JP4256837B2 - 電圧測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧測定装置に関し、特に多数の直列に接続された電池セルに対して、少数の入力端子でスキャンしながら電池セルの電圧を測定する電圧測定装置に関する。

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、単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て一つの燃料電池スタックが構成され使用される。

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を知る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、一つのセルでも異常が生じた場合、そのセルの電圧が顕著に低下するため、個別セルの電圧を測定していれば異常が発生したことがわかり、直ちに発電量の制限や運転の停止をすることで、異常の拡大を防止することができる。

各セルからその電圧を検出するため、各セル間のセパレータに突起状の電圧測定用端子を設けるようにして、個別セルの電圧を測定する例が報告されている（特許文献１参照）。これによって、セパレータの端面に穴を開ける必要がないため、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るので、燃料電池が小型になっても各セルの電圧を個別に測定することができる。
特開平１１−３３９８２８号公報

しかしながら、実際の測定では、燃料電池のようにセル数が多い場合には、時間差を作らないために複数の測定点を同時に測定できる多入力の電圧測定がどうしても必要になるし、接続や測定点の切替えに要する部品点数が非常に多いという問題がある。
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、多数の直列に接続された電池セルの個々の電圧をスキャンして測定する電圧測定装置において、測定点切替えのためのスイッチ素子を削減して効率的な測定を廉価に実現できる電圧測定装置の実現を課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、複数の直列に接続された電池セルを所定数の電池セルからなる群に分割し、群ごとの電池セルの接続点に対応した入力端子を有し、各電池セルの接続点にスイッチ手段が接続され、群ごとに前記スイッチ手段を切り替え、前記入力端子を電池セルの接続点に接続してスキャン方式で前記各電池セルの電圧を差動増幅器が測定する電圧測定装置において、群と群の間の接続点には両群に共通に使用する共通のスイッチ手段が設けられ、奇数番目の群では、各群の電圧の低い側が接地され、偶数番目の群では、各群の電圧の高い側が接地され、前記差動増幅器の入力電圧に対し、オフセット電圧を加え、このオフセット電圧を高圧側に接地させた群に対しては電圧の低い側に接地させた群よりも高く設定するものとした。

請求項２に記載の発明は、前記電池セルは燃料電池のセルであるものとした。

本発明によれば、多数の直列に接続された電池セルの個々の電圧をスキャンして測定する電圧測定装置において、群と群の間の接続点には両群に共通に使用する共通のスイッチ手段を設けることによって、測定点切替えのためのスイッチ素子を削減して効率的な測定を廉価に実現できるようになる。

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。
燃料電池のような個別セルの電圧測定など多数の直列接続された起電力素子の起電力を測定する場合、起電力素子の電極の測定点を複数の群に分けて複数の測定入力端子を有する電圧測定装置で群ごとに測定点の電圧を同時に測定するのが効率的である。このとき、測定点と測定入力端子との間にスイッチ素子を設けて、群別にオン、オフすることで、測定群の選択が可能になる。

このような場合に従来から用いられている入力回路の例として、図1に示すような構成のものがある。図１において、符号１０ａは電圧測定装置の入力回路であり、符号Ｂ１〜Ｂ３はバッファ、符号Ｃ１〜Ｃ９は電圧測定対象である電池セル、符号Ｄ１〜Ｄ３は差動増幅器、Ｆ１〜Ｆ３は低域ろ波フィルタ（ローパスフィルタ）、符号Ｓ１〜Ｓ１３はフォトＭＯＳスイッチ、符号ＧＮＤは接地端子である。ここで低域ろ波フィルタＦ１〜Ｆ３は入力電圧信号の雑音除去と安定化のために、バッファＢ１〜Ｂ３は被測定側と測定器側の分離のために設けられている。なお、図１の例では入力回路１０ａの入力端子はＧＮＤを含めて４端子で、３セル分を１群として、群ごとに測定が同時に行われるようになっているが、これはあくまで一例であってさらに多くの入力端子を有する構成を採ることもできる。

この例で、フォトＭＯＳスイッチＳ１〜Ｓ４を同時にオンにすると、図２に示すように電池セルＣ１の負極がＧＮＤになって差動増幅器Ｄ１の−入力端に、電池セルＣ１の正極と電池セルＣ２の負極との接続点が低域ろ波フィルタＦ１とバッファＢ１を経て差動増幅器Ｄ１の＋入力端と差動増幅器Ｄ２の−入力端に、電池セルＣ２の正極と電池セルＣ３の負極との接続点が低域ろ波フィルタＦ２とバッファＢ２を経て差動増幅器Ｄ２の＋入力端と差動増幅器Ｄ３の−入力端に、電池セルＣ３の正極と電池セルＣ４の負極との接続点が低域ろ波フィルタＦ３とバッファＢ３を経て差動増幅器Ｄ３の＋入力端に、それぞれ接続されることになる。そうして、差動増幅器Ｄ１の出力から電池セルＣ１の電圧が、差動増幅器Ｄ２の出力から電池セルＣ２の電圧が、差動増幅器Ｄ３の出力から電池セルＣ３の電圧が得られ、これらが図示しないＣＰＵのＡ／Ｄ変換器に入力されて、第１ステージの電池セルＣ１、電池セルＣ２及び電池セルＣ３の電圧が測定される。

第１ステージの電池セルＣ１、Ｃ２及びＣ３の電圧測定が終了すると、フォトＭＯＳスイッチＳ１〜Ｓ４をオフにし、フォトＭＯＳスイッチＳ５〜Ｓ８を同時にオンにする。すると、電池セルＣ４の負極がＧＮＤに接続され、電池セルＣ４の正極と電池セルＣ５の負極との接続点が低域ろ波フィルタＦ１とバッファＢ１を経て差動増幅器Ｄ１の＋入力端と差動増幅器Ｄ２の−入力端に、電池セルＣ５の正極と電池セルＣ６の負極との接続点が低域ろ波フィルタＦ２とバッファＢ２を経て差動増幅器Ｄ２の＋入力端と差動増幅器Ｄ３の−入力端に、電池セルＣ６の正極と電池セルＣ７の負極との接続点が低域ろ波フィルタＦ３とバッファＢ３を経て差動増幅器Ｄ３の＋入力端に、それぞれ接続され、差動増幅器Ｄ１の出力から電池セルＣ４の電圧が、差動増幅器Ｄ２の出力から電池セルＣ５の電圧が、差動増幅器Ｄ３の出力から電池セルＣ６の電圧が出力されて、第２ステージの電池セルＣ４、電池セルＣ５及び電池セルＣ６の電圧が測定される。

第２ステージの電池セルＣ４、Ｃ５及びＣ６の電圧測定が終了すると、フォトＭＯＳスイッチＳ５〜Ｓ８をオフにし、フォトＭＯＳスイッチＳ９〜Ｓ１２を同時にオンにする。これによって、同様に第３ステージの電池セルＣ７、電池セルＣ８及び電池セルＣ９の電圧が測定される。
このようにすると、図２に示すように各ステージの基準となる電池セル（ここではＣ１、Ｃ４、Ｃ７、…Ｃｋ）の負極がステージごとに順にＧＮＤ（接地端子）に接続され、各電池セルの接続点の電圧が順序に同じ極性で差動増幅器（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）に入力され、各電池セルの電圧が同じ極性で差動増幅器から出力されることになる。

しかし、この方法では図１から分かるように、各ステージの基準となる電池セルＣ４、Ｃ７の負極側は２つのフォトＭＯＳスイッチ（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ９）に接続された構造になっている。燃料電池のように数百セルものセル素子からなる電池セルの電圧を検出する場合、多くのフォトＭＯＳスイッチが用意されねばならない。本発明は、したがって、ステージごとにこの２つのフォトＭＯＳスイッチのうちの１つを省略させ、部品点数の削減を図る。

図３は、本発明のセル電圧測定装置の一実施の形態の入力回路の構成を示す図である。図３において、図１と同じ機能の素子には同一の符号を振って説明を行う。ただし、フォトＭＯＳスイッチＳ４はこの例では図１のＳ５と統合されており、フォトＭＯＳスイッチＳ８は図１のＳ９と統合されているので、それぞれＳ４（Ｓ５）、Ｓ８（Ｓ９）として表した。また、符号Ｒ及びｒは抵抗である。入力回路１０は図１における入力回路１０ａと同様に各ステージの電池セルの電圧を検出する。

図３に示す入力回路１０でも、図１の例と同様に入力回路１０の入力端子はＧＮＤを含めて４端子で、３セル分ずつ測定が行われる場合で説明する。しかしこれはあくまで一つの例であって、低域ろ波フィルタ、バッファおよび差動増幅器を増やしてさらに多くの入力端子を有する構成を採ることもできる。

この入力回路１０の特徴は、奇数番目の測定ステージでは、前記した図１の入力回路１０ａと同様で、電池セルＣ１、Ｃ７の負極が接地するが、偶数番目の測定ステージでは、電圧の高い側を接地にし、出力電圧を反転させることで、基準となる電池セル（Ｃ４、Ｃ７）でもフォトＭＯＳスイッチ（Ｓ４、Ｓ８）を共通に使って部品点数を削減するようにした点である。

第１ステージでは、フォトＭＯＳスイッチＳ１〜Ｓ４を同時にオンにすると、図１の場合と同様に電池セルＣ１の負極がＧＮＤになって差動増幅器Ｄ１の−入力端に、電池セルＣ１の正極と電池セルＣ２の負極との接続点が差動増幅器Ｄ１の＋入力端と差動増幅器Ｄ２の−入力端に、電池セルＣ２の正極と電池セルＣ３の負極との接続点が差動増幅器Ｄ２の＋入力端と差動増幅器Ｄ３の−入力端に、電池セルＣ３の正極と電池セルＣ４の負極との接続点が差動増幅器Ｄ３の＋入力端に、それぞれフィルタとバッファ増幅器を経て接続されることになる。これにより、電池セルＣ１、電池セルＣ２及び電池セルＣ３の電圧が測定される。ここで、このような測定を順方向測定と呼ぶことにする。

第１ステージの電池セルＣ１、Ｃ２及びＣ３の電圧測定が終了すると、フォトＭＯＳスイッチＳ１〜Ｓ３をオフにし、フォトＭＯＳスイッチＳ４（Ｓ５）をオンにしたままで、フォトＭＯＳスイッチＳ６〜Ｓ８（Ｓ９）を同時にオンにする。すると、電池セルＣ６の正極と電池セルＣ７の負極との接続点がＧＮＤに接続され、電池セルＣ６の負極と電池セルＣ５の正極との接続点が低域ろ波フィルタＦ１とバッファＢ１を経て差動増幅器Ｄ１の＋入力端と差動増幅器Ｄ２の−入力端に、電池セルＣ５の負極と電池セルＣ４の正極との接続点が低域ろ波フィルタＦ２とバッファＢ２を経て差動増幅器Ｄ２の＋入力端と差動増幅器Ｄ３の−入力端にそれぞれ接続される。

このとき、電池セルＣ４の負極と電池セルＣ３の正極との接続点が低域ろ波フィルタＦ３とバッファＢ３を経て差動増幅器Ｄ３の＋入力端に接続されている。したがって、差動増幅器Ｄ１の出力から反転された電池セルＣ６の電圧が出力され、差動増幅器Ｄ２の出力から反転された電池セルＣ５の電圧が出力され、そして差動増幅器Ｄ３の出力から反転された電池セルＣ４の電圧が出力される。従って差動増幅器Ｄ１〜Ｄ３の出力の極性を反転することで、第２ステージの電池セルＣ４、電池セルＣ５及び電池セルＣ６の電圧が測定される。ここで、このような測定を仮に逆方向測定と呼ぶことにする。

次の第３ステージでは、フォトＭＯＳスイッチＳ８（Ｓ９）〜Ｓ１２を同時にオンにすることによって、電池セルＣ６の正極と電池セルＣ７の負極との接続点がＧＮＤに接続され、以後、電池セルＣ７、電池セルＣ８及び電池セルＣ９の電圧が順方向で測定される。

図４は、この測定の電圧取り込みの関係の説明図である。図４に示すようにステージごとにＧＮＤ（接地端子）位置を低圧側と高圧側で切り替え、奇数番目第（２ｎ−１）ステージでは順方向測定を行い、偶数番目第（２ｎ）ステージでは逆方向測定を行うことで、各ステージの端部でフォトＭＯＳスイッチを共通化してフォトＭＯＳスイッチを図１の場合に比べてステージの数−１だけ削減することができる。このとき、順方向測定ではより若い番号のセルＣの電圧がより若い番号の差動増幅器Ｄから出力され、逆方向測定ではより若い番号のセルＣの電圧がより後の番号の差動増幅器Ｄから逆極性で出力されることになる。

この測定で、差動増幅器Ｄの出力が入力されるＣＰＵのＡ／Ｄ変換器に入力される電圧が負側になるとＡ／Ｄ変換器に対する仕様がより厳しくなる。これを、オフセット電圧を切り替えることで避けることができる。仮に電池セルＣの起電力が燃料電池の場合のように０Ｖ〜１．３Ｖ程度の値であるとすると、図３の例で順方向測定時のオフセット電圧を＋１Ｖ、逆方向測定時のオフセット電圧を＋５Ｖにすると、Ａ／Ｄ変換器に入力される電圧が＋１Ｖ〜＋５Ｖの範囲に収まることになり、Ａ／Ｄ変換器の仕様をより簡単なものにすることができる。

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起電力を従来よりも少ない素子数で検出することができるので、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る可能性を有している。例えば複数の電池セルを直列に接続してなる二次電池の場合も応用することができる。

従来の複数入力の電圧測定装置の入力回路の回路図である。 図１に示す回路の測定電圧の極性の説明図である。 本発明の電圧測定装置の入力回路の回路図である。 図３に示す回路の測定電圧の極性の説明図である。

符号の説明

１０、１０ａ 入力回路
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ バッファ
Ｃ（Ｃ１〜Ｃ９） 電池セル
Ｄ（Ｄ１〜Ｄ３） 差動増幅器
Ｆ（Ｆ１〜Ｆ３） 低域ろ波フィルタ
Ｓ（Ｓ１〜Ｓ１３） フォトＭＯＳスイッチ

Claims (2)

1. 複数の直列に接続された電池セルを所定数の電池セルからなる群に分割し、
   群ごとの電池セルの接続点に対応した入力端子を有し、各電池セルの接続点にスイッチ手段が接続され、群ごとに前記スイッチ手段を切り替え、前記入力端子を電池セルの接続点に接続してスキャン方式で前記各電池セルの電圧を差動増幅器が測定する電圧測定装置において、
   群と群の間の接続点には両群に共通に使用するスイッチ手段が設けられ、
   奇数番目の群では、各群の電圧の低い側が接地され、偶数番目の群では、各群の電圧の高い側が接地され、
   前記差動増幅器の入力電圧に対し、オフセット電圧を加え、このオフセット電圧を高圧側に接地させた群に対しては電圧の低い側に接地させた群よりも高く設定することを特徴とする電圧測定装置。
2. 前記電池セルは燃料電池のセル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。

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