JP2008084629A - 配線処理回路装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池自動車内のハーネスの設置スペースの縮小や共通回路への接続機器点数の減少を図ること。
【解決手段】燃料電池スタックの各セルの電圧を計測して、その計測結果を出力する回路基板16,17を備えるセル電圧検出装置であって、回路基板内16,17には、第1配線としての配線パターン16b,17bと、この配線パターン16b,17bから接点16d,17dで分岐した第2配線としての配線パターン16c,17cが形成され、外部からの共通回路42を回路基板16の配線パターン16bにケーブル18c(第1接続コネクタ14)を介して接続し、回路基板16の配線パターン16cと、回路基板17の配線パターン17bとをケーブル18b(第1接続コネクタ14と第2接続コネクタ15)を介して接続する構成にした。
【選択図】図4

Description

本発明は、各種データを入力して処理し、その処理結果を出力する少なくとも2つの同一の回路基板を備える配線処理回路装置に関する。
通常、燃料電池スタックは、高電圧を確保するため、多くの各セルを積層して構成されている。各セルは、電圧検出用の端子を備え、各端子は、各セルのセル電圧を計測するセル電圧検出装置に接続されている。また、このセル電圧検出装置は、CAN(Controller Area Network)等の車載LAN(Local Area Network)を介して、FC(Fuel Cell)セルの電圧監視装置に接続されている。そして、電圧監視装置では、各セルのセル電圧の計測結果が常時監視され、各セルの発電状態や故障の有無を判定し、故障の発生の際には故障箇所を特定するようになっている(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−127776号公報
通常、燃料電池スタックでは、各セルの多数のセル電圧を監視するために、そのセルの電圧を計測する計測回路を複数の回路基板に分けて、耐電圧を図る方法が採られている。この場合、セル電圧検出装置の複数の回路基板は、CANに代表される車載LAN(以下CANという)等の共通回路にそれぞれ接続し、電圧監視装置に計測結果を伝送できるような配線が必要である。
ちなみにCANでは、各ノード(各ECU(Electric Control Unit))が共通のバス(通信ケーブル)に接続されるが、燃料電池システムにおけるセル電圧検出装置でも、内蔵する各回路基板からの通信ケーブルをハブのような集線装置(J/C(ジャンクション))で一本の共通の通信ケーブルにまとめている。そして、セル電圧検出装置の各回路基板上の電子部品で検出したデータを、集線装置でまとめられた共通の通信ケーブルを介して上位のECU(電圧監視装置)に送信したり、他のECUからの指令等を、この共通の通信ケーブルを介して各セル電圧検出装置に送信したりしている。
したがって、従来の燃料電池スタックでも、前記した集線装置(J/C)が当然セル電圧検出装置の外部に配置されている。そのため、従来の燃料電池スタックでは、集線装置に接続するハーネスが必要であり、車両空間内でのCANの設置スペースをできる限り小さくしたり、車両の低重量化や低コスト化を図ったりする上での妨げになっていた。
そこで、本発明は、各種データを入力して処理し、その処理結果を出力する少なくとも2つの同一の回路基板からの共通回路への配線の取り回しを簡素にし、ハーネスの設置スペースの縮小や共通回路への接続機器点数の減少を図ることによって、配線処理回路装置を設置する車両等の製品の低重量化や低コスト化を図れるようにすることを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するための手段として、各種データを入力して処理し、当該処理結果を出力する少なくとも2つの同一の回路基板を備える配線処理回路装置であって、前記回路基板内には、前記通信ケーブルに接続する第1配線と、当該第1配線から分岐した第2配線とが形成され、外部からの共通回路を、一の前記回路基板の前記第1配線に接続し、当該一の前記回路基板の前記第2配線を、他の前記回路基板の前記第1配線に接続する構成にした。
この構成によれば、他の回路基板の第1配線が、一の回路基板の第2配線から一の回路基板の第1配線に接続し、この一の回路基板の第1配線を介して、外部の共通回路に接続する。そのため、各回路基板とは別に、回路分配用コネクタを外部に備える必要がない。
なお、配線処理回路装置は、一の前記回路基板の第1配線と前記共通回路とを接続するとともに他の前記回路基板の第2配線と接続する第1接続コネクタの極数と、一の前記回路基板の第2配線と他の前記回路基板の第1配線とを接続する第2接続コネクタの極数とが異なるように構成することが好ましい。
この構成によれば、第1接続コネクタと第2接続コネクタとが極数の異なるもの同士を接続できないか、できたとしても作業員が間違いを気づくのも容易であり、見た目にも異なることが明らかであるため、回路基板やコネクタの組み付け作業の間違いを防止することができる。
また、配線処理回路装置は、一の前記回路基板と他の前記回路基板を上下方向に重ねて配置して構成することが好ましい。
この構成によれば、回路基板同士を接近させることができるため、一の回路基板の第2配線と、他の回路基板の第1配線とを短いハーネスで接続することができる。
したがって、各種データを入力して処理し、その処理結果を出力する少なくとも2つの同一の回路基板からの共通回路への配線の取り回しを簡素にし、ハーネスの設置スペースの縮小や共通回路への接続機器点数の減少する効果が得られる。そのため、配線処理回路装置を設置する車両等の製品の低重量化や低コスト化を図る上での制約を減らすことができる。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明の一実施形態の配線処理回路装置としてセル電圧処理装置を例に説明するが、各種データを入力して処理し、その処理結果を出力する少なくとも2つの同一の回路基板を備える配線処理回路装置であれば、これに限らない。
それでは、本実施形態に係るセル電圧処理装置が取り付けられた燃料電池スタック、及びこれが組み込まれた燃料電池システム、並びにこのシステムを搭載した燃料電池自動車について説明する。
図1に示すように、燃料電池自動車200は、燃料電池システム100を搭載している。燃料電池システム100は、燃料電池スタック50と、水素タンク101と、コンプレッサ102と、加湿器103と、ラジエータ104(放熱器)と、4つのECUとを主に備えている。4つのECUには、例えば、燃料電池スタック50のセル電圧を測定して出力するセル電圧検出装置1や、図示しない車両制御用ECUがある。
燃料電池スタック50の出力端子には、電動式の走行モータ(図示しない)が接続されており、燃料電池スタック50が発電すると、前記走行モータが駆動し、これを動力として、燃料電池自動車200が走行するようになっている。
≪燃料電池スタック≫
次に、燃料電池スタック50について、具体的に説明する。
図2に示すように、燃料電池スタック50は、その外形が略直方体である。燃料電池スタック50は、複数(例えば、200〜400)の各セル51と、剛性の高いフロントプレート71及びリアプレート72と、を主に備えている。複数の各セル51は、その厚み方向に積層されており、フロントプレート71とリアプレート72とに挟まれている。フロントプレート71とリアプレート72とは、ボルト73によって締結されており、これにより、各セル51の積層状態が維持されている。
<燃料電池スタックのセル電圧>
直列に接続された複数の各セル51の積層体(スタック)は、例えば、フロントプレート側で電力取出用のプラス極が、リアプレート側に電力取出用のマイナス極が設けられている。これにより、発生した電力が外部に取り出され、図示しないモータや各種電子機器に供給される。その一方で、各セル51には、図示しない電圧測定用の端子が設けられており、この端子は、燃料電池スタック50の側面から上面に向けて這わせた、ハーネス74の各配線を介して、燃料電池スタック50の上面側で、セル電圧検出装置U1のコネクタ11に接続されている。これにより、燃料電池スタック50の各セル51のセル電圧である電圧信号が、セル電圧検出装置1に入力されるようになっている。
なお、各セル51は、図示しないMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟んでいる板状の図示しないアノードセパレータ及び図示しないカソードセパレータと、を主に備えている。図示しないMEAは、1価の陽イオン交換膜である図示しない固体高分子膜と、これを挟んでいる図示しないアノード及び図示しないカソードとを主に備えている。図示しないアノードは図示しない固体高分子膜の前方に配置され、図示しないカソードは図示しない固体高分子膜の後方に配置されている。
<セル電圧検出装置(ECU)>
次に、セル電圧検出装置1について説明する。
図3に示すように、このセル電圧検出装置1は、下ハウジング12と上ハウジング13とで囲んで形成される空間に、回路基板(一の回路基板)16と回路基板(他の回路基板)17とを収容している。下ハウジング12及び上ハウジング13には、燃料電池スタック50(図2参照)の各セル51のセル電圧を入力するコネクタ11が備えられている。なお、回路基板16は、下ハウジング12に取り付けられている。また、回路基板17は、上ハウジング13に取り付けられている。それらの取り付け方法としては、ねじ止めに限らず、接着剤によって接着するようにしてもよい。また、下ハウジング12と上ハウジング13とについても、ねじ止めや接着剤等によって取り付ければよい。
なお、セル電圧検出装置1は、各セルのセル電圧をスキャンして、測定してデジタル化する機能と、デジタル化したデータを適宜パケット化して送信するCAN用のネットワーク・インタフェースカードの機能を有している。
また、下ハウジング12には、CANに接続するための第1接続コネクタ14が備えられている。この第1接続コネクタ14は、ハウジング内部で回路基板16に電気的かつ構造的に接続されている。また、上ハウジング13には、CANに接続するための第2接続コネクタ15が備えられている。この第2接続コネクタ15は、ハウジング内部で回路基板17に電気的かつ構造的に接続されている。なお、専用回路41,43及び共通回路42を含めたCAN上のデータ通信については、図4を用いて後記する。
ところで、第1接続コネクタ14と第2接続コネクタ15とは、通信ケーブル(以下「ケーブル」という)18bによって電気的に接続している。また、ケーブル18aは、専用回路43に電気的に接続している。ケーブル18cは、共通回路42に接続している。また、ケーブル18dは、専用回路41に接続している。
なお、ハーネス74が接続されるコネクタ11も、第1,2接続コネクタ14,15と同様に、図示しないハーネスや端子部品を介して回路基板16,17に電気的かつ構造的に接続されている。また、下ハウジング12は、燃料電池スタック50(図2参照)の図示しない締結具に締結されることによって、燃料電池スタック50にセル電圧検出装置1が取り付けられるようになっている。
<回路基板>
次に、図4を参照して、回路基板16,17のCANへの電気的接続状態及びデータ通信の概要について説明する。なお、図4中、図3に示したケーブル18a,18b,18c,18dを概念的に示し、対応する配線を明示してある。
<回路基板の構造>
図4に示すように、回路基板16は、前記したように、第1接続コネクタ14に接続され、ケーブル18b,18c,18dに接続されている。また、回路基板16には、配線パターン16a,16b,16cが形成されている。配線パターン16a,16b,16cは、基板内制御回路16eに接続している。なお、基板内制御回路16eは、各セルのセル電圧をスキャンして、測定してデジタル化する機能と、デジタル化したデータを適宜パケット化して送信するCAN用のネットワーク・インタフェースカードの機能を有するものである。
そして、配線パターン16aは、第1接続コネクタ14でケーブル18dに接続して、専用回路41に接続されている。したがって、この配線パターン16aは、回路基板16の基板IDの送受信に用いられるため、基板IDラインと呼ぶこととする。
また、配線パターン(第1配線)16bと配線パターン(第2配線)16cとは、接点16dで分岐している。配線パターン16bは、第1接続コネクタ14でケーブル18cに接続して、共通回路42に接続している。また、配線パターン16cは、第1接続コネクタ14でケーブル18bに接続して、回路基板17に接続している。
ここでは、配線パターン16bには、電源として用いる専用線、GND(GrouND)として用いる専用線、CAN_Hiの信号の伝送用として使用する専用線、及び、CAN_Loの信号の伝送用として使用する専用線の4種類を示してある。なお、これらの専用線を含む配線パターン16bを第1配線と呼び、この第1配線から分岐する電源ライン、GNDライン、CAN_Hiライン及びCAN_Loラインの各専用線を含む配線パターン16cを第2配線と呼ぶこととする。また、専用線の数は、これらに限定されない。
ところで、回路基板16には、CAN上で通信を行うために、専用回路41に対応する図示しない専用回路と、共通回路42に対応する図示しない共通回路とが、CAN用のネットワーク・インタフェースカードとして搭載されている。そのため、基板内制御回路16eは、それらの図示しない専用回路と共通回路とを介して、第1接続コネクタ14側に接続しているが、ここでは、これらを省略している。
一方、回路基板17は、第2接続コネクタ15に接続され、ケーブル18a,18bに接続されている。また、回路基板17には、回路基板16と同様に、配線パターン17a,17b,17cが形成されている。配線パターン17a,17b,17cは、基板内制御回路17eに接続している。なお、基板内制御回路17eも、基板内制御回路16eと同様に、各セルのセル電圧をスキャンして、測定してデジタル化する機能と、デジタル化したデータを適宜パケット化して送信するCAN用のネットワーク・インタフェースカードの機能を有するものである。
そして、配線パターン17aは、第2接続コネクタ15でケーブル18aに接続して、専用回路43に接続されている。この配線パターン17aは、回路基板17の基板IDの送受信に用いられる、基板IDラインである。
また、配線パターン(第1配線)17bと配線パターン(第2配線)17cとは、接点17dで分岐している。配線パターン17bは、第2接続コネクタ15でケーブル18bに接続して、回路基板16の第1接続コネクタ14に接続している。そのため、配線パターン17bは、回路基板16の配線パターン16c及び配線パターン16bから第1接続コネクタ14を介して、ケーブル18cに接続され、結局、共通回路42に接続している。したがって、配線パターン17bは、電源ライン、GNDライン、CAN_Hiライン及びCAN_Loラインの各専用線として用いられている。
また、配線パターン17cは、配線パターン16cと同様に形成されているが、この実施形態では、2枚の回路基板16,17を接続する構造を示している。そのため、この配線パターン17cは、この実施形態では、どこにも接続されずに、使用されていない。なお、回路基板17にも、回路基板16と同様に、図示しない共通回路と図示しない共通回路とが、CAN用のネットワーク・インタフェースカードとして搭載されている。
なお、回路基板16,17が以上のように構成されているため、専用回路41は、回路基板16の図示しない専用回路を介して基板内制御回路16eとの間で、回路基板16の基板IDをやりとりする。また、共通回路42は、各回路基板16,17に搭載された図示しない共通回路を介して、基板内制御回路16eからの計測信号を受信する。また、共通回路42は、回路基板16の第1接続コネクタ14を介して、回路基板17からの計測信号を受信するようになっている。また、専用回路43は、回路基板17の図示しない専用回路を介して基板内制御回路17eとの間で、回路基板17の基板IDをやりとりする。
なお、図4では、配線パターン16b,17bと配線パターン16c,17bとが分岐するところを明示するために、J/C(ジャンクション)機能を持たせた、接点16d,17dを含む領域を分岐部分として枠で囲って示している。
以上のように、回路基板16と回路基板17とは、同一の構成、つまり、同一の基板である。そして、セル電圧検出装置1内では、その接続先が、第1接続コネクタ14と第2接続コネクタ15とのように異なっている。そのため、セル電圧検出装置1の組み立て作業時に、作業員は、回路基板16と回路基板17とを区別することなく、組み付けることができる。したがって、回路基板16,17の取り違えによる組み付け誤りが発生することもない。
<回路基板の動作>
次に、以上の構成の回路基板16,17のデータ通信時の動作について説明する。
なお、その動作について説明する前に、基板IDライン及び電源・GND・CAN(Controller Area Network)の各ラインについて説明する。
基板IDラインは、回路基板16がCANに接続されたとき、つまり、第1接続コネクタ14のケーブル18dを介して専用回線41等に接続されたときに、図示しない上位装置によって割り当てられた基板IDを回路基板16等に通知する際などに用いられる。なお、回路基板16等が、CANに接続された際に、回路基板16等側で設定された値、例えば、MACアドレスのような独自の値を専用回線41に送る。なお、図示しない上位装置に送られた基板IDは、CAN_HiラインやCAN_Loラインを介して、CANに接続されている各ノードに送信して、各ノードに登録させるようにしてもよい。
また、電源ラインは、図示しないバスパワーラインであり、図示しない12Vのバッテリに、変圧器や安定化回路などを介して接続されている。GNDラインには、基準電位が供給されている。また、CAN_Hiラインと、CAN_Loラインが設けられている。
そのため、CANでは、例えば、GNDラインには基準電位として2.5Vが供給されている場合に、CAN_Hiライン及びCAN_Loラインが共に基準電位の2.5Vを供給されているときを「リセッシブ・レベル」の信号と呼んでいる。また、CAN_Hiラインが所定電圧(1V)だけ基準電位よりも高く(3.5V)、かつ、CAN_Loラインが所定電圧(1V)だけ基準電位よりも低い(2.5V)ときを「ドミナント・レベル」の信号と呼んでいる。そのため、CANでは、リセッシブ・レベルとドミナント・レベルとで2値が表され、メッセージがパケットとして通信される。
ちなみに、CANでは、メッセージに付加されたIDを通信の優先度として定義し、複数のデバイスが同時にデータを送信した場合、優先度の低いデバイスは送信を止め、優先度の高いデバイスが送信を続けるようになっている。そのため、本実施形態でも、前記基板IDが、優先度を定義するために用いられる。なお、ここでは、回路基板16が、回路基板17よりも通信の優先度が高いものとする。また、その優先度の定義情報は、CANに接続するすべてのデバイス(各ECU)のそれぞれに設定されていることとする。そのため、基板内制御回路16e,17eは、その優先度に従って、タイミングを取りながら動作することができる。
そのため、各ノードには、CANに接続されたときに、CAN上の通信の優先度が定義される。この優先度は、識別ID自体に定義づけておいてもよいし、1から10までの数字(小さい数字が高い優先度)で定義づけておくようにしてもよい。そのため、基板内制御回路16e,17eは、計測結果を表すデータ・フレーム中に、優先度を表す情報を含めて送信する。なお、優先度が同じ場合には、先に通信を開始したノードの通信が優先される。
ここで、基板内制御回路16eが、基板内制御回路17eよりも高い優先度に設定されている場合におけるデータ通信の手順について説明する。基板内制御回路16e,17eは、CAN上に送信されているデータが何もないときには、そのまま計測結果を含むパケット中に基板IDを含めてCAN上に送信する。すると、CAN上に接続されているすべてのノードが受信し、自らが必要な情報か否かを判断して、受信データを受け付ける。そのため、前記している図示しない上位装置は、基板回路16や基板回路17の基板IDであるときに、受信データを受け付け、各セル51のセル電圧が正常か否かを判定することになる。
なお、図示しない上位装置は、専用回路41,43を通して、CAN上に送信されているデータを受信している間、対応する回路基板16e,17eに基板IDを送信している。例えば、基板内制御回路16eが共通回路42上に計測結果を送信中のとき、専用回路41から基板IDが基板内制御回路16eに送信されている。そのため、基板内制御回路16eは、自ら送信中のデータが図示しない上位装置に確実に受信されていることをモニタできるようになっている。
したがって、前記した簡易なハーネス74によっても、セル電圧検出装置1の回路基板16,17をCANに接続し、CANの規格に従って通信を確実に行うことができる。
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
前記実施形態では、2枚の回路基板16,17をセル電圧検出装置1の筐体内に上下に重ねて収容する場合を説明したが、上下でなく、例えば、並べて収容してもよい。また、その枚数も2枚でなく、3枚以上であってもよい。3枚の場合、3枚目の回路基板の第1配線は、回路基板17の配線パターン(第2配線)17cに接続できるように、第2接続コネクタ15ではなく、第1接続コネクタ14と同一のものを回路基板17に備えればよい。
また、前記実施の形態では、セル電圧検出装置1が燃料電池スタック50の上部に取り付けられる場合を説明したが、その取り付け位置はどこであってもよい。また、本実施形態のセル電圧検出装置1と同様の接続コネクタをCAN上の他の前記したECU、例えば図示しない走行用モータを制御するEVECU等の電子部品として構成するようにしてもよい。
また、本実施形態では、セル電圧検出装置1の上位装置を特定せずに説明したが、前記したいずれのECUを上位装置として用いてもよいし、セル電圧検出装置1自体に上位装置としての機能を持たせてもよい。さらに、本実施形態で説明したいずれのECUでもない他のECUをCANに接続し、そのECUを上位装置として用いてもよい。
また、本実施形態では、回路基板16が回路基板17よりも通信の優先度が高いものとして説明したが、優先度は適宜設定すればよいため、回路基板17が回路基板16よりも通信の優先度が高くなっていてもよい。また、CANに接続される他のECU1等の通信機器を含め、適宜設定すればよい。
したがって、本実施の形態によれば、燃料電池スタック50の各セル51の電圧の計測結果を出力する2つの回路基板16,17からの共通回路42への配線の取り回しが簡素になる。そのため、燃料電池自動車200の内部のハーネスの設置スペースが縮小し、共通回路42への接続機器点数が減少することが期待できる。また、多くのセルを必要とする燃料電池は、セル電圧の測定結果の出力端子数が多く、その出力配線数が多いため、その効果が顕著なものとなり、特に有効である。さらに、燃料電池自動車200の低重量化や低コスト化を図る上での制約を減らすことができる。
本実施形態に係る燃料電池自動車の斜視図である。 本実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 図1及び図2に示した本実施形態のセル電圧検出装置の構造を説明する斜視図である。 図1及び図2に示した本実施形態のセル電圧検出装置の回路構成を説明する概念図である。
符号の説明
1 セル電圧検出装置(処理装置)
50 燃料電池スタック
51 各セル
14 第1接続コネクタ
15 第2接続コネクタ
16,17 回路基板
16a,17a 配線パターン
16b,17b 配線パターン(第1配線)
16c,17c 配線パターン(第2配線)
16d,17d 接点
16e,17e 基板内制御回路

Claims (3)

  1. 各種データを入力して処理し、当該処理結果を出力する少なくとも2つの同一の回路基板を備える配線処理回路装置であって、
    前記回路基板内には、前記通信ケーブルに接続する第1配線と、当該第1配線から分岐した第2配線とが形成され、
    外部からの共通回路を、一の前記回路基板の前記第1配線に接続し、
    当該一の前記回路基板の前記第2配線を、他の前記回路基板の前記第1配線に接続する
    ことを特徴とする配線処理回路装置。
  2. 一の前記回路基板の第1配線と前記共通回路とを接続するとともに他の前記回路基板の第2配線と接続する第1接続コネクタの極数と、
    一の前記回路基板の第2配線と他の前記回路基板の第1配線とを接続する第2接続コネクタの極数とが異なる
    ことを特徴とする請求項1に記載の配線処理回路装置。
  3. 一の前記回路基板と他の前記回路基板を上下方向に重ねて配置した
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の配線処理回路装置。
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