JP2006153688A - 電圧測定装置および電圧測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力電圧が被検出体からの出力によるものか接続不良によるものかを判別して、電圧監視の信頼性を向上できる電圧測定装置および電圧測定方法を提供する。
【解決手段】 端子３と端子４と間に配列されるコンデンサＣと、コンデンサＣに燃料電池ＦＣから出力され得る範囲外の電圧となるように予め蓄電するプリチャージ手段３０Ａと、コンデンサＣの電圧を測定する電圧計４０とを備えている。端子３，４を燃料電池に設けられた検出端子２４ａ，２５ａと接続した状態で、第１スイッチＳＷ１を接続して、コンデンサＣに電圧が−Ｖ０となる電荷を蓄電した後に、第２スイッチＳＷ２を接続することで、検出端子２４ａ，２５ａとコネクタ２との接続が正常であればコンデンサＣの電圧がセル電圧Ｖｃとなり、接続が不良であればコンデンサＣの電圧がＶ０となる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電源電圧の監視などに用いることができる電圧測定装置および電圧測定方法に関する。

燃料電池自動車等に搭載される燃料電池は、例えば、固体高分子電解質膜の両側をアノード電極とカソード電極とで挟み、さらにその外側を一対のセパレータで挟持して形成されたセルを多数積層して構成されている。この種の燃料電池には、セルに不具合が発生した場合にその不具合を早期発見できるように各セルの電圧を監視するための電圧監視装置が設けられている。例えば、特許文献１に記載の燃料電池では、各セルのセパレータにそれぞれ検出端子を設け、これら検出端子に複数の端子を備えたコネクタを接続して電圧を監視している。
特開平１１−３３９８２８号公報（段落０００９）

ところで、燃料電池では、各個別のセルのセル電圧が１Ｖ（ボルト）程度と小さいため、多数のセルを直列に接続することで、大きな電圧を得るようになっている。このため、一つのセルに不具合が発生して起電力が低下すると、その他の正常なセルにまで不具合が広がるおそれがあり、その結果、燃料電池から得られる全体の電力量の低下を招く。したがって、各セルの電圧を正確に測定することが要求されている。

しかし、燃料電池では、不具合が発生した場合でなくても発電されずにセル電圧が０ボルトと出力される場合があるため、検出された出力電圧が、実際のセル電圧によるものなのか、検出端子とコネクタの端子との導通不良によるものなのかを区別することができないという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、出力電圧が被検出体からの出力によるものか接続不良によるものかを確実に判別して、電圧監視の信頼性を向上できる電圧測定装置および電圧測定方法を提供することを目的とする。

本発明の電圧測定装置は、被検出体に設けられた少なくとも一対の検出端子に、対応する端子を接続して、対となる前記検出端子間の出力電圧を測定する電圧測定装置であって、対となる前記端子間に配列されるコンデンサと、前記被検出体が出力し得る範囲外の所定電圧で前記コンデンサを予め蓄電するプリチャージ手段と、対となる前記検出端子と対となる前記端子とを接続したときに、前記コンデンサの電圧を測定する電圧検出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の電圧測定装置によれば、電圧検出手段により検出されたコンデンサの電圧が、プリチャージ手段により蓄電した電圧のままである場合には、検出端子と端子とが接続不良であると判断でき、プリチャージ手段により蓄電された電圧とは異なる電圧が検出された場合には、被検出体の出力電圧であると判断できる。しかも、接続が正常であれば、検出された電圧が被検出体の出力電圧であると判断できる。

前記所定電圧は、前記被検出体の出力電圧に対して負の電圧であることが好ましい。被検出体の電圧に対して負の電圧をコンデンサに蓄電することにより、検出端子と端子との接続が正常である場合に、被検出体を充電する方向に作用することがないため、被検出体が劣化するのを防止できる。

例えば、前記被検出体は、発電するセルを複数積層してなる燃料電池である。燃料電池のように、多数の検出端子を備え、０ボルトの出力電圧もあり得る場合の監視において、特に有効である。

また、本発明の電圧測定方法は、被検出体に設けられた少なくとも一対の検出端子と、対応する端子を接続して、前記検出端子間の出力電圧を測定する電圧測定方法であって、対となる前記端子間に配列されるコンデンサを接続し、前記被検出体が出力し得る範囲外の所定電圧で前記コンデンサを予め蓄電した後に、対となる前記検出端子と対となる前記端子とを接続して、前記コンデンサの電圧を測定することを特徴とする。

前記本発明の電圧測定方法によれば、蓄電した電圧がそのまま検出された場合には、検出端子と端子とが接続不良であると判断でき、蓄電された電圧とは異なる電圧が検出された場合には、被検出体の出力電圧であると判断できる。しかも、接続が正常であれば、検出された電圧が被検出体の出力電圧であると判断できる。

本発明によれば、出力電圧が被検出体によるものか、検出端子と端子との接続不良によるものかを判別して、電圧監視の信頼性を向上できる。また、組立時に検出端子と端子とが正常に組み付けられているかを判断することも可能になる。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の電圧測定装置を燃料電池に装着する前の状態を示す分解斜視図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、図３は、第１実施形態の電圧測定装置を示す回路図、図４は、各スイッチの切替動作に基づく出力電圧の変化を示すタイミングチャート、図５は、図４の各区間Ａ〜Ｄにおける状態を示す回路図である。なお、以下では、本実施形態の電圧測定装置１を燃料電池（被検出体）ＦＣに搭載した場合について説明する。また、図３および図５では、ひとつのセル２０の出力電圧を検出する回路図を図示している。

図１に示すように、この電圧測定装置１Ａは、複数の端子３，４を有するコネクタ２を備えている。端子３と端子４は、図１に示すＹ方向に互い違いに、かつ、Ｘ方向に向けて並んで配列されている。また、コネクタ２には、回路基板１０が一体に組み込まれ、その上面に端子３，４および回路基板１０の全体を覆うカバー部材５が設けられる。コネクタ２は、カバー部材５とともにネジ６，６，６を介して燃料電池ＦＣを収納するボックスＢ上に固定されている。また、コネクタ２には、ハーネスＨが接続され、このハーネスＨを介して端子３，４および回路基板１０と、後記する制御部５０とが接続されるようになっている。

図２に示すように、前記燃料電池ＦＣは、固体高分子電解質膜２１の一面側にアノード電極２２を設け、他面側にカソード電極２３を設け、さらにその外側を一対の導電性を有するセパレータ２４，２５で挟持して形成されたセル（単セル）２０を多数積層して構成されている。この燃料電池ＦＣでは、個別のセル２０のセル電圧（起電力）が１Ｖ（ボルト）程度であり、各セル２０が直列に接続されることにより大きな電圧（大出力）が得られるようになっている。各セパレータ２４，２５には、その上端部に検出端子２４ａ，２５ａが設けられ、この検出端子２４ａ，２５ａの先端が前記ボックスＢから上方に突き出ている。前記コネクタ２がボックスＢ上の所定位置に固定されたときに、各検出端子２４ａが各端子３と接続され、各検出端子２５ａが各端子４と接続されるようになっている。

図３に示すように、第１実施形態の電圧測定装置１Ａは、端子３と端子４との間に配列されるコンデンサＣと、プリチャージ手段３０Ａと、コンデンサＣの両端の電圧を測定する電圧計（電圧検出手段）４０と、制御部５０とを備えて構成されている。

前記プリチャージ手段３０Ａは、蓄電用電源３１ａと第１スイッチＳＷ１とで構成され、蓄電用電源３１ａの一端のプラス極側がグランドＧ１と接続され、他端のマイナス極側が第１スイッチＳＷ１を介して前記コンデンサＣと接続されている。なお、第１スイッチＳＷ１は、蓄電用電源３１ａとコンデンサＣとを接続または遮断可能なスイッチである。

また、前記端子３と前記コンデンサＣとの間には、第２スイッチＳＷ２と、所定の抵抗値を有する抵抗体Ｒが直列に接続された状態で設けられている。この実施形態では、第２スイッチＳＷ２が端子３と接続され、抵抗体ＲがコンデンサＣと接続されている。また、端子４とコンデンサＣとの間が、グランドＧ２に接続されている。なお、第２スイッチＳＷ２は、端子３と抵抗体Ｒとを接続または遮断可能なスイッチであり、燃料電池ＦＣに設けられた検出端子２４ａ，２５ａと電圧測定装置１Ａに設けられた端子３，４とを単に繋いだだけでは導通可能とはならず、第２スイッチＳＷ２をオンにして始めて導通可能となるように構成されている。

前記制御部５０は、所定の制御信号に基づいて第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２のオンオフ動作をそれぞれ制御することができ、また、前記電圧計４０により測定された電圧値を取得することができる。

前記電圧測定装置１Ａでは、例えば、前記したコンデンサＣ、抵抗体Ｒ、第２スイッチＳＷ２、電圧計４０が回路基板１０に組み込まれ、制御部５０およびプリチャージ手段３０Ａが前記ハーネスＨを介してコネクタ２とは別の場所に設けられている。また、本実施形態のコンデンサＣとしては、燃料電池ＦＣのセル電圧が入力される部分、例えば回路基板１０に、ノイズ除去用、電圧の安定化のためのフィルタとして既に設けられている平滑用コンデンサなどを流用することができる。したがって、新たにコンデンサを設ける必要がないので、回路を安価に構成することができる。

次に、第１実施形態の電圧測定装置１Ａの動作について図３ないし図５を参照して説明する。なお、以下の説明では、燃料電池ＦＣのセル２０のセル電圧をＶｃとし、蓄電用電源３１ａから得られる電源電圧をＶ０とする（図３参照）。ただし、電圧Ｖ０は、セル電圧Ｖｃが出力し得る範囲外の電圧が設定される。例えば、セル電圧Ｖｃが、０〜１．３Ｖの範囲内で変化するものであれば、電圧Ｖ０が、前記範囲外の電圧に設定される。また、図３および図５では、検出端子２４ａ，２５ａと端子３，４との接続部分を接点Ｓ１，Ｓ２として図示している。

まず、図３に示すように、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２をそれぞれＯＦＦにした状態で、燃料電池ＦＣに設けられた検出端子２４ａ，２５ａとコネクタ２に設けられた端子３，４とを接続する。そして、図４の区間Ａおよび図５（ａ）に示すように、制御部５０からの制御信号によって第１スイッチＳＷ１がＯＮに切り替えられる。これにより、図５（ａ）に示すように、コンデンサＣに対して蓄電が開始され、コンデンサＣの一方の蓄電用電源３１ａ側の電極板ｃ１（図３参照）が負に帯電され、他方の電極板ｃ２（図３参照）が正に帯電されるように蓄電され、コンデンサＣの電圧が−Ｖ０となったときに蓄電が終了する。なお、このときの電圧−Ｖ０におけるマイナス符号は、セル２０の電圧Ｖｃに対して負であることを示している。

そして、図４の区間Ｂおよび図５（ｂ）に示すように、第１スイッチＳＷ１をＯＦＦに切り替えると、コンデンサＣは、電圧−Ｖ０の電荷を保持したままとなる。

そして、図４の区間Ｃおよび図５（ｃ−１）に示すように、第２スイッチＳＷ２がＯＮに切り替えられる。このとき、検出端子２４ａ，２５ａと端子３，４との接点Ｓ１，Ｓ２が正常に導通していれば、図４（ｃ）に示すように、コンデンサＣの電圧−Ｖ０が、燃料電池ＦＣのセル電圧Ｖｃに置き換わる。この場合、図５（ｃ−１）に示すように、コンデンサＣの電極板ｃ１（図３参照）側が正に帯電され、電極板ｃ２（図３参照）側が負に帯電された状態で、コンデンサＣに電圧Ｖ０の電荷が与えられる。前記制御部５０（図３参照）では、コンデンサＣの電圧が、予め充電した電圧値−Ｖ０からセル電圧Ｖｃに変化することで、検出端子２４ａ，２５ａと端子３，４との接点Ｓ１，Ｓ２が正常であると判断される。また、この場合、検出された電圧値は、セル電圧Ｖｃであると判断できる。その後、図４の区間Ｄおよび図５（ｄ）に示すように、第２スイッチＳＷ２がＯＦＦに切り替えられて、処理を終了する。

また、図４の区間Ｃおよび図５（ｃ−２）に示すように、第２スイッチＳＷ２がＯＮに切り替えられたときに、検出端子２４ａ，２５ａとコネクタ２との接点Ｓ１，Ｓ２が不良の場合には、図４（ｄ）に示すように、コンデンサＣの電圧は、−Ｖ０のままである。前記制御部５０では、コンデンサＣの電圧が、予め充電した電圧値−Ｖ０のままであるので、検出端子２４ａ，２５ａと端子３，４との接点Ｓ１，Ｓ２が不良であると判断される。

このように、第１実施形態の電圧測定装置１Ａでは、検出端子２４ａ，２５ａとコネクタ２の端子３，４とが正常に接続されているか否かをコンデンサＣの電圧を監視することで容易に判断することができる。また、燃料電池ＦＣでは、走行モータなどの外部負荷から発電の要求がなされておらず発電が行われていない場合にセル電圧が０ボルトとなるが、このように０ボルトが出力される場合であっても、出力電圧が、燃料電池ＦＣのセル電圧Ｖｃであるのか接点Ｓ１，Ｓ２の不良によるものかを容易に判別することが可能になる。

また、前記したように、前記コンデンサＣに、セル電圧Ｖｃに対して負の電圧の電荷を蓄電することにより、燃料電池ＦＣがコンデンサＣを充電する方向に作用するので、燃料電池ＦＣに対する負荷を小さくでき、燃料電池ＦＣの劣化を防止できるようになる。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の電圧測定装置を示す回路図、図７は、各スイッチの切替動作に基づく出力電圧の変化を示すタイミングチャートである。この第２実施形態の電圧測定装置１Ｂは、前記電圧測定装置１Ａでの蓄電用電源３１ａを、Ｖ１の電源電圧を有する蓄電用電源３１ｂに変更し、かつ、正負逆に配置したものである。なお、この場合の電圧Ｖ１は、前記セル電圧Ｖｃが取り得る電圧とは異なる電圧が設定される。例えば、前記したようにセル電圧Ｖｃが０〜１．３ボルトであれば、電圧Ｖ１は、１．３ボルトよりも大きな１．５ボルトや２ボルトなどが設定される。電圧Ｖ１として、セル電圧Ｖｃの上限値に近い電圧が設定されることにより、蓄電時における無駄な電力の消費を抑えることができる。

第２実施形態では、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２をそれぞれＯＦＦにした状態で、燃料電池ＦＣに設けられた検出端子２４ａ，２５ａと端子３，４とを接続すると、図７の区間Ａに示すように、コンデンサＣに電圧Ｖ１の電荷が蓄電された後に、図７の区間Ｂに示すように、第１スイッチＳＷ１がＯＦＦに切り替えられる。そして、図７の区間Ｃに示すように、第２スイッチＳＷ２がＯＮに切り替えられると、検出端子２４ａ，２５ａと端子３，４との接点Ｓ１，Ｓ２が正常であれば、図７（ｃ）に示すように、コンデンサＣの電圧Ｖ１が、燃料電池ＦＣのセル電圧Ｖｃに置き換わる。また、検出端子２４ａ，２５ａと端子３，４との接点Ｓ１，Ｓ２が不良の場合には、図７（ｄ）に示すように、コンデンサＣの電圧は、Ｖ１のままである。

第２実施形態の場合も、コンデンサＣの電圧を測定することで、検出端子２４ａ，２５ａと端子３，４との接点Ｓ１，Ｓ２が正常であるか不良であるかを容易に判断できるようになる。また、第２実施形態のように、セル電圧Ｖｃに対して正の電圧でコンデンサＣに蓄電した場合には、特別な電圧処理を不要にできる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態の電圧測定装置を示す回路図である。第３実施形態の電圧測定装置１Ｃは、第１実施形態の電圧測定装置１Ａの構成に、制御部５０によりオンオフに切替可能な第３スイッチＳＷ３を追加した構成である。このように、第３スイッチＳＷ３を設けて絶縁型としてもよい。なお、第２実施形態の電圧測定装置１Ｂについても、図８と同様にして、第３スイッチを設けて絶縁型としてもよい。

本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、第２スイッチＳＷ２を設けない構成であってもよい。この場合には、プリチャージ手段３０Ａ，３０Ｂによりセル電圧Ｖｃの出力電圧とは異なる電圧−Ｖ０，Ｖ１でコンデンサＣに予め蓄電した後に、検出端子２４ａ，２５ａと端子３，４とを接続するようにしてもよい。この場合も、接点Ｓ１，Ｓ２が正常であれば、コンデンサＣの電圧がセル電圧Ｖｃに変化し、接点Ｓ１，Ｓ２が異常であれば、コンデンサＣの電圧−Ｖ０，Ｖ１は変化せずにそのままとなる。

また、前記した実施形態では、接点Ｓ１，Ｓ２の状態についてのみ説明したが、接点Ｓ１，Ｓ２以外の回路上が断線した場合であっても、コンデンサＣの電圧を監視することにより接続不良であるか否かを確実に検出することができる。

なお、前記した電圧測定装置１Ａ，１Ｂを作動させる時期としては、例えば、燃料電池ＦＣの起動時に実行してもよく、あるいは、定期的または連続的に実行してもよい。また、前記した実施形態では、燃料電池ＦＣを例に挙げて説明したが、ハイブリッド車に設けられるバッテリの電圧監視にも適用できる。

本実施形態の電圧測定装置を燃料電池に装着する前の状態を示す分解斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 第１実施形態の電圧測定装置を示す回路図である。 第１実施形態での各スイッチの切替動作に基づく出力電圧の変化を示すタイミングチャートである。 図４の各区間Ａ〜Ｄにおける状態を示す回路図である。 第２実施形態の電圧測定装置を示す回路図である。 第２実施形態での各スイッチの切替動作に基づく出力電圧の変化を示すタイミングチャートである。 第３実施形態の電圧測定装置を示す回路図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 電圧測定装置
２ コネクタ
３，４ 端子
２４，２５ セパレータ
２４ａ，２５ａ 検出端子
２０ セル
３０Ａ，３０Ｂ プリチャージ手段
４０ 電圧計（電圧検出手段）
５０ 制御部
Ｃ コンデンサ
ＦＣ 燃料電池（被検出体）
Ｓ１，Ｓ２ 接点
ＳＷ１ 第１スイッチ
ＳＷ２ 第２スイッチ
ＳＷ３ 第３スイッチ

Claims (4)

1. 被検出体に設けられた少なくとも一対の検出端子に、対応する端子を接続して、対となる前記検出端子間の出力電圧を測定する電圧測定装置であって、
   対となる前記端子間に配列されるコンデンサと、前記被検出体が出力し得る範囲外の所定電圧で前記コンデンサを予め蓄電するプリチャージ手段と、対となる前記検出端子と対となる前記端子とを接続したときに、前記コンデンサの電圧を測定する電圧検出手段と、を備えることを特徴とする電圧測定装置。
2. 前記所定電圧は、前記被検出体の出力電圧に対して負の電圧であることを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
3. 前記被検出体は、発電するセルを複数積層してなる燃料電池であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電圧測定装置。
4. 被検出体に設けられた少なくとも一対の検出端子に、対応する端子を接続して、前記検出端子間の出力電圧を測定する電圧測定方法であって、
   対となる前記端子間に配列されるコンデンサを接続し、前記被検出体が出力し得る範囲外の所定電圧で前記コンデンサを予め蓄電した後に、対となる前記検出端子と対となる前記端子とを接続して、前記コンデンサの電圧を測定することを特徴とする電圧測定方法。

Images