JP4960977B2

JP4960977B2 - セル電圧検出システム

Info

Publication number: JP4960977B2
Application number: JP2009013169A
Authority: JP
Inventors: 裕司蓑田; 敏明有吉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: EP2211412B1; EP2211412A1; US20100188093A1; JP2010170893A; US8274292B2; ATE542256T1

Description

本発明は、燃料電池のセル電圧検出システムに関するものである。

燃料電池は、水素を主成分とする燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて起電力を得るセル（単電池）を多数積層した燃料電池スタックによって形成されている。このような燃料電池は、燃料電池車等に搭載されつつある。

ところで、セル電圧は、燃料電池スタック内部での燃料ガス密度、湿度、および温度の分布に依存して変動し易い。例えば、燃料電池のセル電圧は、燃料ガスを供給しない状態ではゼロとなる。また、一部のセルのセル電圧が低下することは、燃料電池スタック全体の寿命や安定性に影響を及ぼす恐れがある。そのため、各セル電圧の状態を監視（検出）する必要がある。

セル電圧を検出する場合に、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）を電圧検出素子として用いるセル電圧検出システムに係る発明が、特許文献１（段落０００６参照）に開示されている。特許文献１に記載のセル電圧検出システムでは、電圧検出素子を駆動する電源として、燃料電池自身が用いられている。しかし、前記したように、燃料電池の電圧は、大きく変動する。そのため、燃料電池の電圧の変動にともなって、誤検出が発生する可能性がある。そこで、特許文献１に記載のセル電圧検出システムでは、電圧検出素子を駆動する電圧を監視する監視回路とその監視回路を駆動する外部電源とを別途設ける構成を採用している。

特開２００７−２３２４１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のセル電圧検出システムは、前記したように、監視回路とその監視回路を駆動する外部電源とを別途設けているため、システムサイズが大きくなり、またコストも高くなるという問題がある。また、監視回路は、電圧検出素子（ＡＤＣ）を駆動する燃料電池の電圧が低下して異常と判断した場合には、測定したセル電圧の検出値を補正したり、検出値を無視したりする処理を行うため、セル電圧検出精度が低下し、燃料電池の安定運転に支障をきたす恐れがあるという問題がある。

そこで、本発明は、セル電圧を検出する電圧検出素子を燃料電池自身によって駆動しつつ、燃料電池の電圧低下時においても安定してセル電圧を検出し、システムサイズをコンパクトに維持する回路構成を有するセル電圧検出システムを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明のセル電圧検出システムは、単電池であるセルを複数直列に接続した燃料電池の前記セルの電圧を検出するセル電圧検出システムであって、前記燃料電池の直列接続を複数に分割したブロックごとにそれぞれ、前記ブロック内のセルの電圧を検出する電圧検出素子、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ、およびダイオード素子を備え、前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、その二次側の負極が前記電圧検出素子の負極側端子および前記ブロックの負極と同電位にされ、その一次側は外部電源に接続され、前記二次側の電圧が前記同電位を基準として少なくとも前記電圧検出素子を駆動させる駆動電圧となるように変圧し、前記電圧検出素子を動作させる駆動用の正極側端子には、前記ブロックの正極から電流を通流する向きにダイオード素子を接続し、前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側の正極側から電流を通流する向きにダイオード素子を接続する構成を有することを特徴とする。また、前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側の電圧が、前記電圧検出素子を駆動させる最低の駆動電圧となることを特徴とする。

かかる構成によれば、セル電圧検出システムは、燃料電池の出力電圧が電圧検出素子の最低駆動電圧より低下した時、または、燃料電池の起動時に、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータによって最低駆動電圧が維持されるため、安定してセル電圧検出を実行することが可能となる。また、ダイオード素子を設けたことによって、燃料電池のブロックの電圧または絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側の電圧のうちの高い方に切り替えることができるため、燃料電池の電圧低下を判定する回路（例えば、特許文献１に記載の監視回路）を備える必要がなく、システムサイズをコンパクトに維持することが可能となる。また、燃料電池の電圧低下を判定する回路が不要となるため、コストを抑制することが可能となる。

また、本発明は、前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側の電圧が、前記外部電源の電圧より小さいことを特徴とする。

かかる構成によれば、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側の電圧を外部電源（例えば１２Ｖ系のバッテリ）の電圧より小さくすることによって、外部電源の電圧を昇圧する回路を必要としないので、システムサイズをコンパクトに形成することが可能となる。

また、本発明は、前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側は、各絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに共通の１つの外部電源に接続されることを特徴とする。

かかる構成によれば、燃料電池のブロックごとに、ブロックの負極、電圧検出素子の負極側端子、および絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの負極側の電位を等しくしているため、各絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに電力を供給する外部電源を一つにすることができる。そのため、燃料電池のブロックごとに、外部電源を設ける構成に比べて、外部電源を一つにまとめることができ、システムサイズをコンパクトにすることが可能となる。

本発明によれば、燃料電池の電圧低下時においても安定してセル電圧を検出するコンパクトなセル電圧検出システムを提供することができる。

第１実施形態におけるセル電圧検出システムの構成の一例を示す図である。電圧検出素子の駆動電圧の一例を示す図である。第２実施形態におけるセル電圧検出システムの構成の一例を示す図である。

本発明を実施するための形態（以降、「実施形態」という）について、適宜図面を用いながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態におけるセル電圧検出システムの構成の一例について、図１を用いて説明する。
図１に示すようにセル電圧検出システム１は、燃料電池１０、電圧検出素子９０、補助電源２０、およびダイオード素子Ｄ１，Ｄ２を備えている。

燃料電池１０は、単電池（セル）１１を複数直列に接続して構成されている。また、燃料電池１０の単電池（セル）１１の正極（単電池１１同士の間を仕切るセパレータ）には、セル電位検出用の端子が備えられている。そして、燃料電池１０の出力電圧Ｖｃｅｌｌは、燃料電池１０内部での燃料ガス密度、湿度、および温度の分布に依存して変動する。なお、図１では単電池（セル）１１を１０個直列に接続した状態を表しているが、単電池（セル）１１の個数は、１０個に限られない。また、単電池（セル）１１は、２以上のセルをパッケージとしたものであっても構わない。

電圧検出素子９０を動作させる駆動用の正極側端子には、燃料電池１０の正極から電流を通流する向きにダイオード素子Ｄ１が接続され、また補助電源２０の正極側から電流を通流する向きにダイオード素子Ｄ２が接続される。そして、電圧検出素子９０の負極側端子、燃料電池１０の負極、および補助電源２０の負極側は、接続される等により同電位にされる。

補助電源２０は、少なくとも、電圧検出素子９０が動作する最低の駆動電圧以上の電圧Ｖｉｎを出力する。なお、補助電源２０の出力電圧Ｖｉｎは、燃料電池１０の出力電圧Ｖｃｅｌｌに比べ、変動が非常に小さい。

図２は、電圧検出素子９０の駆動電圧の一例を示している。図２の横軸は時間を表し、縦軸は電圧検出素子９０の駆動電圧を表している。図２の太線に示すように、電圧検出素子９０の駆動電圧は、燃料電池１０の出力電圧または補助電源２０の出力電圧のうちの大きい方の電圧となる。すなわち、燃料電池１０の起動時には、燃料電池１０の出力電圧が補助電源２０の電圧（一定）より低いため、電圧検出素子９０は、補助電源２０によって動作する。そして、燃料電池１０の出力電圧が補助電源２０の出力電圧より高くなると、電圧検出素子９０は、燃料電池１０によって動作する。再び、燃料電池１０の出力電圧が補助電源２０の出力電圧を下回ると、電圧検出素子９０の駆動電圧は、補助電源２０によって補われる。つまり、電圧検出素子９０の駆動電圧は、通常、燃料電池１０によって供給されるが、燃料電池１０の電圧が最低駆動電圧を一時的に下回ったときに、補助電源２０によって補われる。または、電圧検出素子９０の駆動電圧は、燃料電池１０の起動時に、補助電源２０によって補われる。

図１に戻って、電圧検出素子９０は、ＭＵＸ（Multiplexer）９１、差動回路９２、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）９３、および通信Ｉ／Ｆ（Interface）回路９４によって構成されている。電圧検出素子９０は、ＡＤＣ９３を用いて単電池（セル）１１の各電圧を測定する。
ＭＵＸ９１は、燃料電池１０を構成する単電池（セル）１１の正極を選択し、選択した正極から取得される電位を差動回路９２に入力する。なお、図１では、ＭＵＸ９１における正極の選択制御を実行させる回路の記載を省略している。
差動回路９２は、選択した端子から取得された単電池（セル）１１の電位と、基準となる電位との差分を算出し、その差分に所定の値を乗算する。

ＡＤＣ９３は、差動回路９２の出力を、デジタル信号に変換する。
通信Ｉ／Ｆ回路９４は、ＡＤＣ９３の出力であるデジタル信号を、マイコン等の処理装置に送信する。なお、処理装置では、受信したデジタル信号を用いて、セル電圧の監視が行われる。
なお、電圧検出素子９０には、図示していないが、入力された駆動電圧を昇圧する回路が組み込まれており、燃料電池１０の電圧を検知することが可能なように構成されている。

以上説明したように、第１実施形態に係るセル電圧検出システム１は、燃料電池１０の電圧または補助電源２０の電圧のうちのどちらか大きい方の電圧を電圧検出素子９０に供給することをダイオード素子Ｄ１，Ｄ２によって実現している。そのため、第１実施形態に係るセル電圧検出システム１は、燃料電池１０の電圧低下を判定する回路を必要とせず、安定してセル電圧を検出するシステムを構成できる。また、第１実施形態に係るセル電圧検出システム１は、そのシステムサイズをコンパクトに構成できる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態におけるセル電圧検出システムの構成の一例について、図３を用いて説明する。なお、図３において、単電池（セル）１１、ダイオード素子Ｄ１，Ｄ２および電圧検出素子９０は、図１におけるものと同様であるので、同じ符号を付す。

図３に示すように、第２実施形態におけるセル電圧検出システム２は、燃料電池スタック１２、セル電圧検出部３ａ，３ｂ，・・，３ｎ、および外部電源５０を備えている。
燃料電池スタック１２は、単電池（セル）１１を複数直列に積層してブロック１３を形成し、そのブロック１３を１以上直列に接続して構成される。セル電圧検出部３は、燃料電池スタック１２のブロック１３ごとに配置される。そして、セル電圧検出部３は、燃料電池スタック１２のブロック１３内の単電池（セル）１１の電圧を検出し、検出した電圧に係る情報をＣＰＵ（Central Processing Unit）に送信する。なお、外部電源５０は、各セル電圧検出部３へ、電源検出素子９０が動作可能な電圧を供給する。

なお、図３では、ブロック１３は、単電池（セル）１１を１０個直列に接続した状態を表しているが、単電池（セル）１１の個数が１０個に限られない。また、単電池（セル）１１は、２以上のセルをパッケージとしたものであっても構わない。
また、燃料電池スタック１２の単電池（セル）１１の正極には、セル電位検出用の端子が備えられている。

ここで、図３に示すセル電圧検出システム２の構成の詳細について、燃料電池スタック１２のブロック１３ｎ、セル電圧検出部３ｎ、および外部電源５０の接続構成を代表として用い、以下に説明する。
セル電圧検出部３ｎは、電圧検出素子９０、ダイオード素子Ｄ１，Ｄ２、絶縁型ＤＣ（Direct Current）−ＤＣコンバータ４０、および通信用の絶縁素子３０を備えている。

電圧検出素子９０の駆動用の正極側端子には、ブロック１３ｎの正極から電流を通流する向きにダイオード素子Ｄ１が接続され、また絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側の正極側から電流を通流する向きにダイオード素子Ｄ２が接続される。そして、電圧検出素子９０の負極側端子、ブロック１３ｎの負極、および絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側の負極側は、接続される等により同電位にされる。

絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側の電圧は、第１実施形態における補助電源２０（図１参照）の電圧と同様であって、少なくとも電圧検出素子９０が動作する最低の駆動電圧となっている。そして、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側の出力電圧は、ブロック１３ｎの出力電圧に比べ、電圧変動が非常に小さい。

したがって、電圧検出素子９０の駆動電圧は、ブロック１３の出力電圧または絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側の出力電圧のうちの大きい方の電圧となる。すなわち、通常、電圧検出素子９０の駆動電圧は、ブロック１３ｎによって供給され、ブロック１３の電圧が電圧検出素子９０の最低駆動電圧を一時的に下回ったときに、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側の出力電圧によって補われる。または、電圧検出素子９０の駆動電圧は、燃料電池１０の起動時に、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側の出力電圧によって補われる。

絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の一次側には、外部電源５０が接続される。そして、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側の電圧が、少なくとも電圧検出素子９０の最低の駆動電圧となるように構成される。なお、第２実施形態における電圧検出素子の最低の駆動電圧は５Ｖ程度であるので、外部電源５０として自動車に搭載される１２Ｖ系のバッテリを用いた場合、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、昇圧回路を必要としない。そのため、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータのサイズを小さくすることが可能となる。

セル電圧検出システム２では、燃料電池スタック１２のブロック１３ごとに、セル電圧検出部３ｎと同様のセル電圧検出部３（３ａ，３ｂ，・・）を備えている。そして、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側の電圧が、第１実施形態において記載した、補助電源２０の出力電圧と等しくなるように構成される。さらに、この絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０を備えることによって、ブロック１３ごとに負極の電位が異なっていても、１つの外部電源５０から各絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０に電力を供給することが可能になる。

また、電圧検出素子９０によって検出された電圧に係る情報は、絶縁素子３０を介してＣＰＵに送信される。

以上説明したように、第２実施形態に係るセル電圧検出システム２では、電圧検出素子９０の最低の駆動電圧が５Ｖ程度であるので、外部電源５０が１２Ｖ系のバッテリであれば、昇圧回路が不要になり、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０のサイズをコンパクトにすることができる。換言すると、電圧検出素子９０の最低の駆動電圧は、１２Ｖ系のバッテリの電圧以下にすることが望ましい。
また、ブロック１３の電圧または絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側から供給される電圧のうちの大きい方の電圧を電圧検出素子９０に供給することをダイオード素子によって実現しているため、電圧検出素子９０の駆動電圧の低下を判定する回路が不要となり、システムサイズをコンパクトにすることが可能となる。そのため、コストも抑えられる。
また、ブロック１３ごとに、電圧検出素子９０の負極側端子、ブロック１３の負極、および絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の負極側を同電位にすることによって、外部電源５０を１つにすることができる。そのため、システムサイズをコンパクトにすることが可能となる。
また、本実施形態において記載した絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、シリーズレギュレータによって実現しても構わない。

１，２セル電圧検出システム
３セル電圧検出部
１０燃料電池
１１単電池（セル）
１２燃料電池スタック
１３ブロック
２０補助電源
４０絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ
５０外部電源
９０電圧検出素子
Ｄ１，Ｄ２ダイオード素子

Claims

単電池であるセルを複数直列に接続した燃料電池の前記セルの電圧を検出するセル電圧検出システムであって、
前記燃料電池の直列接続を複数に分割したブロックごとにそれぞれ、前記ブロック内のセルの電圧を検出する電圧検出素子、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ、およびダイオード素子を備え、
前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、その二次側の負極が前記電圧検出素子の負極側端子および前記ブロックの負極と同電位にされ、その一次側は外部電源に接続され、前記二次側の電圧が前記同電位を基準として少なくとも前記電圧検出素子を駆動させる駆動電圧となるように変圧し、
前記電圧検出素子を動作させる駆動用の正極側端子には、前記ブロックの正極から電流を通流する向きにダイオード素子を接続し、前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側の正極側から電流を通流する向きにダイオード素子を接続する構成を有する
ことを特徴とするセル電圧検出システム。
前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側の電圧が、前記電圧検出素子を駆動させる最低の駆動電圧となる
ことを特徴とする請求項１に記載のセル電圧検出システム。
前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側の電圧が、前記外部電源の電圧より小さい
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセル電圧検出システム。
前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側は、各絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに共通の１つの外部電源に接続される
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のセル電圧検出システム。