JP2009104870A - 電圧監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ小型でありながら、従来に比して耐久性、信頼性を向上させることが可能な電圧監視システムを提供することを目的とする。
【解決手段】ＦＣスタックケース５２０の中にＰＬＣ信号化ユニット５６０を設けるとともに、該ＦＣスタックケース５２０の外にセル電圧演算ユニット５９０を設ける。ＰＬＣ信号化ユニット５６０は、電圧用端子５４０−ｍから配線５５０−ｍを介して供給されるセル電圧信号に基づき、セル電圧をあらわすＰＬＣ信号を生成し、生成したＰＬＣ信号をＦ出力電力（電力波形）に重畳して、セル電圧演算ユニット５９０に送信する。セル電圧演算ユニット５９０は、ＦＣ出力ケーブル５１０ｂを介して供給される電力波形から、ＰＬＣ信号を取り出し、取り出したＰＬＣ信号に基づきセル電圧を検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のセル電圧などを監視するための電圧監視システムに関する。

燃料電池システムは、燃料ガスなどの供給不足やドライアップやフラッティングの発生に起因して燃料電池の出力電圧が低下する。
かかる環境下で燃料電池システムの運転を継続した場合には、燃料電池の劣化が加速されてしまうため、燃料電池を構成する各セルの電圧（セル電圧）を監視し、各セル電圧の測定値に基づいて燃料電池の運転を制御する方法が種々提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

図３、図４は、それぞれＦＣ電圧監視システムの要部構成を示す従来例である。
図３に示すＦＣ電圧監視システム１００は、ＦＣスタック本体（燃料電池のスタック本体）１１０がＦＣスタックケース１２０に収容され、各セル１３０−ｋ（ｋ≧２）には電圧測定用端子１４０−ｋが取り付けられている。各電圧測定用端子１４０−ｋは、配線１５０−ｋを介してＦＣスタックケース外に設けられたセルモニタ１６０に接続されている。セルモニタ１６０によって検知されたセル電圧信号はケーブル１７０を介して制御装置１８０に入力され、制御装置１８０は入力されるセル電圧信号に基づき、各セルに異常が生じていないかを監視する。

一方、図４に示すＦＣ電圧監視システム２００は、ＦＣスタック本体２１０とともにセルモニタ１６０がＦＣスタックケース２２０に収容されている。各セル２３０−ｌ（ｌ≧２）に取り付けられた電圧測定用端子１４０−ｌとセルモニタ２６０は、ＦＣスタックケース内の配線２５０−ｌによって接続されている。制御装置２８０は、ＦＣスタックケース外に設けられており、制御装置２８０とセルモニタ２６０はケーブル２７０によって接続されている。セルモニタ２６０によって検知されたセル電圧信号は、ケーブル２７０を介して制御装置２８０に入力され、制御装置２８０は入力されるセル電圧に基づき、各セルに異常が生じていないかを監視する。

特開２００４−１２７９１５号公報

しかしながら、上記従来技術では次のような問題が生じていた。まず、図３に示すＦＣ電圧監視システム１００においては、電圧測定用端子１４０−ｋとセルモニタ１６０を接続する配線１５０−ｋは、ＦＣスタックケース１２０の外に引き出されているため、ケーブル配策のために煩雑な処理が必要であり、また、断線等の安全性の問題も懸念されていた。

一方、図４に示すＦＣ電圧監視システム２００においては、セルモニタ２６０がＦＣスタックケース２２０の中に収容されているため、ケーブル配策の問題や断線等の安全性の問題を解消することが可能となる。しかしながら、セルモニタ２２０は構造上大型化してしまい、取り付けスペースに制約を受けることが多く、小型化の要請に応えることができないという問題があった。さらに、ＦＣスタックケース２２０の中は、温度、湿度等の変動も大きく、セルモニタ１６０の耐久性、信頼性が低下してしまう等の問題も懸念されていた。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、簡易かつ小型でありながら、従来に比して耐久性、信頼性を向上させることが可能な電圧監視システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解消するため、本発明に係る電圧監視システムは、ケースに収容された燃料電池の電圧を監視する電圧監視システムであって、前記ケース内には、複数のセルを積層した前記燃料電池の本体部と、少なくとも２以上のセルに設けられた電圧測定用端子と、前記電圧測定用端子から出力される電圧信号に所定の変調処理を施す変調部と、当該ケース内外を接続する電力線に、前記変調処理後の電圧信号を重畳する重畳部とが設けられ、前記ケース外には、前記電力線から前記変調処理後の電圧信号を取り出し、対応するセルの電圧を検知するセル電圧検知装置と、前記セル電圧検知装置によって検知されたセル電圧に基づき、対応するセルに異常が生じているか否かを判断する制御装置とが設けられていることを特徴とする。

かかる構成によれば、ケース内に設けられる変調部および重畳部は、セルモニタに比して構造が単純であるため、該ケース内の配置が容易となり、図３や図４に示す従来構成に比して簡易かつ小型化することが可能となる。

さらに、セル電圧検知装置は、ケース外に設置されるため、従来に比して部品点数を少なくすることができる。また、ケース内は、従来に比して電子部品を簡素化することができ、温度、湿度、ほこりなどに対する耐久性、信頼性を向上することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記電力線は、前記燃料電池に接続された出力電圧ケーブルである態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記ケース内には、補機がさらに設けられ、前記電力線は、前記補機に接続された補機電源ケーブルである態様であっても良い。

さらに、上記構成にあっては、前記ケース外には、前記対応するセルに異常が生じていると判断された場合に、異常が生じている旨を報知する報知装置がさらに設けられる態様が好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、簡易かつ小型でありながら、従来に比して耐久性、信頼性を向上させることが可能な電圧監視システムを提供することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係るＦＣ電圧監視システム５００の要部構成を示す図である。なお、本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載されるＦＣ電圧監視システム５００を想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型燃料電池システムにも適用可能である。

ＦＣ電圧監視システム５００は、セル電圧信号の伝送技術として燃料電池５１０ａから負荷に電力を供給する配線（電力線）を利用した電力線搬送通信（Power Line Communications；以下、ＰＬＣ）を採用した点に特徴がある。このＰＬＣは、例えば商用周波数の電力波形に商用周波数とは異なる周波数のＰＬＣの通信信号（以下、ＰＬＣ信号）を重畳して送信したり、この電力波形からＰＬＣ信号を分離して受信したりするなど、電力線を介してＰＬＣ信号を送受信する通信方式である。

ＦＣ電圧監視システム５００は、燃料電池５１０ａを構成するＦＣスタック本体（本体部）５１０とともにＰＬＣ信号化ユニット５６０などがＦＣスタックケース５２０の中に収容されている。一方、セル電圧演算ユニット５９０と制御装置５８０は、ＦＣスタックケース５２０の外に設けられている。ＦＣスタック本体５１０は、多数のセル５３０−ｍ（ｍ≧２）を積層したものである。ＦＣスタック本体５１０は、ＦＣ出力ケーブル５１０ｂを介して、燃料電池５１０の出力電力を負荷（図示略）などに供給する。

各セル５３０−ｍに取り付けられた電圧測定用端子５４０−ｍとＰＬＣ信号化ユニット５６０とは、配線５５０−ｍによって接続される一方、制御装置５８０とセル電圧演算ユニット５９０とは、ケーブル５７０によって接続されている。なお、本実施形態では、全セル電圧を検知対象としているが、一部のセルのみを検知対象としてもよい。

ＰＬＣ信号化ユニット５６０は、電圧用端子５４０−ｍから配線５５０−ｍを介して供給されるセル電圧信号に基づき、セル電圧をあらわすＰＬＣ信号を生成する。そして、ＰＣＬ信号化ユニット５６０は、ＦＣ出力ケーブル５１０ｂを介して負荷（図示略）などに供給される出力電力（電力線）に生成したＰＬＣ信号を重畳して、セル電圧演算ユニット５９０に送信する。

一方、セル電圧演算ユニット（セル電圧検知装置）５９０は、ＦＣ出力ケーブル５１０ｂを介して供給される出力電力（電力線）から、ＰＬＣ信号を取り出し、取り出したＰＬＣ信号に基づきセル電圧を検知する。セル電圧演算ユニット５９０は、ケーブル５７０を介して検知したセル電圧（以下、検知セル電圧）を制御装置５８０に送信する。

制御装置５８０は、検知セル電圧を受け取るとセル電圧閾値マップＭＰを参照する。セル電圧閾値マップＭＰは、検知セル電圧を出力したセル（すなわち、対応セル）が正常であるか異常であるかを判断するためのマップであり、予め実験などによって生成される。セル電圧閾値マップＭＰは、条件毎（例えば燃料電池の温度や、湿度、発電状態など）に複数生成しても良い。また、セル電圧閾値マップＭＰに登録されている閾値は固定値としても良いが、適宜設定・変更可能な構成としても良い。

制御装置５８０は、検知セル電圧とセル電圧閾値マップＭＰに登録されているセル電圧閾値とを比較し、対応セルが正常であるか異常であるかを判断する。制御装置５８０は、例えば検知セル電圧がセル電圧閾値を下回っている場合には、対応セルに異常が生じていると判断する一方、検知セル電圧がセル電圧閾値以上である場合には、対応セルは正常であると判断する。制御装置５８０は、対応セルに異常が生じていると判断すると、この異常を運転手などに報知すべく、ＦＣスタックケース５２０の外に設けられた図示せぬ警報ランプ（報知装置）を点滅したり、表示装置（報知装置）やスピーカ（報知装置）などから異常が生じた旨のメッセージを出力したりすることで、対応セルに異常が生じたことを運転手などに報知する。

本実施形態に係るＦＣ電圧監視システム５００の概略は以上のとおりである。以下、ＦＣ電圧監視システム５００を構成するＰＬＣ信号化ユニット５６０について詳細に説明する。

＜ＰＬＣ信号化ユニット５６０＞
ＰＬＣ信号化ユニット５６０は、変調部５６１、アクセス制御部５６２を備えている。
変調部５６１は、電圧用端子５４０−ｍから配線５５０−ｍを介して供給されるセル電圧信号にＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）などの変調処理を施すことで、セル電圧をあらわすＰＬＣ信号を生成する。なお、本実施形態では変調方式としてＯＦＤＭを例示するが、スペクトラム拡散（ＳＳ）などの変調方式を利用しても良い。

アクセス制御部（重畳部）５６２は、ＦＣ出力ケーブル（出力電圧ケーブル）５１０ｂを介して負荷などに供給される出力電力（電力線）に、変調部５６１から供給されるＰＬＣ信号を重畳して、セル電圧演算ユニット５９０に送信する。また、アクセス制御部５６２は、ＦＣ出力ケーブル５１０ｂを利用してＰＬＣ信号を送信する際、ＰＬＣ信号が衝突を避けつつ、効率的な通信を可能とするためにＰＬＣ信号のアクセス制御を行う。なお、ＰＬＣ信号については高い優先度（プライオリティ）を設定し、送信時間や待ち時間の少ない優先的なデータ通信が実現されるようにしても良い。

以上説明したように、ＦＣスタックケース５２０に収容されるＰＬＣ信号化ユニットは、セルモニタに比して構造が単純であるため、該ＦＣスタックケース内の配置が容易となり、従来に比して簡易かつ小型化することが可能となる。

さらに、セル電圧演算ユニット５９０は、ＦＣスタックケース５２０の外に設置されるため、従来に比して部品点数を少なくすることができる。また、ＦＣスタックケース５２０の中は、従来に比して電子部品を簡素化することができ、温度、湿度、ほこりなどに対する耐久性、信頼性を向上することが可能となる。

さらにまた、ＰＬＣ信号ユニット５６０とセル電圧演算ユニット５９０との間は、新たに配線する必要がないため、ケーブル配策の手間を省くことができるとともに、安全性を向上することが可能となる。

Ｂ．変形例
上述した本実施形態では、ＰＬＣ信号の伝送に利用する電力線としてＦＣ出力ケーブル５１０ｂを例示したが、その他の電力線であっても良い。
図２は、変形例に係るＦＣ電圧監視システム５００’の要部構成を示す図である。変形例に係るＦＣ電圧監視システム５００’は、補機５９５及び補機電源ケーブル５９５ａが新たに設けられている点を除けば図１に示すＦＣ電圧監視システム５００と同様である。よって、対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

補機５９５は、ＦＣスタックケース５２０に収容される種々のコンプレッサやモータなどであり、補機電源ケーブル５９５ａは、補機５９５に電力を供給するためのケーブルである。変形例では、ＰＬＣ信号の伝送に利用する電力線として補機電源ケーブル５９５ａを利用する。具体的には、ＰＬＣ信号化ユニット５６０は、補機電源ケーブル５９５ａを介して補機５９５に供給される出力電力（電力波形）に、変調部５６１から供給されるＰＬＣ信号を重畳して、セル電圧演算ユニット５９０に送信する。セル電圧演算ユニット５９０は、補機電源ケーブル５９５ａを介して供給される電力波形から、ＰＬＣ信号を取り出し、取り出したＰＬＣ信号に基づきセル電圧を検知する。なお、この後の動作については本実施形態と同様に説明することができるため、説明を割愛する。このように、ＰＬＣ信号の伝送に利用する電力線として補機電源ケーブルなどを利用しても良いのはもちろんである。

本実施形態に係るＦＣ電圧監視システムの要部構成を示す図である。 変形例に係るＦＣ電圧監視システムの要部構成を示す図である。 ＦＣ電圧監視システムの要部構成を示す従来例である。 ＦＣ電圧監視システムの要部構成を示す従来例である。

符号の説明

５００，５００’・・・ＦＣ電圧監視システム、５１０・・・ＦＣスタック本体、５１０ａ・・・燃料電池、５１０ｂ・・・ＦＣ出力ケーブル、５２０・・・ＦＣスタックケース、５３０・・・セル、５４０・・・電圧用端子、５５０・・・配線、５６０・・・ＦＣ信号化ユニット、５６１・・・変調部、５６２・・・アクセス制御部、５７０・・・ケーブル、５８０・・・制御装置、ＭＰ・・・セル電圧閾値マップ、５９０・・・セル電圧演算ユニット。

Claims (4)

1. ケースに収容された燃料電池の電圧を監視する電圧監視システムであって、
   前記ケース内には、
   複数のセルを積層した前記燃料電池の本体部と、
   少なくとも２以上のセルに設けられた電圧測定用端子と、
   前記電圧測定用端子から出力される電圧信号に所定の変調処理を施す変調部と、
   当該ケース内外を接続する電力線に、前記変調処理後の電圧信号を重畳する重畳部とが設けられ、
   前記ケース外には、
   前記電力線から前記変調処理後の電圧信号を取り出し、対応するセルの電圧を検知するセル電圧検知装置と、
   前記セル電圧検知装置によって検知されたセル電圧に基づき、対応するセルに異常が生じているか否かを判断する制御装置とが設けられていることを特徴とする電圧監視システム。
2. 前記電力線は、前記燃料電池に接続された出力電圧ケーブルであることを特徴とする請求項１に記載の電圧監視システム。
3. 前記ケース内には、補機がさらに設けられ、
   前記電力線は、前記補機に接続された補機電源ケーブルであることを特徴とする請求項１に記載の電圧監視システム。
4. 前記ケース外には、前記対応するセルに異常が生じていると判断された場合に、異常が生じている旨を報知する報知装置がさらに設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの請求項に記載の電圧監視システム。

Images