ｍ４１５の通信に関して、それぞれの燃料電池モジュールをマスタ／スレーブの選択を出来るようにして、システム制御Ｍ４０６にはマスタを選択した燃料電池モジュールからのみ通信用の配線を接続するようにしても良い。
【００４０】
以上述べた燃料電池システムは、燃料電池の発電した電力を例えば家庭などの商用の電力系統に接続して電力利用するシステムであるが、燃料電池を用いた発電システムに対し、本実施例の電池電圧検出装置を備えた燃料電池モジュールを適用すれば、燃料電池システムにおける電池セル電圧の検出異常を防ぐことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１に係わる電池電圧検出装置の概要を示す図。
【図２】実施例１の電池電圧検出装置におけるＡ／Ｄコンバータ素子周辺の例を示す図。
【図３】実施例１の電池電圧検出装置におけるＡ／Ｄコンバータ素子周辺の例を示す図。
【図４】実施例１の電池電圧検出装置におけるＡ／Ｄコンバータ素子の接続例を示す図。
【図５】実施例１の電池電圧検出装置におけるセル電圧検出フローの例を示す図。
【図６】実施例２の電池電圧検出装置におけるＡ／Ｄコンバータ素子の内部の例を示す図。
【図７】実施例３の燃料電池モジュールの概要を示す図。
【図８】実施例３の燃料電池モジュールの詳細構成の例を示す図。
【図９】実施例３の燃料電池モジュールにおける燃料電池スタックの発電制御ブロックの例を示す図。
【図１０】実施例４に係わる発電システムの概要を示す図。
【符号の説明】
【００４２】
１ａ１〜１ａ６、１ｂ１〜１ｂ６、１ｃ１〜１ｃ６…燃料電池セル、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｓａ、１ｓｂ、１ｓｃ…燃料電池ブロック、１、Ｍ１…燃料電池スタック、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｚ…Ａ／Ｄコンバータ素子、４…定電圧源、５…プロセッサ、７…絶縁手段、８…抵抗回路、９…バッファ回路、Ｖｃｃ…動作電源端子、Ｖｓ…グランド電位端子、Ｖｒｅｆ…基準電圧端子、Ａｉ…アナログ入力端子、Ｄｏ…デジタル出力端子、Ｄｉ１、Ｄｉ２…デジタル入力端子、Ｍ１１…筐体、Ｍ２…昇圧コンバータ、Ｍ３…セル状態監視基板、Ｍ１２…通信コネクタ、Ｍ１３…端子台、Ｍ８ｉ…燃料供給手段、Ｍ８ｏ…排ガス排出手段、Ｍ９ｉ…熱媒体供給手段、Ｍ９ｏ…熱媒体排出手段、Ｍ１０１…電圧検出端子、Ｍ３０１…セル電圧検知部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の電池を直列接続した電池ブロックの内部の電池の電圧を検出する電圧検出素子と、
該電圧検出素子の動作電源の電圧を検出する別の電圧検出素子とを備え、
前記電圧検出素子の動作電源が、前記電池ブロックの内部または前記電池ブロックの両端の電圧から供給され、
前記別の電圧検出素子の動作電源が、前記電池ブロックの外部の電圧源から供給され、前記別の電圧検出素子の動作電源が、前記電圧検出素子の動作電源よりも電圧変動が少ない電源を用いていることを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
複数個の該電池ブロックを直列接続した電池スタックを備え、前記別の電圧検出素子の動作電源が、前記複数個の該電池ブロックを直列接続した電池スタック内部の少なくとも１つの前記電池ブロックを含む電池の直列接続体であることを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記電圧検出素子と前記別の該電圧検出素子とが、アナログ−デジタルデータ変換機能を有する半導体素子であることを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記電池電圧検出装置が、前記電圧検出素子と前記別の電圧検出素子のデジタル信号の電位とを絶縁する絶縁手段を備え、前記電圧検出素子が備えたデジタルデータバスを、該絶縁手段を介して前記別の電圧検出素子が備えたデジタルデータバスに並列接続し、前記電圧検出素子と前記別の電圧検出素子のデジタル通信プロトコルとを互換可能としたことを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項５】
請求項３において、
前記電池電圧検出装置が、通信およびデータ保存を行うプロセッサ素子を備え、該プロセッサ素子が、前記電圧検出素子および前記別の電圧検出素子とデジタルデータ通信を行うことを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記電池電圧検出装置が、前記電圧検出素子の動作電源のグランド電位と該プロセッサ素子のグランド電位を共通としたことを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記電池電圧検出装置が、電圧を測定する対象となる目標電池を定め、該目標電池の両端の電位差を該目標電池に接続された前記電圧検出素子で測定するとともに、前記電圧検出素子の動作電源の両端の電位差を、前記別の電圧検出素子で測定し、該別の電圧検出素子で測定した電位差が所定の電圧閾値以上であれば、前記目標電池の両端の電位差測定値の正常処理を行い、別の電圧検出素子で測定した電位差が所定の電圧閾値未満であれば、前記目標電池の両端の電位差測定値の異常処理を行うことを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項８】
請求項３において、
前記電圧検出素子が、アナログ−デジタル変換の基準電圧と、グランド端子とを備え、前記電圧検出素子が接続する前記電池ブロックの最高電位を前記基準電圧に、前記電圧検出素子が接続する前記電池ブロックの最低電位を該グランド端子にそれぞれ接続したことを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記電池電圧検出装置が、
前記電圧検出素子のデジタル出力値と前記別の電圧検出素子のデジタル出力値の乗算を含む電池電圧検出アルゴリズムに基づいて電池電圧を検出していることを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項１０】
複数個の電池サブモジュールとプロセッサ素子とを備え、
該電池サブモジュールが、複数個の電池を直列接続した電池ブロックと絶縁型通信手段とを有し、複数個の前記電池サブモジュール内の前記電池ブロックの最低電位は互いに異なる電位であって、前記電池ブロック両端の電位の測定と、前記絶縁型通信手段との通信と、プロセッサ素子の駆動とを共通の定電圧源を用いて行う電池電圧検出装置。
【請求項１１】
複数個の燃料電池を直列接続した燃料電池ブロックの内部の燃料電池の電圧を検出する電圧検出素子と、
該電圧検出素子の動作電源の電圧を検出する別の電圧検出素子とを備え、
前記電圧検出素子の動作電源が、前記燃料電池ブロックの内部または前記燃料電池ブロックの両端の電圧から供給され、
前記別の電圧検出素子の動作電源が、前記燃料電池ブロックの外部の電圧源から供給され、前記別の電圧検出素子の動作電源が、前記電圧検出素子の動作電源よりも電圧変動が少ない電源を用いていることを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項１２】
請求項１１において、前記複数個の燃料電池が固体高分子型燃料電池であることを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項１】
複数個の電池を直列接続した電池ブロックの内部の電池の電圧を検出する電圧検出素子と、
該電圧検出素子の動作電源の電圧を検出する別の電圧検出素子とを備え、
前記電圧検出素子の動作電源が、前記電池ブロックの内部または前記電池ブロックの両端の電圧から供給され、
前記別の電圧検出素子の動作電源が、前記電池ブロックの外部の電圧源から供給され、前記別の電圧検出素子の動作電源が、前記電圧検出素子の動作電源よりも電圧変動が少ない電源を用いていることを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
複数個の該電池ブロックを直列接続した電池スタックを備え、前記別の電圧検出素子の動作電源が、前記複数個の該電池ブロックを直列接続した電池スタック内部の少なくとも１つの前記電池ブロックを含む電池の直列接続体であることを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記電圧検出素子と前記別の該電圧検出素子とが、アナログ−デジタルデータ変換機能を有する半導体素子であることを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記電池電圧検出装置が、前記電圧検出素子と前記別の電圧検出素子のデジタル信号の電位とを絶縁する絶縁手段を備え、前記電圧検出素子が備えたデジタルデータバスを、該絶縁手段を介して前記別の電圧検出素子が備えたデジタルデータバスに並列接続し、前記電圧検出素子と前記別の電圧検出素子のデジタル通信プロトコルとを互換可能としたことを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項５】
請求項３において、
前記電池電圧検出装置が、通信およびデータ保存を行うプロセッサ素子を備え、該プロセッサ素子が、前記電圧検出素子および前記別の電圧検出素子とデジタルデータ通信を行うことを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記電池電圧検出装置が、前記電圧検出素子の動作電源のグランド電位と該プロセッサ素子のグランド電位を共通としたことを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記電池電圧検出装置が、電圧を測定する対象となる目標電池を定め、該目標電池の両端の電位差を該目標電池に接続された前記電圧検出素子で測定するとともに、前記電圧検出素子の動作電源の両端の電位差を、前記別の電圧検出素子で測定し、該別の電圧検出素子で測定した電位差が所定の電圧閾値以上であれば、前記目標電池の両端の電位差測定値の正常処理を行い、別の電圧検出素子で測定した電位差が所定の電圧閾値未満であれば、前記目標電池の両端の電位差測定値の異常処理を行うことを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項８】
請求項３において、
前記電圧検出素子が、アナログ−デジタル変換の基準電圧と、グランド端子とを備え、前記電圧検出素子が接続する前記電池ブロックの最高電位を前記基準電圧に、前記電圧検出素子が接続する前記電池ブロックの最低電位を該グランド端子にそれぞれ接続したことを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記電池電圧検出装置が、
前記電圧検出素子のデジタル出力値と前記別の電圧検出素子のデジタル出力値の乗算を含む電池電圧検出アルゴリズムに基づいて電池電圧を検出していることを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項１０】
複数個の電池サブモジュールとプロセッサ素子とを備え、
該電池サブモジュールが、複数個の電池を直列接続した電池ブロックと絶縁型通信手段とを有し、複数個の前記電池サブモジュール内の前記電池ブロックの最低電位は互いに異なる電位であって、前記電池ブロック両端の電位の測定と、前記絶縁型通信手段との通信と、プロセッサ素子の駆動とを共通の定電圧源を用いて行う電池電圧検出装置。
【請求項１１】
複数個の燃料電池を直列接続した燃料電池ブロックの内部の燃料電池の電圧を検出する電圧検出素子と、
該電圧検出素子の動作電源の電圧を検出する別の電圧検出素子とを備え、
前記電圧検出素子の動作電源が、前記燃料電池ブロックの内部または前記燃料電池ブロックの両端の電圧から供給され、
前記別の電圧検出素子の動作電源が、前記燃料電池ブロックの外部の電圧源から供給され、前記別の電圧検出素子の動作電源が、前記電圧検出素子の動作電源よりも電圧変動が少ない電源を用いていることを特徴とする電池電圧検出装置。
【請求項１２】
請求項１１において、前記複数個の燃料電池が固体高分子型燃料電池であることを特徴とする電池電圧検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２３２４１７（Ｐ２００７−２３２４１７Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１４６４（Ｐ２００６−５１４６４）
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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