JP6303322B2 - セル電圧監視装置 - Google Patents

Description

この発明は、電池セルの電圧を測定するセル電圧監視装置に関する。

多数の電池セルが直列に接続された燃料電池において、電池セルごとにセル電圧を測定するセル電圧監視装置が提案されている (特許文献１参照)。

特開２００６−１５３７４４号公報

現在開発中のセル電圧監視装置は、燃料電池の発電状態を維持するとともに燃料電池の異常を検知するために、電池セルのセル電圧を測定する。

このような測定装置では、電圧を測定する測定回路を電池セルごとに設けるとコストが増加してしまうので、複数の電池セルの各々の接続を１つずつ順番に切り替えて各電池セルのセル電圧を１個の測定回路に順次出力する切替器を使用することを検討している。

切替器を使用して複数の電池セルを１個ずつ順次測定する方式では、１個の電池セルに対するサンプリング時間として、少なくとも切替器が全ての電池セルを測定するのに必要な１周期分の時間が必要となる。また、電池セルの異常検出については、セル電圧の前回の測定値と今回の測定値との差分、すなわちサンプリング周期ごとの差分に基づいて、電池セルの異常による電圧低下か否かが判定される。このため、切替器による１周期分のサンプリング周期が長くなると、燃料電池の異常を検出するまでの時間が遅くなる。

これに対して電池セルの異常を迅速に検出するには、切替器の切替え速度を高速にすることでサンプリング周期を極めて短くしなければならない。しかしながら、サンプリング周期を短くするには、高速なデータ処理が必要となるため、測定回路のコストが高くなることが懸念される。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、コストの増加を抑制しつつ、迅速にセル電圧の異常を検出するセル電圧監視装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による装置は、複数の電池セルが直列に接続された積層電池の電圧を測定する装置であって、前記積層電池の電圧を測定する測定回路と、前記複数の電池セルの正極端子がそれぞれ接続される複数の入力端子と、前記測定回路が接続される出力端子とを有し、前記入力端子と出力端子との間の接続を電池セル単位で切り替える切替器と、前記切替器の接続を順次切り替えて、各電池セルの電圧を所定周期ごとに前記測定回路に出力させる制御部と、前記測定回路によって前記所定周期ごとに測定される所定電池セルの電圧に基づいて前記所定電池セルの発電状態を監視する監視部と、を含む。そして前記制御部は、前記監視部により前記電池セルの電圧が低下したと判断された場合には、前記低下した所定電池セルの測定間隔を前記所定周期よりも短く設定する設定部と、前記低下した所定電池セルを測定したときを基点として前記設定部により設定された測定間隔で、前記低下した所定電池セルの順番を前記切替器の接続順序よりも先にする指令部と、を含み、当該所定電池セルの発電状態を監視することを特徴とする。

この態様によれば、制御部は、監視対象のセル電圧が低下した場合には、電圧低下した電池セルの測定間隔を、切替器の各電池セルの切り替えに要する１周期分のサンプリング周期よりも短い周期に変更する。

これにより、異常の可能性のある電池セルの測定間隔が短くなるので、電圧低下した電池セルの状態を短い周期でモニターできる。このため、積層電池の異常を迅速に検知することができる。さらに切替器の切替速度を高速にしなくても異常を迅速に検知できるので、データ処理の高速化に伴うコストの増加を抑制できる。

したがって、コストの増加を抑制しつつ迅速にセル電圧の異常を検出することができる。

図１は、本発明の実施形態におけるセル電圧監視装置を示す図である。 図２は、制御部の構成を示す機能ブロック図である。 図３は、注意セルの測定間隔に関する図である。 図４は、制御部による電池セル群の監視方法を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態におけるセル電圧監視装置を示す図である。

燃料電池システム１は、例えば、燃料電池スタック１００にアノードガス及びカソードガスを供給して、燃料電池スタック１００に接続される負荷に応じて発電する電源システムである。燃料電池システム１は、例えば、電動式の駆動モータによって走行する電気自動車に搭載される。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック１００を良好な発電状態に維持すると共に、燃料電池スタック１００で著しく電圧が低下したときは燃料電池スタック１００の運転を緊急停止する。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック１００とセル電圧監視装置２００とを含む。

燃料電池スタック１００は、例えば数百Ｖ（ボルト）の電圧を生じる。燃料電池スタック１００には、外部からカソードガス（例えば酸素）及びアノードガス（例えば水素）が供給され、カソードガス及びアノードガスが、燃料電池の電解質膜において化学反応を起こして発電する。アノードガス及びカソードガスの供給量は、駆動モータなどの負荷からの発電要求に応じて調整される。

燃料電池スタック１００の電圧端子１０１は、例えばＤＣ／ＤＣ（Direct Current／Direct Current）コンバータに接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータによって燃料電池スタック１００の電圧が調整されて、燃料電池スタック１００から駆動モータへ電力が供給される。

燃料電池スタック１００は、多数の電池セル１０で積層された積層電池である。電池セル１０の各々は、互いに直列に接続され、例えば、１Ｖ程度の起電力を生じる。

本実施形態では、燃料電池スタック１００はｎ枚の電池セル１０で構成されている。ｎは、２以上の自然数である。ここでは、電池セル１０の各々は、電圧端子１０１から負極側へ順番に、電池セルＣｎ、電池セルＣｎ−１、電池セルＣ３、電池セルＣ２、電池セルＣ１と表わされている。なお、便宜上、電池セルＣ４〜Ｃｎ−２を省略している。

電池セルＣｎの正極端子は、セル電圧監視装置２００の入力端子２０１と接続される。電池セルＣ２の正極端子は、電池セルＣ１の入力端子よりも負極側の入力端子２０１と接続される。また、電池セルＣ１の正極端子は、電池セルＣ２の入力端子２０１よりも負極側の入力端子２０１と接続される。

セル電圧監視装置２００は、燃料電池スタック１００の電圧を測定する装置である。セル電圧監視装置２００は、測定回路２１０と、切替器２２０と、演算部３００と、を含む。

測定回路２１０は、電池セル１０に生じる電圧（以下「セル電圧」という。）を測定する。測定回路２１０は、切替器２２０から時分割で出力される各セル電圧を検出し、その検出信号をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換する。測定回路２１０は、変換した測定データを演算部３００に順次出力する。測定回路２１０は、例えば、電圧検出用のオペアンプとＡ／Ｄ変換器とで構成される。

切替器２２０は、測定回路２１０に対して電池セルＣ１から電池セルＣｎまでの電池セル群を、電池セル単位で順次切り替える。切替器２２０は、例えば、ランダム接続可能なＭＵＸ（MUltipleXer：マルチプレクサー）により実現される。

切替器２２０は、電池セル群の各々の正極端子がそれぞれ接続される複数の入力端子２１と、測定回路２１０の入力端子に接続される出力端子２９と、を有する。切替器２２０は、予め定められたサンプリング周期ごとに、複数の入力端子２１と出力端子２９との間の接続を電池セル単位で順次切り替える。

サンプリング周期（制御周期）は、切替器２２０によって全ての電池セル１０に切り替えるのに必要な１周期分の時間に基づいて設定される。

切替器２２０は、セル電圧の測定が開始されると、まず電池セルＣｎと測定回路２１０とを接続し、一定期間経過した後に測定回路２１０との接続を電池セルＣｎから電池セルＣｎ−１に切り替える。そして切替器２２０は、測定回路２１０との接続を電池セルＣｎ−２から電池セルＣ２まで順次切り替え、電池セルＣ２に接続してから一定期間を経過した後に、電池セルＣ１と測定回路２１０との接続に切り替える。

電池セルＣ１と接続した後サンプリング周期が経過すると、切替器２２０は、再び、電池セルＣｎと測定回路２１０とを接続し、上述のようにセル電圧の測定が繰り返される。

このように切替器２２０が電池セルＣ１からＣｎまでの接続を順次切り替えることにより、電池セルＣ１から電池Ｃｎまでの電池セル群の各セル電圧が時分割で出力端子２９に順次出力される。そして測定回路２１０は、切替器２２０の出力端子２９に生じる電圧を検出して演算部３００に測定データを順次出力する。

演算部３００は、測定回路２１０から、電池セルＣ１から電池セルＣｎまでの各セル電圧を示す測定データを取得し、測定データに基づいて燃料電池スタック１００の発電状態を監視する。演算部３００は、例えば、電池セル１０が異常状態であると判定したときは、燃料電池システム１を制御するコントローラに判定結果を通知する。この場合には、コントローラは、電池セル１０の異常回避制御を実行する。例えば、コントローラは、電池セル群の一部の電池セル１０で電解質膜に凝縮水が付着して目詰まりを起こしたと推定し、燃料電池スタック１００に供給されるカソードガスの流量を増やして生成水を吹き飛ばす。

このようなセル電圧監視装置では、切替器２２０の使用により測定回路２１０の設置数を削減できるので、製造コストを低減することができる。

一方、切替器２２０の使用により、１個の電池セル１０についてのセル電圧のサンプリング時間としては、切替器２２０が全ての電池セルＣ１〜Ｃｎを測定するのに必要な１周期分の時間を要する。また、電池セル１０の異常は、同一の電池セル１０について測定回路２１０で測定された値（今回値）と、その直前に測定された前回値との差分、すなわちサンプリング時間あたりの差分に基づいて判定される。このため、切替器２２０による１周期分のサンプリング時間が長くなるほど、電池セル１０の異常を検出するまでの時間が遅くなる。

これに対して電池セル１０の異常を迅速に検出するには、切替器２２０による接続切替の速度を高速化してサンプリング周期を短くしなければならない。サンプリング周期を短くするには、測定回路２１０で高速なデータ処理が必要となるため、測定回路２１０のコストが高くなることが懸念される。

そこで本実施形態では、電池セル群のうちセル電圧が低下している電池セル１０について測定間隔を、切替器２２０の１周期分の時間よりも短くする。

図２は、演算部３００の機能構成を示すブロック図である。演算部３００は、制御部３０１と、監視部３２０と、を備える。制御部３０１は、切替制御部３１０と、注意セル監視制御部３３０と、を備える。

切替制御部３１０は、切替器２２０の接続を順次切り替えて、各電池セル１０の電圧をサンプリング周期ごとに測定回路２１０に出力させる。

サンプリング周期とは、切替器２２０の接続切替えによって、ひとつの電池セル１０のセル電圧を測定してから同一の電池セル１０のセル電圧を測定するまでに要する期間のことをいう。すなわち、サンプリング周期とは、電池セルＣ１から電池セルＣｎまでの電池セル群の各々の測定間隔のことである。

切替制御部３１０は、測定順序列保持部３１１と、サンプリング周期設定部３１２と、セル接続切替部３１３と、を備える。

測定順序列保持部３１１には、電池セルＣ１から電池セルＣｎまでの電池セル群の測定順番を示す順序列情報が記憶されている。本実施形態では、順序列情報には、電池セルＣｎから電池セルＣｎの負極端子側の電池セルＣ１まで、「１」から「ｎ」の番号が順番（シーケンシャル）に付与されている。

サンプリング周期設定部３１２は、切替器２２０によって決まるサンプリング周期を、セル接続切替部３１３に設定する。サンプリング周期は、例えば１００ｍｓ（ミリセカンド）である。

セル接続切替部３１３は、サンプリング周期設定部３１２によって設定されたサンプルリング周期に基づいて、電池セル１０を接続してから次の電池セル１０に切り替えるまでの切替期間を決定する。

セル接続切替部３１３は、セル電圧の測定が開始されると、測定順序列保持部３１１の順序列情報に示された測定順番に従って、切替期間ごとに電池セル１０を切り替える。

監視部３２０は、電池セルＣ１から電池セルＣｎまでの電池セル群の各電池セル１０のセル電圧に基づいて電池セル群の発電状態を監視する。例えば、監視部３２０は、燃料電池スタック１００を良好な発電状態に維持するために、電池セル群のセル電圧に関する平均値、最大値及び最小値を算出する。電池セル群のセル電圧の平均値は、アノードガスやカソードガスの圧力制御に用いられる。電池セル群のセル電圧の最大値及び最小値は、例えば、システム異常の判断に用いられる。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック１００の電池セルＣ１から電池セルＣｎまでの全ての電池セル１０を測定対象としているが、これに限られるものではない。例えば、電池セル群のうち奇数番目又は、偶数番目の電池セル１０のみを測定対象としてもよい。これにより、演算部３００の処理負荷を軽減すると共に、燃料電池スタック１００の異常検出を迅速化することができる。

また、監視部３２０は、セル電圧が緊急停止閾値まで低下したか否かを判断する。緊急停止閾値とは、セル電圧が下がり過ぎたことにより燃料電池システム１の緊急停止が必要な電圧値のことである。また、監視部３２０は、１個の電池セル１０に関するセル電圧の低下速度、平均値などを用いて、異常の蓋然性が高い電池セル１０を判定する。

監視部３２０は、セル電圧低下率演算部３２１と、電圧データ保持部３２１１と、異常セル判定部３２２と、注意セル保持部３２２１と、異常通知部３２３と、を備える。

電圧データ保持部３２１１には、測定回路２１０で測定された電池セル群の各セル電圧を示す測定データが保持される。

セル電圧低下率演算部３２１は、測定データに基づいて電池セル１０のセル電圧の低下速度を演算する。セル電圧低下率演算部３２１は、測定回路２１０から測定データを受け付けると、測定データを電圧データ保持部３２１１に記録すると共に、電池セル１０の電圧の低下速度（以下「低下率」という。）を演算する。

具体的には、セル電圧低下率演算部３２１は、ひとつの電池セル１０ごとに、前回取得した測定値から今回取得した測定値を減算して電圧低下幅を算出し、その電圧低下幅を、サンプリング周期あたりの電圧低下率として異常セル判定部３２２に出力する。なお、セル電圧低下率演算部３２１は、電圧低下幅をサンプリング周期で除算して電圧低下率を算出してもよい。

注意セル保持部３２２１には、電池セル群のうちセル電圧が低下している注意セルを識別するための注意セル情報が保持される。

異常セル判定部３２２は、セル電圧低下率演算部３２１から各電池セル１０の電圧低下率を取得すると、電池セル１０の電圧低下率が、低下閾値を超えているか否かを判断する。異常セル判定部３２２は、電池セル１０の電圧低下率が低下閾値以下である場合には、その電池セル１０は正常であると判定する。

低下閾値は、実験データ等によって定められる値である。例えば、低下閾値は、負荷変動に応じて低下するセル電圧の変化率よりも大きな値に設定される。燃料電池システム１では、アクセルペダルの操作量が大きくなるほど、駆動モータへの供給電力を大きくするため、燃料電池スタック１００から取り出される出力電流が大きくなる。燃料電池スタック１００は、出力電流が大きくなるほど、出力電圧が低くなる特性を有しているため、駆動モータへの供給電力の変動に応じて燃料電池スタック１００の出力電圧、すなわちセル電圧も緩やかに変動する。

一方、電池セル１０の目詰まりなどの異常が発生したときには、そのセル電圧は、負荷変動によるセル電圧の低下率よりも急峻に低下する。そのため、負荷変動によってセル電圧が低下したときに、誤って異常によるセル電圧の低下と判定されないように、低下閾値は、負荷変動によるセル電圧の低下率よりも大きな値に設定される。

異常セル判定部３２２は、電池セル１０の電圧低下率が低下閾値よりも大きい場合には、電池セル１０の異常が原因でセル電圧の電圧が低下したと判定する。

異常セル判定部３２２は、異常による電圧低下と判定された場合には、電圧低下したと判定された電池セル１０を示す注意セル情報を生成し、その注意セル情報を注意セル保持部３２２１に記録すると共に注意セル監視制御部３３０に出力する。

さらに、異常セル判定部３２２は、電池セル１０の電圧低下率が低下閾値よりも大きい場合には、セル電圧の異常を示す異常警告信号を異常通知部３２３に出力する。

また、異常セル判定部３２２は、同一の電池セル１０において、セル電圧が異常であると複数回判定された場合、または、セル電圧が緊急停止閾値よりも低いと判断された場合には、燃料電池スタック１が異常であると判定して異常信号を出力する。

異常通知部３２３は、異常セル判定部３２２から異常警告信号を受けると、電池セル１０が異常状態の可能性が高い旨を示す警告情報を、燃料電池システム１のコントローラに出力する。一方、異常通知部３２３は、異常信号を受けると、燃料電池スタック１が異常である旨を示す異常情報をコントローラに出力する。コントローラは、異常通知部３２３から警告情報を受け付けると、アノードガス及びカソードガスの供給流量を増加させる等の異常回避制御を実行する。

注意セル監視制御部３３０は、監視部３２０によって電池セル１０のセル電圧の低下率が低下閾値よりも大きいと判断された場合には、その電池セル１０の測定間隔（測定周期）をサンプリング周期よりも短くする。

これにより、サンプリング周期よりも短い間隔で、電圧低下した電池セル１０の発電状態を監視できるので、電池セル１０の異常を迅速に検出することができるようになる。なお、異常セル判定部３２２によってセル電圧の低下率が低下閾値よりも大きいと判断された電池セルのことを、以下「注意セル」という。

注意セル監視制御部３３０は、監視間隔カウンタ設定部３３１と、割込み指令部３３２と、退避メモリ３３３と、を備える。

監視間隔カウンタ設定部３３１は、注意セル１０の測定間隔を、サンプリング周期よりも短い時間（以下「監視時間」という。）に設定する。

監視時間は、例えば、数十ｍｓ単位に設定される。または、注意セル１０のセル電圧の値が低くなるほど、電池セル１０が異常の可能性が高いと推定し、監視時間をさらに短く設定するようにしても良い。あるいは、注意セル１０のセル電圧の低下率が大きい、すなわちセル電圧の変化速度が速いほど、監視時間を短くしてもよい。これにより、電池セル１０の異常をより迅速に検出することができる。

監視間隔カウンタ設定部３３１は、時間を計測するカウンタ３３１１を有し、セル接続切替部３１３によって切替器２２０の接続が切り替えられるたびにカウンタ３３３１のカウント値をカウントアップする。

監視間隔カウンタ設定部３３１は、異常セル判定部３２２から注意セル情報を受けると、カウンタ３３１１のカウント値をゼロ（０）にセットし、カウントアップを開始する。そして監視間隔カウンタ設定部３３１は、カウント値が所定値に到達すると、時間経過信号を割込み指令部３３２に出力する。なお、所定値は、監視時間の長さによって決まる値である。

割込み指令部３３２は、監視間隔カウンタ設定部３３１から時間経過信号を受けると、測定順序列保持部３１１の順序列情報で指定された通常の電池セル１０の順番に注意セル１０の順番を割り込ませるために、注意セル情報をセル接続切替部３１３に設定する。

セル接続切替部３１３は、注意セル情報を受け付けると、順序列情報を参照し、切替器２２０に設定中の電池セル１０の測定順番を退避メモリ３３３に記録し、次に設定される電池セルを、注意セル情報に示された電池セル（注意セル）１０に入れ替える。そしてセル接続切替部３１３は、切替間隔が経過したときに切替器２２０の接続を注意セル１０に切り替える。これにより、サンプリング周期よりも短い監視間隔で注意セル１０を監視することができる。

セル接続切替部３１３は、切替器２２０の接続を注意セル１０に切り替えると、退避メモリ３３３に記憶された電池セル１０の測定順番を取得し、切替時間が経過したときに切替器２２０の接続を、退避メモリ３３３から取得した順番の電池セル１０に切り替える。その後、セル接続切替部３１３に注意セル情報が設定されるまでは、通常のシーケンシャルな測定順番で電池セル１０が順次切り替えられる。

図３は、注意セル１０の監視間隔に関する図である。図３（Ａ）は、通常のシーケンシャルな切替順序による測定間隔を示す図である。図３（Ｂ）は、２番目の電池セルＣｎ−１が注意セル１０と判定されたときの測定間隔を示す図である。ここでは、測定順番に符号「＃」が付されている。例えば、電池セルＣｎの測定順番は「１」番である。

図３（Ｂ）では、異常セル判定部３２２によって電池セルＣｎ−１のセル電圧の低下率が低下閾値よりも低いと判断されたことにより、監視間隔カウンタ設定部３３１によって電池セルＣｎ−１の測定間隔がサンプリング周期よりも短い監視間隔に設定される。

このように、セル電圧が低下傾向にある電池セルＣｎ−１について、短周期でセル電圧が測定されるので、高速でセル電圧の状態をモニターすることができる。これにより、電池セルＣｎ−１の電圧低下については、一時的な低下か、電池セル１０自体の異常による低下かを迅速に検出することが可能になる。

次に演算部３００の動作について図面を参照して説明する。

図４は、演算部３００による電池セル群の監視方法の処理手順例を示すフローチャートである。

図４では、サンプリング周期設定部３１２によってセル接続切替部３１３にサンプリング周期が設定され、測定順序列保持部３１１の順序列情報に従って切替期間ごとに電池セルＣｍの接続が切り替えられている。また、電圧データ保持部３２１１には、測定回路２１０で測定された電池セルＣ１からＣｎまでの各電池セル１０のセル電圧が記憶されている。

ステップＳ９０１においてセル電圧低下率演算部３２１は、測定回路２１０から電池セルＣｍのセル電圧を取得する。

ステップＳ９０２においてセル電圧低下率演算部３２１は、測定回路２１０で測定されたセル電圧に基づいてセル電圧の低下率ΔＶを演算する。

例えば、セル電圧低下率演算部３２１は、電圧データ保持部３２１１に記憶された電池セルＣｍの前回のセル電圧を参照し、ステップＳ９０１で取得した今回のセル電圧を前回のセル電圧から減算した差分を、セル電圧の低下率ΔＶとして算出する。そしてセル電圧低下率演算部３２１は、セル電圧の低下率ΔＶを異常セル判定部３２２に出力する。

ステップＳ９０３において異常セル判定部３２２は、電池セルＣｍに関するセル電圧の低下率ΔＶが低下閾値Ｖｔｈよりも大きいか否かを判断する。そして異常セル判定部３２２は、セル電圧の低下率ΔＶが低下閾値Ｖｔｈよりも大きい場合には、異常通知部３２３に対して異常警報信号を出力する。

ステップＳ９０４において異常通知部３２３は、異常セル判定部３２２から異常警報信号を受けると、燃料電池システム１のコントローラに対してセル電圧が異常に低下していることを警告する。これにより、コントローラは、燃料電池スタック１００に対する異常回避制御を実行する。

ステップＳ９０５において異常セル判定部３２２は、電池セルＣｍに関するセル電圧の低下率ΔＶが低下閾値Ｖｔｈよりも大きいと判断された場合には、電池セルＣｍを注意セルＣａとして注意セル保持部３２２１に設定する。具体的には、電池セルＣｍを示す注意セル情報と、電池セルＣｍに関するセル電圧の低下率ΔＶとが互いに対応付けられて注意セル保持部３２２１に記録される。

また、既に注意セルＣａが注意セル保持部３２２１に設定されている状況では、異常セル判定部３２２は、セル電圧の低下率ΔＶが低下閾値Ｖｔｈよりも大きい場合には、低下率ΔＶが大きい方の電池セル１０を注意セル保持部３２２１に設定する。あるいは、異常セル判定部３２２は、セル電圧が低い方の電池セル１０を注意セル保持部３２２１に設定してもよい。

そして異常セル判定部３２２は、注意セル情報を、割込み指令部３３２と監視間隔カウンタ設定部３３１とに出力する。監視間隔カウンタ設定部３３１は、注意セル情報を受け付けると、カウント値Ｃｎをゼロにセットし、カウントアップを開始する。

一方、ステップＳ９０３でセル電圧の低下率ΔＶが低下閾値Ｖｔｈ以下と判断されたときには、ステップＳ９０６において異常セル判定部３２２は、注意セル保持部３２２１に注意セルＣａが記録されているか否かを確認する。注意セルＣａが記録されておらず、注意セル情報がヌル（Ｎｕｌl）値を示す場合には、ステップＳ９１７乃至ステップＳ９１９の通常切替え処理が実行される。

通常切替処理では、ステップＳ９１７においてセル接続切替部３１３は、電池セルＣｍの順番に「１」を加算した順番の電池セル１０を次回の測定セルＣｍとして設定する。

そしてステップＳ９１８においてセル接続切替部３１３は、次回の測定セルＣｍが最後の電池セル１０の順番Ｃｍａｘよりも大きいか否かを判断する。次回の測定セルＣｍが最後の電池セル１０の順番Ｃｍａｘよりも大きい場合には、ステップＳ９１９においてセル接続切替部３１３は、次回の測定セルＣｍを「１」に設定する。これにより、切替器２２０の接続順番が最初に戻る。

ステップＳ９０６で注意セル保持部３２２１に注意セルＣａが記録されているこが確認されると、ステップＳ９０７において異常セル判定部３２２は、注意セルＣａと電池セルＣｍとが互い一致しているか否かを確認する。すなわち、注意セルＣａが異常状態から復帰したか否かを判断する。

ステップＳ９０８において異常セル判定部３２２は、電池セルＣｍが注意セルＣａと一致している場合には、電池セルＣｍの異常状態が解消されているため、注意セルＣａにＮｕｌl値を設定（上書き）する。これにより、注意セル保持部３２２１から注意セルＣａが消去される。

次にステップＳ９０５又はステップＳ９０８の処理が終了すると、ステップＳ９０９乃至ステップＳ９１２の割込み処理が実行される。

ステップＳ９０９において監視間隔カウンタ設定部３３１は、注意セル情報が注意セルＣａを示す場合には、カウンタ３３１１のカウント値Ｃｎが、所定の監視時間に達したか否かを確認する。監視時間は、サンプリング周期よりも短い時間である。

ステップＳ９１０に監視間隔カウンタ設定部３３１は、カウント値Ｃｎが監視時間に達した場合には、割込み指令部３３２に時間経過信号を出力する。そして割込み指令部３３２は、時間経過信号を受けると、セル接続切替部３１３に注意セル情報を設定する。

また、監視間隔カウンタ設定部３３１は、カウント値Ｃｎが監視時間に達した場合には、カウンタ３３１１をリセットする。これにより、カウント値Ｃｎがゼロに設定されて、カウントアップが開始される。

ステップＳ９１１においてセル接続切替部３１３は、電池セルＣｍを退避セルＬｃとして退避メモリ３３３に設定する。退避メモリ３３３には、例えば、退避セルＬｃを特定する情報として、測定順序列保持部３１１の順序列情報に示された電池セルＣｍの順番が記録される。

そしてステップＳ９１２においてセル接続切替部３１３は、次に設定される電池セルＣｍを注意セルＣａに入れ替え、切替期間が経過したときに切替器２２０の出力端子２９に注意セルＣａの入力端子２１を接続する。

一方、ステップＳ９０９でカウント値Ｃｎが監視時間に達していないと判断された場合には、監視間隔カウンタ設定部３３１は、カウント値Ｃｎを「１」だけカウントアップする。

次にステップＳ９１４乃至ステップＳ９１６においてセル接続切替部３１３は、割込み処理から通常のシーケンシャルな切替え処理へ移行する。

ステップＳ９１４においてセル接続切替部３１３は、退避メモリ３３３に退避セルＬｃが記録されているか否かを確認する。

注意セル保持部３２２１に注意セルＣａが設定された後であって割込み処理が実行される前は、退避メモリ３３３には、退避セルＬｃが設定されておらず、Ｎｕll値が記憶されている。退避メモリ３３３に退避セルＬｃが記憶されていない場合には、割込み処理が実行されていないため、通常の切替え処理が実行される。

またステップＳ９１５においてセル接続切替部３１３は、電池セルＣｍが注意セルＣａと一致しているか否かを確認する。電池セルＣｍと注意セルＣａとが一致していない場合には、割込み処理が実行されていないため、通常の切替え処理が実行される。

ステップＳ９１５及びステップＳ９１６においてセル接続切替部３１３は、退避メモリ３３３に退避セルＬｃが記憶されており、かつ、測定回路２１０で測定された電池セルＣｍが注意セルＣａと一致している場合には、シーケンシャルな切替え処理に復帰させる。

具体的には、セル接続切替部３１３は、退避メモリ３３３から退避セルＬｃを取得すると、測定順序列保持部３１１の順序列情報を参照し、退避セルＬｃの順番を特定し、その順番に「１」を加えた順番の電池セル１０を次回の測定セルＣｍとして設定する。これにより、次の割込み処理が実行されるまではステップＳ９１７からステップＳ９１９までの通常の切替え処理が実行される。

ステップＳ９２０においてセル接続切替部３１３は、セル電圧の測定指令が解除されるまではステップＳ９０１に戻って一連の処理手順を繰り返し行い、測定指令が解除されると、演算部３００による電池セル群の監視方法を終了する。

このように、セル電圧の低下率ΔＶが低下閾値Ｖｔｈよりも大きい電池セルＣｍは異常と判定され、異常と判定された電池セルＣａについては、セル電圧の測定間隔が、サンプリング周期よりも短い監視時間に設定される。

そしてカウント値Ｃｎが監視時間を経過するたびに、通常の測定順番に注意セルＣａの順番を割り込ませることにより、サンプリング周期よりも短い間隔で、注意セルＣａのセル電圧を監視することができる。

本実施形態によれば、燃料電池システム１は、電池セル１０に生じる電圧を測定する測定回路２１０と、複数の入力端子２１と出力端子２９との間の接続を電池セル１０単位で切り替える切替器２２０と、演算部３００と、を備える。演算部３００は、制御部３０１を構成する切替制御部３１０及び注意セル監視制御部３３０と、監視部３２０と、を備える。

そして切替制御部３１０は、切替器２２０の接続を順次切り替えて、各電池セル１０のセル電圧を所定のサンプリング周期ごとに測定回路２１０へ出力させる。また、監視部３２０は、電池セル群の各電池セル１０のセル電圧に基づいて電池セル群の発電状態を監視する。

注意セル監視制御部３３０は、監視部３２０によって電池セル群のうちいずれかの電池セル１０のセル電圧が低下したと判断された場合には、セル電圧が低下した電池セル（注意セル）Ｃａの測定間隔（測定周期）をサンプリング周期よりも短くする。

このように、制御部３０１は、セル電圧が低下した場合には、セル電圧が低下した電池セル１０の測定間隔を、切替器２２０が各電池セル１０の切り替えに要する１周期分の時間によって決まるサンプリング周期よりも短い周期に変更する。

これにより、異常の可能性のある電池セル１０の測定間隔が短くなるので、電圧低下した電池セル１０の電圧状態を短い周期でモニターできる。このため、電池セル１０の異常を迅速に検知することができる。さらに切替器２２０の切替速度を高速にしなくても電池セル１０の異常を迅速に検知できることから、測定回路２１０でのデータ処理を高速化する必要がないのでコストの増加を抑制できる。

したがって、コストの増加を抑制しつつ電池セル１０の異常検出を迅速化することができる。

また、監視部３２０では、セル電圧低下率演算部３２１が、電池セル１０のセル電圧の低下速度を演算し、異常セル判定部３２２は、セル電圧の低下速度が低下閾値を超えるか否かを判断し、セル電圧の低下速度が低下閾値よりも大きい場合には、セル電圧が低下閾値を超えた電池セル１０を注意セルＣａと判定する。

そして注意セル監視制御部３３０では、監視間隔カウンタ設定部３３１が、セル電圧の変化速度が低下閾値を超えると判断された場合に、注意セルＣａの測定間隔をサンプリング周期よりも短い監視時間に設定する。割込み指令部３３２は、監視間隔カウンタ設定部３３１に設定された短い監視周期で、注意セルＣａの順番を、切替器２２０による通常の接続順序で指定された順番よりも先に割り込ませる。通常の接続順序とは、測定順序列保持部３１１の順序情報に示された注意セルＣａの順番のことである。

このように、セル電圧の変化速度を用いて電圧異常を判定する判定手法では、セル電圧の前回測定した値と今回測定した値との差分を算出する必要がある。そのため、セル電圧の測定間隔を切替器２２０によって決まるサンプリング周期に固定すると、電池セル１０の異常に伴いセル電圧が緊急停止閾値よりも低下した場合には、その電池セル１０のサンプリング周期が経過するまでは異常の判定をすることができない。

このため、セル電圧が低下した電池セル１０の測定間隔をサンプリング周期よりも短くすることにより、セル電圧の変化速度を異常の判定に用いても迅速に電池セル１０の異常を検出することが可能になる。

また、本実施形態では、監視間隔カウンタ設定部３３１は、異常セル判定部３２２によってセル電圧が低下したと判定された場合には、カウント値をゼロにリセットし、切替器２２０の接続が切り替えられるたびにカウントアップする。そして割込み指令部３３２は、カウント値が監視時間に達したときには、切替器２２０の接続を注意セルＣａに入れ替え、その後、注意セルＣａを入れ替える前の元の測定順序で切替器２２０の接続を順次切り替えさせる。

これにより、注意セルＣａの測定間隔をサンプリング周期よりも短くしつつ、他のセル電圧が低下していない電池セル１０については、サンプリング周期と略同じ間隔でセル電圧の測定を継続することができる。

また、本実施形態では注意セル監視制御部３３０は、電圧異常と判定された注意セルＣａが複数存在する場合には、注意セルＣａのうちセル電圧の低下速度が最も速い電池セル１０、又は、セル電圧が最も低い電池セル１０のみ測定間隔を短くする。

このように、異常の可能性が最も高い電池セルＣａの測定間隔のみを短い周期で測定し、その他の電池セル１０をサンプリング周期と略同じ周期で測定することにより、電池セル１０の異常検出の迅速化を図りつつ、監視制御の演算処理を軽減することができる。また、電圧異常と判定された全ての電池セル１０について測定間隔を短くする場合には他の電池セル１０の測定間隔が長くなってしまうので、測定間隔を短くできる電池セル１０の数を限定することで、全体的な異常検出の長期化を抑制することができる。

また、本実施形態では、セル電圧低下率演算部３２１は、注意セルＣａについて、前回測定されたセル電圧と、監視時間経過後に測定されたセル電圧との差分に基づいて変化速度を算出する。

電池セル１０からセル電圧監視装置２００への配線が断線したときの電圧の低下速度と、燃料電池スタック１００の負荷の変動による電圧の低下速度と、電池セル１０の異常による電圧の低下速度とは、互いに異なる。そのため、セル電圧の変化速度を注意セルＣａの判定に用いることにより、電池セル１０の異常を迅速に判定することができる。

また、監視間隔カウンタ設定部３３１は、注意セルＣａのセル電圧の変化速度が大きいほど、電池セル１０が異常を起こしている可能性が高いので、注意セルＣａの測定間隔を短くするようにしてもよい。これにより、電池セル１０の異常をさらに素早く検出することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、本実施形態では、セル電圧監視装置２００の測定対象して燃料電池スタック１００の電圧を測定する例について説明したが、燃料電池スタックに限られるものではなく、リチウムイオンバッテリなどの積層電池にも適用可能である。

また、本実施形態では、セル電圧の低下速度に基づいて注意セルＣａを判定する例について説明したが、異常セル判定部３２２は、セル電圧が所定電圧値よりも低下した場合に、その電池セル１０を注意セルＣａと判定してもよい。

また、本実施形態では、ひとつの注意セルＣａにのみ、測定間隔をサンプリング周期よりも短くする例について説明したが、セル電圧が異常と判定された全ての注意セルＣａについて測定間隔を短くしてもよい。また、本実施形態では、電池セル１０の異常を検出するまで測定間隔をサンプリング周期よりも短くする例について説明したが、電池セル１０の異常を検出してから通常の電圧レベルに復帰するまで間も、測定間隔を短くして異常セルの発電状態を監視するようにしてもよい。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１０ 電池セル
２１ 切替器の入力端子
２９ 切替器の出力端子
１００ 燃料電池スタック
２００ セル電圧監視装置
２１０ 測定回路
２２０ 切替器
３０１ 制御部
３１０ 切替制御部（制御部）
３２０ 監視部
３２１ セル電圧低下率演算部（電圧演算部）
３２２ 異常セル判定部（判定部）
３３０ 注意セル監視制御部（制御部）
３３１ 監視間隔計測部（設定部）
３３２ 割込み指令部（指令部）
３３１１ カウンタ

Claims (6)

1. 複数の電池セルが直列に接続された積層電池の電圧を測定する装置であって、
   前記積層電池の電圧を測定する測定回路と、
   前記複数の電池セルの正極端子がそれぞれ接続される複数の入力端子と、前記測定回路が接続される出力端子とを有し、前記入力端子と出力端子との間の接続を電池セル単位で切り替える切替器と、
   前記切替器の接続を順次切り替えて、各電池セルの電圧を所定周期ごとに前記測定回路に出力させる制御部と、
   前記測定回路によって前記所定周期ごとに測定される所定電池セルの電圧に基づいて前記所定電池セルの発電状態を監視する監視部と、を含み、
   前記制御部は、前記監視部により前記電池セルの電圧が低下したと判断された場合には、前記低下した所定電池セルの測定間隔を前記所定周期よりも短く設定する設定部と、
   前記低下した所定電池セルを測定したときを基点として前記設定部により設定された測定間隔で、前記低下した所定電池セルの順番を前記切替器の接続順序よりも先にする指令部と、を含む、
   セル電圧監視装置。
2. 請求項１に記載のセル電圧監視装置において、
   前記監視部は、
   前記測定回路で測定された電圧に基づいて前記電池セルの電圧の低下速度を演算する電圧演算部と、
   前記電圧演算部により演算される低下速度が異常検出のための閾値を超えるか否かを判断し、前記低下速度が前記閾値を超えた場合には、前記所定電池セルの電圧が低下したと判定する判定部と、を含み、
   前記設定部は、
   前記判定部により電圧が低下したと判定された所定電池セルの測定間隔を前記所定周期よりも短い周期に設定する、
   セル電圧監視装置。
3. 請求項１に記載のセル電圧監視装置において、
   前記設定部は、時間を計測するカウンタを有し、前記所定電池セルの電圧が低下したと判定された場合には、前記カウンタのカウント値をセットし、前記切替器の接続が切り替えられるたびに前記カウント値をカウントアップし、
   前記指令部は、前記カウンタのカウント値が、前記測定間隔を短い周期に設定するための所定値に達したときには、前記切替器の接続を前記低下した所定電池セルに入れ替え、その後、元の接続順序で前記切替器の接続を順次切り替えさせる、
   セル電圧監視装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のセル電圧監視装置において、
   前記設定部は、前記低下した所定電池セルのうち、セル電圧の低下速度が最も速い電池セル、又は、セル電圧が最も低い電池セルのみ測定間隔を短くする、
   セル電圧監視装置。
5. 請求項２に記載のセル電圧監視装置において、
   前記電圧演算部は、前記測定回路により測定された前記所定電池セルの電圧と、当該電圧を測定してから前記測定間隔を経過した後に測定される前記所定電池セルの電圧との差分に基づいて、前記低下速度を算出する、
   セル電圧監視装置。
6. 請求項２に記載のセル電圧監視装置において、
   前記設定部は、前記所定電池セルの電圧の低下速度が大きいほど、前記電池セルの測定間隔を短くする、
   セル電圧監視装置。

Images