JP2006153758A - 接触検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多数の測定点で入力が正常に接続されているかどうかを同時に効率よく検知する方法を提供する。
【解決手段】 コネクタ端子と接地との間に設けられたフィルタのコンデンサＦ１〜Ｆ４に所定の電圧を充電させるＳＷ１〜ＳＷ４を設け、所定の電圧として電池セルＣ１〜Ｃ４が動作中に取り得る範囲外の電圧を充電し、コネクタ端子と接続点との接触によって生じるコンデンサＦ１〜Ｆ４の端子電圧の変化を検出して断線などの接触状態を検知する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、特に、起電力を有するものを対象にした接点間などの電気的な接触検知の方法に関する。

燃料電池は、燃料ガスと酸素とを電気化学的に反応させて起電力を得る装置であり、各個別セルの起電力はせいぜい１Ｖ程度に過ぎないため、一般的に数十から数百セルを積層した燃料電池スタックで使用される。

燃料電池スタックを構成する各セルが正常な状態にあるかどうか知るを手段として各セル電圧の測定が行われる。燃料電池の運転中に、一つのセルに異常が生じた場合、そのセルの電圧が顕著に低下するため、個別のセルの電圧を測定していれば異常が発生したことが分かり、直ちに発電量を制限し電池の運転を停止させることによって、異常の拡大を防止することができる。

燃料電池の各セルから電圧を検出するため、例えば、図７に示すように燃料電池スタック２を構成する各セル１０２を分離するセパレータに突起状の電圧測定用端子１０１を設けるようにして、セパレータに挟まれた個別セル１０２の電圧を測定する例が報告されている（特許文献１参照）。このようにすると、セパレータの端面に穴を開ける必要がないため、燃料電池が小型になってセル１０２やセパレータの厚さが薄くなっても電圧測定用の端子を取り付け、これにリード線のソケットを接続でき、個別セルの電圧の測定を容易にすることができる。
しかしながら、実際の測定では、リード線で引き出した端子電圧を電圧測定器に接続するという次の作業がさらに必要になる。また、端子にリード線を接続するには、例えば、燃料電池のセパレータの側面に接触する複数の針状電圧測定素子とこの針状電圧測定素子に弾性力を付与する付勢手段を設けた例が報告されている（特許文献２参照）。
特開平１１−３３９８２８号公報 特開２００２−３１３３９８号公報

しかしながら、燃料電池のようにセル数が多い場合に、使用環境によっては、例えば電気自動車で利用されるとき、振動などによって接触不良の恐れが依然として存在し、測定点と電圧測定器の端子との接続が確実に行われているかどうかの検証が必要になる。
燃料電池のセル電圧の測定のように多数の測定点の電圧を測定する場合には、多入力の電圧測定装置の入力端子と測定点との接続が確実に行われているかどうかを検知することになるが、しかしながら、従来には正確で効果的な接触検知方法が報告された例はなかった。
本発明は、比較的簡単な方法で、多数の測定点から入力が正常に接続されているかどうかを同時に効率よく検知する、接触検知方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、直列に接続された複数の起電力素子の隣り合う接続点間の電位差をコネクタ端子を介して測定する電圧測定装置での前記コネクタ端子と前記接続点との接触検知方法において、前記コネクタ端子と接地との間に設けられた蓄電素子と、前記蓄電素子を所定の電圧に充電させる充電手段とを設け、前記充電手段は前記所定の電圧として前記起電力素子が動作中に前記接続点間が取り得る範囲外の電圧を予め前記蓄電素子に充電し、前記コネクタ端子と前記接続点との接触によって生じる前記蓄電素子の端子電圧の変化を検出して接触を検知するものとした。

請求項２に記載の発明は、前記所定の電圧は前記起電力素子の起電力に対して極性が反転しているものとした。

請求項３に記載の発明は、前記蓄電素子は低域ろ波フィルタのコンデンサであるものとした。

請求項４に記載の発明は、前記直列に接続された複数の起電力素子は燃料電池のセルであるものとした。

このようにすることにより、例えば電圧測定装置の入力回路に備えられた蓄電素子としてのコンデンサに対して充電し、そしてスイッチ手段をオンにして起電力素子の電圧の測定するとき、コンデンサの電圧の変化で起電力素子と入力回路との接触状態を検知可能になり容易に検知できる効果が得られる。

次に、本発明の実施の形態について添付図面にそって説明する。
図１は、本発明の接触検知方法を実行する基本回路とその動作の説明図である。図２は図１の回路での各部の動作と波形を示すタイムチャートである。

図１において、符号Ｃは電圧測定対象の電池セル、符号Ｃｆはプリチャージ用のコンデンサ、符号ＥはコンデンサＣｆを充電する充電回路の出力電圧、符号ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂはスイッチ、符号Ｒ１、Ｒ２は抵抗、符号Ｖは電圧測定器、符号ＧＮＤは接地である。この基本回路は図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）の順に動作して電圧測定対象の電池セルＣの電極端子である測定点と電圧測定回路との接触を検知する。また、図２（ａ）はスイッチＳＷ１ａおよびＳＷ１ｂのオンオフを、図２（ｂ）はスイッチＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂのオンオフを示し、図２（ｃ）は測定点の接触が正常な場合のコンデンサＣｆの端子電圧の変化を示す波形、図２（ｄ）は測定点の接触がない（不良な）場合のコンデンサＣｆの端子電圧の変化を示す波形である。

図１および図２にそって本発明の接触検知方法の基本動作を説明する。
まず、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、ＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂがすべてオープンの状態から、図１（ａ）のようにスイッチＳＷ１ａおよびＳＷ１ｂをオンにする。これは図２（ａ）での時刻ｔ１に当たる。これによって出力電圧Ｅの電気がスイッチＳＷ１ａおよびＳＷ１ｂを介してコンデンサＣｆに電流として流れ、図２（ｃ）、（ｄ）に示すようにコンデンサＣｆは徐々に充電され、最終的にコンデンサＣｆの端子電圧は出力電圧Ｅ（Ｖ）になる。充電が終わると、図１（ｂ）のようにスイッチＳＷ１ａおよびＳＷ１ｂをオフにする。これは図２（ａ）での時刻ｔ２に当たる。この状態では、コンデンサＣｆから電流は流れないので、スイッチＳＷ１ａおよびＳＷ１ｂをオフにしても図２（ｃ）または図２（ｄ）に示すコンデンサＣｆの端子電圧はＥ（Ｖ）に保たれる。

次に、図１（ｃ）のようにスイッチＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂをオンにする。これは図２（ｂ）での時刻ｔ３に当たる。これによって、電池セルＣの測定点での接触すなわち、電池セルＣとコンデンサＣｆとの接続が正常である場合には、電池セルＣからスイッチＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂを介してコンデンサＣｆに電流が流れ、図２（ｃ）に示すようにコンデンサＣｆは徐々に充電され、最終的にコンデンサＣｆの端子電圧は電池セルＣの発電電圧Ｖｃ（Ｖ）になる。このように、スイッチＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂをオンにすることによって、コンデンサＣｆの端子電圧が変化した場合には、電池セルＣから測定点の接続とスイッチＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂを経てコンデンサＣｆに電流が流れたことが確かめられるので、測定点での接触とスイッチＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂの動作がいずれも正常であることが立証できる。

一方、測定点での接触あるいはスイッチＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂの動作のうちのいずれかが正常でなく、電池セルＣからスイッチＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂを介してコンデンサＣｆに電流が流れなかった場合には、図２（ｄ）に示すようにコンデンサＣｆの端子電圧は変化せず、Ｅ（Ｖ）のままに保たれる。このように、スイッチＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂをオンにしてもコンデンサＣｆの端子電圧が変化しなかった場合には、電池セルＣからコンデンサＣｆに電流が流れなかったと考えられるので、測定点での接触不良かスイッチＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂのいずれかの動作が正常でないと考えられる。

なお、コンデンサＣｆの端子電圧の変化が正しく認識できるように、出力電圧Ｅは通常の動作時に電池セルＣが取りえない電圧に設定することが好ましい。また、電池セルＣに外部から電流が流れ込むと、電池セルＣ内部で発熱するなどの影響が生じ、これが電池セルＣに悪影響を及ぼす虞があるため、出力電圧Ｅは動作時に電池セルＣが取り得る電圧よりも低い、例えば負の電圧であることが好ましい。

次に、本発明の一実施の形態について説明する。図１の例は単一入力の例であるが、複数の入力について同時に接触検知を行う場合には、複数の電池セルからの入力電圧が絡み合うため、検知に特別な工夫が必要になる。

図３は、同時に直列に接続された４個の電池セルＣの起電力を同時に測定する電圧測定装置における入力回路を示す回路図である。次に、図３に基づいて本発明の接触検知方法を説明する。この入力回路１０では、各電池セルの電圧を四つずつ検出できる。図３において、符号Ｂ１〜Ｂ５はバッファ、符号Ｃ１〜Ｃ４は電圧測定対象である電池セル、符号Ｄ１〜Ｄ４は差動増幅器、Ｆ１〜Ｆ４は低域ろ波フィルタを構成するコンデンサ、符号Ｓ１〜Ｓ５はフォトＭＯＳスイッチ、符号ＧＮＤは接地である。コンデンサＦ（Ｆ１〜Ｆ４）と抵抗で構成された低域ろ波フィルタは、入力回路１０の入力端子に接続され、電池セルの電圧を測定する際に印加されたノイズを除去し、電圧を安定化させている。このコンデンサＦは入力回路１０と電池セルとの接触を検出するためにも利用される。すなわち、前記したようにこの実施の形態では、この低域ろ波フィルタのコンデンサＦを予め充電し、フォトＭＯＳスイッチをオンにして入力回路１０の各端子を電池セルに接続したとき、フォトＭＯＳスイッチオン前後のコンデンサＦ（Ｆ１〜Ｆ４）の電圧の変化で電池セルＣ（Ｃ１〜Ｃ４）の測定点と入力端子の間の接触不良を検出するようにしている。

具体的には、低域ろ波フィルタのコンデンサＦ（Ｆ１〜Ｆ４）を別々の電圧に充電して、フォトＭＯＳスイッチＳ（Ｓ１〜Ｓ５）をオンにしてコンデンサＦの電圧変化を確認することによって、同時に４個の電池セルＣ（Ｃ１〜Ｃ４）の測定点と入力端子間の接触を検知し、かつ、図示しないＣＰＵで４個の電池セルＣ（Ｃ１〜Ｃ４）の起電力を同時に測定することができる。さらに、電池セルＣ１〜Ｃ４の起電力測定が終わると、フォトＭＯＳスイッチＳ（Ｓ１〜Ｓ５）をオフにし、次の四つの電池セルに接続される五つのフォトＭＯＳスイッチＳをオンにすることによって、入力回路１０の各入力端子を次の四つの電池セルに切り替えるように、順次に接続を切り替えてゆくと、各測定点との接触を検知しながら電池セルの電圧を測定することができる。これについては、従来と同様であり、詳しい説明を省略する。

ここで、測定対象の電池セルＣ１〜Ｃ４が、図７で示したような燃料電池のセル１０２であるとする。燃料電池の単位セルの動作時の起電力は０Ｖ〜１．３Ｖである。
図４は前記した原理に基づいて測定点との接触の検知を可能にした入力回路を示す図である。図３に対して図４においては、コンデンサＦ（Ｆ１〜Ｆ４）にそれぞれ異なる電圧で充電可能な充電回路１１とスイッチＳＷ（ＳＷ１〜ＳＷ４が追加される。また、符号Ｃ１〜Ｃ４は直列に接続された２個の電池セルを表し、２個の電池セルの直列起電力を測定するものとする。また、バッファＢ２〜Ｂ５の出力端と差動増幅器Ｄ１〜Ｄ４の＋入力端との間に抵抗ｒが接続され、差動増幅器Ｄ１〜Ｄ４の＋入力端に抵抗Ｒを介して１Ｖが印加される点で、図３の構成とは異なる。

次に、図４に基づいて本発明の接触検知方法を説明する。まず、フォトＭＯＳスイッチＳ１〜Ｓ５をオフにし、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオンにする。これは、図１および図２の例に当てはめると、スイッチＳＷ２ａおよびＳＷ２ｂをオフにしてスイッチＳＷ１ａおよびＳＷ１ｂをオンにした図２（ａ）での時刻ｔ１に当たる。

このとき、充電回路１１はスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を介してコンデンサＦ１〜Ｆ４にそれぞれ、−０．３Ｖ、−０．６Ｖ、−０．９Ｖおよび１．２Ｖの起電力で充電する。これにより、低域ろ波フィルタの各コンデンサＦ（Ｆ１〜Ｆ４）はそれぞれ異なる電圧で充電される。充電が完了すると、差動増幅器Ｄ１〜Ｄ４の出力電圧はすべて＋０．７Ｖとになる。これは、例えば、差動増幅器Ｄ２を例にとると、その＋入力側ではコンデンサＦ２に充電された−０．６ＶがバッファＢ３を経て差動増幅器Ｄ２の＋入力端に入力されて＋１Ｖのオフセット電圧に加算される。差動増幅器Ｄ２の−入力側ではコンデンサＦ２に充電された−０．３ＶがバッファＢ２を経て入力されるため、−０．６＋１−（−０．３）＝＋０．７（Ｖ）となるのである。その他も同じように各差動増幅器Ｄ１、Ｄ３、Ｄ４から０．７Ｖの電圧が
出力される。そして、充電が完了すると、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオフにする。このタイミングは図２での時刻ｔ２に当たる。

そして、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオフにした後、フォトＭＯＳスイッチＳ１〜Ｓ５をオンにする（これは図２（ｂ）での時刻ｔ３に当たる）。これにより、各コンデンサＦ（Ｆ１〜Ｆ４）はそれぞれ対応する電池セルＣ１〜Ｃ４に接続されその出力電圧で充電される。

ここで、仮に電池セルの単体の起電力がすべて＋１Ｖであって、電池セルＣ１〜Ｃ４の起電力が＋２Ｖであるとする。測定点の接触が全て正常であり、かつ、フォトＭＯＳスイッチＳ１〜Ｓ５が正常に働いている場合には、コンデンサＦ１の端子電圧は−０．３Ｖから＋２Ｖへ、コンデンサＦ２の端子電圧は−０．６Ｖから＋４Ｖへ、コンデンサＦ３の端子電圧は−０．９Ｖから＋６Ｖへ、コンデンサＦ４の端子電圧は−１．２Ｖから＋８Ｖへと変化する。

これにより、差動増幅器Ｄ１の＋入力端には端子電圧＋２Ｖにオフセット電圧＋１Ｖを加えた＋３Ｖが、−入力側には０Ｖが印加される。差動増幅器Ｄ２の＋入力端には＋４Ｖと＋１Ｖの和の＋５Ｖが、−入力側には＋２Ｖが、差動増幅器Ｄ３の＋入力端には＋７Ｖが、−入力側には＋４Ｖが、差動増幅器Ｄ４の＋入力端には＋９Ｖ、−入力側には＋６Ｖがそれぞれ印加されることになって、差動増幅器Ｄ１〜Ｄ４の出力はすべて＋３Ｖとなる。

燃料電池の単位セルの動作時の起電力は０Ｖ〜＋１．３Ｖの範囲にあり、単位セルが直列に２個並んだ電池セルＣ１〜Ｃ４の起電力（出力電圧）は０Ｖ〜＋２．６Ｖの範囲にある。これに対応する正常な差動増幅器Ｄ１〜Ｄ４の出力は、オフセット電圧が＋１Ｖの場合、図５に示すように、＋１Ｖ〜＋３．６Ｖの範囲となる。したがって、出力がこれ以外の値を示した場合は、測定点での接触不良か、フォトＭＯＳスイッチＳ１〜Ｓ５の不良などが発生していると検知することができる。

次に、接触不良箇所の特定について説明する。
表１にはこの実施の形態で、接触不良やスイッチ不良の発生場所とその場合の差動増幅器Ｄ１〜Ｄ４の出力の電圧値を示す。この表では、オフセット電圧は＋１Ｖ、各電池セルの起電力は＋２Ｖとした場合を示している。この表の見方を例に沿って説明する。

ここで、図４で測定点ＡＮ−０の部分の不良の場合、すなわち電池セルＣ１の負極側に接触不良や断線があるか、フォトＭＯＳスイッチＳ１に不良があった場合を考える。このときは接地ＧＮＤが電池セルＣ側に繋がらなくなるので、他の部分が正常でもコンデンサＦ（Ｆ１〜Ｆ４）が電池セルＣ（Ｃ１〜Ｃ４）側から充電されることがなく、表１の最下列に示すように、接地ＧＮＤが−入力端に接続されている差動増幅器Ｄ１から充電した時と同じ＋０．７Ｖが出力される以外は差動増幅器Ｄ２〜Ｄ４の出力は不安定である。

次に、測定点ＡＮ−２の部分の不良の場合、すなわち電池セルＣ３の負極側と電池セルＣ２の正極側の測定点に接触不良や断線があるか、フォトＭＯＳスイッチＳ３に不良があった場合を考える。この場合はコンデンサＦ１が＋２Ｖに充電されるので、差動増幅器Ｄ１の出力はオフセット電圧との和で＋２＋１＝３（Ｖ）である。

コンデンサＦ２は電池セルＣ２側から充電されないので充電したときと同じ−０．６Ｖを保っている。したがって、差動増幅器Ｄ２の＋入力端には−０．６＋１＝＋０．４（Ｖ）が、−入力端には＋２Ｖが印加されるので差動増幅器Ｄ２の出力は＋０．４−２＝−１．６（Ｖ）となる。

同様に、コンデンサＦ３は電池セルＣ３側から＋６Ｖに充電され、差動増幅器Ｄ３の＋入力端には＋６＋１＝＋７（Ｖ）が、−入力端には−０．６Ｖが印加されるので、差動増幅器Ｄ２の出力は＋７−（−０．６）＝＋７．６（Ｖ）となる。
さらに、コンデンサＦ４は電池セルＣ４側から＋８Ｖに充電され、差動増幅器Ｄ４の＋入力端には＋８＋１＝＋９（Ｖ）が、−入力端には＋６Ｖが印加されるので、差動増幅器Ｄ４の出力は＋９−（＋６）＝＋３（Ｖ）となる。これらの出力電圧が表１の３列目に示されている。他の場所の不良も同様に検知できる。
このように差動増幅器Ｄ１〜Ｄ４の出力電圧を調べることによって、接触が正常かどうか、ＡＮ−０〜ＡＮ−４のどの場所に接触不良、断線、スイッチ不良などの故障を検知することができる。

ところで、従来はこのようなノイズを除去する低域ろ波フィルタとして図６に示すようなフィルタｆ１〜ｆ４が用いられる例が多かったが、各回路が完全に独立しているため部品点数が多くなる。本発明では、図３、図４に示すように、抵抗と平滑コンデンサだけで構成し、平滑コンデンサの一端をＧＮＤに落とすようにしているため、抵抗素子を減らしてその分、回路部品点数を削減することができる。

本発明は、以上のように燃料電池のセルなど複数の直列に接続された電池セルのコネクタ端子と前記接続点との接触検知する有効な方法を提供するので、燃料電池システムが用いられる広範な産業分野を中心に、このような起電力素子の監視が必要な分野で広範に用いられる可能性を有している。
また、本実施の形態では、コンデンサＦ１〜Ｆ４の充電電圧に関して、電池セルＣ１〜Ｃ５に対して極性の反転したマイナスの電圧で充電したが、プラスの電圧で充電してもよい。

本発明の接触検知方法を実行する基本回路とその動作の説明図である。 図１の回路での各部の動作と波形を示すタイムチャートである。 本発明が用いられる直列に接続された４個の電池セルの起電力を同時に測定する電圧測定装置の入力回路の回路図である。 本発明に基づいて測定点との接触の検知を可能にした入力回路を示す図である。 燃料電池の電池セルの起動力（出力電圧）と差動増幅器の出力の関係を示す説明図である。 従来の回路に用いられるフィルタの構成を示す図である。 燃料電池の断面図である。

符号の説明

１０ 入力回路
１１ 充電回路（充電手段）
１０１ 電圧測定用端子
１０２ セル
ＡＮ−０〜ＡＮ−４ 測定点
Ｂ２，Ｂ３ バッファ
Ｃ 電池セル（起電力素子）
Ｃｆ コンデンサ（蓄電素子）
Ｄ１〜Ｄ４ 差動増幅器
Ｅ 出力電圧
Ｆ１〜Ｆ４ コンデンサ（蓄電素子）
ＧＮＤ 接地
Ｓ１〜Ｓ５ フォトＭＯＳスイッチ

Claims (4)

1. 直列に接続された複数の起電力素子の隣り合う接続点間の電位差をコネクタ端子を介して測定する電圧測定装置での前記コネクタ端子と前記接続点との接触検知方法において、
   前記コネクタ端子と接地との間に設けられた蓄電素子と、
   前記蓄電素子を所定の電圧に充電させる充電手段とを設け、
   前記充電手段は前記所定の電圧として前記起電力素子が動作中に前記接続点間が取り得る範囲外の電圧を予め前記蓄電素子に充電し、
   前記コネクタ端子と前記接続点との接触によって生じる前記蓄電素子の端子電圧の変化を検出して接触を検知することを特徴とする接触検知方法。
2. 前記所定の電圧は前記起電力素子の起電力に対して極性が反転していることを特徴とする請求項１に記載の接触検知方法。
3. 前記蓄電素子は低域ろ波フィルタのコンデンサであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接触検知方法。
4. 前記直列に接続された複数の起電力素子は燃料電池のセルであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の接触検知方法。

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