WO2011136111A1 - 燃料電池の電圧検出装置 - Google Patents

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石川　聡
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矢崎総業株式会社
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a voltage detection device that detects a cell voltage of a fuel cell, and more particularly to a technique that enables measurement of a cell voltage even when no fuel is supplied into the cell.
  • Fuel cells are extremely promising as future vehicle energy because they are not only excellent in terms of environment but also realize high energy efficiency.
  • a fuel cell mounted on a vehicle usually has a plurality of cells. Each cell is connected in series to generate a high voltage such as 200 V, and this voltage is supplied to a motor to drive the vehicle. .
  • a voltage detection device is provided to measure the voltage generated in each cell, and a plurality of cells are divided into one block, and the cell voltage is measured for each block, Whether or not a large voltage is generated is monitored (see, for example, Patent Document 1). For example, in a fuel cell having a total of 55 cells, 11 cells constitute one block, and a total of 5 blocks are configured. Then, the cell voltage for each block is measured by a voltage detection IC provided for each block, and it is monitored whether or not the cell voltage is maintained at a normal voltage.
  • the voltage output from one block is about 40 V, and is provided in each block.
  • the voltage detection IC operates with a voltage of about 40 V output from each cell as a power supply voltage and measures the voltage for each block. That is, the voltage detection IC operates using the cell voltage to be measured as the power supply voltage.
  • the voltage detection IC cannot be operated, and the cell voltage cannot be measured. there were.
  • the present invention has been made to solve such conventional problems, and the object of the present invention is to measure the output voltage of each cell even when fuel is not supplied into the cell.
  • a voltage detection device for detecting an output voltage of a fuel cell that outputs a desired voltage by connecting a plurality of cells in series.
  • N blocks N ⁇ 2 consisting of a plurality of cells, provided for each of the blocks, a voltage detection means for measuring the cell voltage in the block, and the voltage detection means and the communication line via the communication line
  • a voltage detection command to each voltage detection means and a control means for receiving a voltage detection signal transmitted from each voltage detection means, and a voltage supplied from a DC power supply to drive the voltage detection means.
  • each of the converters is connected to any (N-1) blocks of the N blocks, and the control means
  • power is supplied from each converter to the voltage detection means of the block corresponding to each converter to operate the voltage detection means, and the power supplied to each converter
  • the voltage detected by at least one of the voltage detection means exceeds a predetermined threshold value
  • at least one of the voltage detection means provided in each block is The cell voltage of each block is operated as a driving power source, and the cell voltage in each block is obtained.
  • the number of converters is two, and the plurality of cells are connected in series with respect to a ground level, and among these, a lower-end voltage block including cells connected to the ground level, and The converter is connected to each of the upper voltage blocks connected to the maximum voltage level, and the control means has a detection voltage of the voltage detection means exceeding the predetermined threshold value in both the lower voltage block and the upper voltage block. In this case, all the voltage detection means provided in each block are operated using the cell voltage of each block as a driving power source.
  • the number of converters is one, and the control means detects all voltages when the voltage detected by the voltage detection means connected to the converter exceeds the predetermined threshold.
  • the means is operated by using a cell voltage of each block as a driving power source.
  • the number of the converters is one, and the control means is connected when the voltage detected by the voltage detection means to which the converter is connected exceeds the predetermined threshold value. All other voltage detection means except for the detected voltage detection means are operated using the cell voltage of each block as a drive power supply.
  • the fifth invention is characterized in that the fuel cell is used as a power source for driving a motor mounted on a vehicle, and the DC power source is a battery mounted on the vehicle.
  • the converter is connected to (N ⁇ 1) voltage detection means among the N block voltage detection means (voltage detection ICs) to supply power for power supply. Even when the cell voltage is low because the fuel is not supplied into the battery cell, the (N ⁇ 1) voltage detection means can reliably measure the cell voltage. Furthermore, when at least one of the (N ⁇ 1) voltage detection means to which the converter is connected, the cell voltage exceeds a predetermined threshold, voltage detection is performed by all N voltage detection means. Therefore, the cell voltages of all the blocks can be reliably measured.
  • the detection of the cell voltage is started when it is determined that the fuel is supplied into the cell, so that the measurement is not performed in a state where the power supply voltage is low. It is possible to prevent the occurrence of troubles such as malfunctions and false detections due to the low power supply voltage. Furthermore, the circuit configuration can be simplified as compared with the case where a converter is connected to each of all (N) voltage detection means.
  • the cell voltage is detected by connecting the converter to only one voltage detection means among the plurality of voltage detection means, the number of converters can be minimized and the converter is connected. Since the voltage detection means continuously operates with the power output from the converter, even if a problem occurs in which the cell voltage drops after the voltage detection using the cell voltage as a power source is started, a highly accurate voltage Detection is possible.
  • the voltage detection device is used for detecting the cell voltage of the fuel cell mounted on the vehicle, the state of charge of the fuel cell mounted on the vehicle can be detected with high accuracy.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the structure of the voltage detection apparatus of the fuel cell which concerns on 1st Embodiment of this invention. It is a block diagram which shows the structure of 1st voltage detection IC (1st, 2nd voltage detection IC in 2nd Embodiment) of the voltage detection apparatus of the fuel cell which concerns on 1st, 2nd embodiment of this invention. . Blocks showing the configurations of second to fifth voltage detection ICs (second to fourth voltage detection ICs in the second embodiment) of the fuel cell voltage detection device according to the first and second embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell voltage detector 10 and a fuel cell 13 comprising a plurality of cells P1 to P55 according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell 13 according to the present embodiment is used for, for example, an application for supplying electric power to be mounted on a vehicle and drive a vehicle driving motor.
  • the voltage detection device 10 As shown in FIG. 1, the voltage detection device 10 according to the present embodiment is separated into a high-voltage side device 11 and a low-voltage side device 12 through an insulation interface 32.
  • the high voltage side device 11 includes five voltage detection ICs (voltage detection means), that is, a first voltage detection IC (21-1) to a fifth voltage detection IC (21-5). Then, the first voltage detection IC (21-1) measures the output voltages of the eleven cells P1 to P11 partitioned as the first block 61-1 (lower end block). The second voltage detection IC (21-2) measures the output voltages of the eleven cells P12 to P22 partitioned as the second block 61-2. Similarly, the third voltage detection IC (21-3) measures the output voltages of the eleven cells P23 to P33 partitioned as the third block 61-3. The fourth voltage detection IC (21-4) measures the output voltages of the eleven cells P34 to P44 partitioned as the fourth block 61-4. The fifth voltage detection IC (21-5) measures the output voltages of the eleven cells P45 to P55 partitioned as the fifth block 61-5 (upper end block).
  • each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) includes an A / D converter 26 (refer to FIG. 2 and FIG. 3, described as “ADC”).
  • ADC A / D converter
  • Each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) uses a reference voltage output from the reference power supplies 71-1 to 71-5 (see FIG. 1) for A / D conversion.
  • the voltage signal measured for each cell provided in the block (first block 61-1 to fifth block 61-5) is converted into a digital voltage signal.
  • the second to fifth voltage detection ICs (21-2) to (21-5) are connected to the first voltage detection IC (21-1) via the communication line 31.
  • the first voltage detection IC (21-1) is connected to a main microcomputer (control means) 33 provided on the low voltage side device 12 side via an insulation interface 32. That is, the main microcomputer 33 and each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) are connected via the insulation interface 32 by daisy chain communication.
  • the low voltage side device 12 is provided with a regulator 43 that outputs a DC voltage of 5V.
  • the regulator 43 generates a stable 5 V DC voltage from a voltage (for example, 12 V) output from a battery (DC power supply) 41 mounted on the vehicle, and supplies it to the main microcomputer 33.
  • the battery 41 is connected to a DC / DC converter (converter) 42.
  • the DC / DC converter 42 boosts the voltage (for example, 12V) output from the battery 41 and outputs the boosted voltage to the first voltage detection IC (21-1).
  • FIG. 2 is a block diagram showing the internal configuration of the first voltage detection IC (21-1).
  • the detailed configuration of the first voltage detection IC (21-1) will be described with reference to FIG.
  • the first voltage detection IC (21-1) receives either the power output from the cells P1 to P11 or the power output from the DC / DC converter 42.
  • the power supply circuit 23 that generates a predetermined voltage, the cell voltage input unit 22 that is connected to each of the cells P1 to P11 provided in the first block 61-1, and detects these output voltages, and outputs from the cell voltage input unit 22
  • a multiplexer 25 that converts the voltage signal of each cell to a time-series signal of one system
  • an A / D converter 26 that converts the voltage signal of each unit cell output from the multiplexer 25 to a digital signal
  • the selection switch SW1 is connected to the power supply circuit 23, one connection terminal is connected to each cell P1 to P11 side, and the other connection terminal is connected to the DC / DC converter 42. Then, by switching the selection switch SW1, either the power output from each of the cells P1 to P11 or the power output from the DC / DC converter 42 is selected and supplied to the power supply circuit 23.
  • the A / D converter 26 converts the analog signal into a digital signal using the reference voltage output from the reference power supply 71-1 (see FIG. 1).
  • the first voltage detection IC (21-1) includes a control unit 27 and two communication I / Fs 35a and 35b.
  • the control unit 27 includes a CPU 29 and a data storage memory 28, and comprehensively controls the first voltage detection IC (21-1).
  • a cell voltage measurement request signal is transmitted from the main microcomputer 33 shown in FIG. 1
  • the total output voltage signal of each of the cells P1 to P11 measured by the cell voltage input unit 22 is transmitted to the communication I. / F35a and 35b are transmitted to the main microcomputer 33.
  • a switching command signal for the selection switch SW1 is transmitted from the main microcomputer 33, control for switching the selection switch SW1 is performed.
  • the memory 28 stores the total cell voltage of each of the cells P1 to P11.
  • the main microcomputer 33 determines whether or not the voltage signal (total cell voltage of each cell P1 to P11) transmitted from the first voltage detection IC (21-1) is larger than a preset threshold voltage. If it is determined that the voltage is larger than the threshold voltage, a switching command signal for the selection switch SW1 is transmitted to the first voltage detection IC (21-1).
  • the threshold voltage is preset in the main microcomputer 33 as a voltage that allows the total cell voltage of the cells P1 to P11 to output a predetermined voltage from the power supply circuit 23.
  • the selection switch SW1 is connected to the DC / DC converter 42 side and the threshold voltage is reached. Connects the selection switch SW1 to the cell side.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the internal configuration of the second voltage detection IC (21-2).
  • the second voltage detection IC (21-2) does not include the selection switch SW1 in contrast to the first voltage detection IC (21-1) shown in FIG. Is different. That is, the power supply circuit 23 is supplied with power output from the cells P12 to P22, and generates a power supply voltage for operating the second voltage detection IC (21-2). Since other configurations are the same as those in FIG. 2, the same reference numerals are given and description of the configurations is omitted.
  • the third to fifth voltage detection ICs (21-3) to (21-5) have the same configuration as the second voltage detection IC (21-2) shown in FIG. Description is omitted.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure by the main microcomputer 33.
  • the main microcomputer 33 determines whether or not the ignition of the vehicle is turned on from the host system (step S11). If it is determined that the ignition is on (YES in step S11), the DC / DC converter 42 is activated and this output voltage is output to the first voltage detection IC (21-1) ( Step S12). As a result, the output voltage (for example, 12V) of the battery 41 is boosted to a high voltage of about 40V and supplied to the first voltage detection IC (21-1).
  • the main microcomputer 33 transmits a selection command signal for the output voltage of the DC / DC converter 42 to the first voltage detection IC (21-1).
  • the selection switch SW1 shown in FIG. 2 is connected to the DC / DC converter 42 side, and the power supply circuit 23 acquires the power output from the DC / DC converter 42 to obtain the first voltage detection IC (21-1). ) To generate a power supply voltage.
  • the first voltage detection IC (21-1) starts to detect the output voltages of the cells P1 to P11 (step S13).
  • the output voltage of each of the cells P1 to P11 is supplied to the cell voltage input unit 22 and further supplied to the A / D converter 26 via the multiplexer 25, so that the digitized voltage data is supplied to the control unit. 27.
  • the CPU 29 calculates the total voltage of the cell voltages of the cells P 1 to P 11 and stores this voltage in the memory 28.
  • the voltage measurement request signal is transmitted from the main microcomputer 33, the voltage data stored in the memory 28 is transmitted to the main microcomputer 33.
  • the main microcomputer 33 acquires the voltage data transmitted from the first voltage detection IC (21-1), and the total cell voltage detected by the first voltage detection IC (21-1) is a preset threshold value. It is determined whether or not the voltage is higher than the voltage (step S14). If it is determined that the voltage is equal to or higher than the threshold voltage (YES in step S14), the power for operating the first voltage detection IC (21-1) is operated by the cell voltage output from each of the cells P1 to P11. The main microcomputer 33 determines that it can be supplied, and outputs a power switch request signal to the first voltage detection IC (21-1) (step S15).
  • the control unit 27 of the voltage detection IC (21-1) receives this power switch request signal and performs control to switch the selection switch SW1 to the cell side.
  • the first voltage detection IC (21-1) operates using the cell voltages output from the cells P1 to P11 of the first block 61-1 as the power supply voltage.
  • the main microcomputer 33 transmits a cell voltage detection start signal to the other voltage detection ICs (21-2) to (21-5) (step S16).
  • Each of the voltage detection ICs (21-2) to (21-5) starts detecting the cell voltage when the detection start signal is received. That is, the total cell voltage for each of the blocks 61-2 to 61-5 is measured and transmitted to the main microcomputer 33.
  • the main microcomputer 33 monitors the cell voltage transmitted from each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) to monitor whether or not the cell voltage of each block is a normal voltage ( Step S17). If the ignition is turned off (YES in step S18), the process ends.
  • step S14 determines whether or not the cell voltage is not equal to or higher than the threshold voltage (NO in step S14). If NO has elapsed (NO in step S19), the voltage supply by the DC / DC converter 42 is continued and the detection of the cell voltage of the first voltage detection IC (21-1) is continued. Accordingly, when a voltage of a certain level or higher is not output from each of the cells P1 to P55 because the fuel is not supplied into each of the cells P1 to P55, power is supplied from the DC / DC converter 42 to the power supply circuit 23. Then, the detection of the cell voltage by the first voltage detection IC (21-1) is continued.
  • step S19 If the cell voltage does not exceed the threshold voltage for a predetermined time or longer (YES in step S19), it is determined that some abnormality has occurred in the fuel cell 13, and the main microcomputer 33 issues an alarm signal. Is output (step S20). This alarm signal is transmitted to the host system of the voltage detection device 10 to notify the vehicle occupant of the occurrence of an abnormality.
  • each of the plurality of provided cells P1 to P55 is divided into five blocks 61-1 to 61-5, and
  • the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) are provided for the respective blocks 61-1 to 61-5 and the cell voltages of the respective blocks 61-1 to 61-5 are detected, the detection is performed.
  • the voltage boosted by the DC / DC converter 42 is supplied to the power supply circuit 23 of the first voltage detection IC (21-1) to detect the cell voltage, and the detected cell voltage becomes the threshold voltage.
  • the power supply source of the power supply circuit 23 is switched to the cell side. Therefore, even when fuel is not initially supplied into the cell and sufficient power is not supplied from the cell side, the first voltage detection IC (21-1) has the DC / DC converter 42. Since it operates with more supplied electric power, the cell voltage can be detected with high accuracy.
  • the other voltage detection ICs (21-2) to (21-5) are used. Measurement of the cell voltage is started. That is, when the first voltage detection IC (21-1) determines that the cell voltage of the first block 61-1 has reached the threshold voltage, fuel is supplied into each of the cells P1 to P55. Since it can be determined that a sufficient cell voltage is supplied to the second to fifth voltage detection ICs (21-2) to (21-5), the second to fifth voltage detection ICs (21-2) to (21-5) The measurement of the cell voltage by the ICs (21-2) to (21-5) is started. Accordingly, the cell voltage can be detected with high accuracy in each of the voltage detection ICs (21-2) to (21-5).
  • the selector SW1 is switched to change the power supply source to DC / DC.
  • power is supplied from the DC / DC converter 42 only for the first voltage detection IC (21-1) even after the cell voltage reaches the threshold voltage. You may make it operate. In this case, since only the first voltage detection IC (21-1) is operated by the power supplied from the battery 41, it is possible to continuously supply power without imposing a large burden on the battery 41. .
  • FIG. 5 is a block diagram showing a voltage detector 10a for a fuel cell according to a second embodiment of the present invention and a fuel cell 13 comprising a plurality of cells P1 to P55.
  • the fuel cell 13 according to the second embodiment is used for, for example, an application for supplying electric power to be mounted on a vehicle and to drive a motor for driving the vehicle.
  • a second DC / DC converter 44 is installed in comparison with the first embodiment described above, and the output voltage of this DC / DC converter 44 is set to the fifth voltage detection IC (21-5).
  • the fifth voltage detection IC (21-5) has the same configuration as the first voltage detection IC (21-1) shown in FIG.
  • the voltage detection ICs (21-2) to (21-4) have the configuration shown in FIG.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a processing procedure performed by the main microcomputer 33 according to the second embodiment.
  • the main microcomputer 33 determines whether or not the ignition of the vehicle is turned on from the host system (step S31). If it is determined that the ignition is on (YES in step S31), the two DC / DC converters 42 and 44 are operated, and the output voltages of the DC / DC converters 42 and 44 are set to the first voltage.
  • the data is output to the detection IC (21-1) and the fifth voltage detection IC (21-5) (step S32).
  • the output voltage (for example, 12V) of the battery 41 is boosted to a high voltage of about 40V and supplied to the first voltage detection IC (21-1) and the fifth voltage detection IC (21-5).
  • the main microcomputer 33 transmits output voltage selection command signals of the DC / DC converters 42 and 44 to the first voltage detection IC (21-1) and the fifth voltage detection IC (21-5).
  • the selection switch SW1 shown in FIG. 2 is connected to the DC / DC converter 42 side, and the power supply circuit 23 acquires the output voltage of the DC / DC converter 42.
  • the selection switch SW1 is connected to the DC / DC converter 44 side, and the power supply circuit 23 acquires the output voltage of the DC / DC converter 44 to detect the fifth voltage.
  • a power supply voltage for operating the IC (21-5) is generated.
  • the first and fifth voltage detection ICs (21-1) and (21-5) start detecting the output voltages of the cells P1 to P11 and P45 to P55 (step S33).
  • the output voltages of the cells P1 to P11 (P45 to P55) are supplied to the cell voltage input unit 22 and further supplied to the A / D converter 26 via the multiplexer 25, so that they are digitized.
  • Voltage data is input to the control unit 27.
  • the CPU 29 calculates the total voltage of the cell voltages of the cells P 1 to P 11 (P 45 to P 55), and stores this voltage in the memory 28.
  • the voltage measurement request signal is transmitted from the main microcomputer 33, the voltage data stored in the memory 28 is transmitted to the main microcomputer 33.
  • the main microcomputer 33 acquires the voltage data transmitted from the first voltage detection IC (21-1) and the fifth voltage detection IC (21-5), and the first voltage detection IC (21-1). It is determined whether or not both the total cell voltage detected in step 5 and the total cell voltage detected by the fifth voltage detection IC (21-5) are equal to or higher than a preset threshold voltage (step S34). . If it is determined that both are equal to or higher than the threshold voltage (YES in step S34), the first voltage detection IC (21-1) is operated by the cell voltages output from the cells P1 to P11. It is determined that the power can be supplied, and it is determined that the power for operating the fifth voltage detection IC (21-5) can be supplied by the cell voltage output from each of the cells P45 to P55. The microcomputer 33 outputs a power supply switching request signal to the first voltage detection IC (21-1) and the fifth voltage detection IC (21-5) (step S35).
  • the control unit 27 of the first voltage detection IC (21-1) receives this power switch request signal and performs control to switch the selection switch SW1 to the cell side.
  • the first voltage detection IC (21-1) operates using the cell voltages output from the cells P1 to P11 as power supply voltages.
  • the control unit 27 of the fifth voltage detection IC (21-5) performs control to switch the selection switch SW1 to the cell side, so that the fifth voltage detection IC (21-5)
  • the cell voltage output from P55 is used as the power supply voltage.
  • the main microcomputer 33 transmits a cell voltage detection start signal to the second to fourth voltage detection ICs (21-2) to (21-4) which are other voltage detection ICs (step S36). ).
  • the second to fourth voltage detection ICs (21-2) to (21-5) start detecting the cell voltage when receiving the detection start signal. That is, a process of measuring the total cell voltage for each block and transmitting it to the main microcomputer 33 is performed.
  • the main microcomputer 33 monitors cell voltages transmitted from the voltage detection ICs (21-1) to (21-5), and the cell voltages of the blocks 61-1 to 61-5 are normal voltages. Is monitored (step S37). If the ignition is turned off (YES in step S38), the process ends.
  • step S34 determines whether or not a predetermined time has passed (step S39). If the time has not elapsed (NO in step S39), the voltage supply by the DC / DC converters 42 and 44 is continued, and the first voltage detection IC (21-1) and the fifth voltage detection are continued. The detection of the cell voltage of the IC (21-5) is continued. Accordingly, when a voltage exceeding a certain level is not output from each of the cells P1 to P55 due to reasons such as no fuel being supplied into each of the cells P1 to P55, the DC / DC converters 42 and 44 supply power to the power supply circuit 23. Electric power is supplied, and the detection of the cell voltage by the first voltage detection IC (21-1) and the fifth voltage detection IC (21-5) is continued.
  • step S39 If the state in which both cell voltages do not exceed the threshold voltage continues for a predetermined time or longer (YES in step S39), it is determined that some abnormality has occurred in the fuel cell, and the main microcomputer 33 issues an alarm. A signal is output (step S40). This warning signal is transmitted to the host system of the voltage detection device 10a to notify the vehicle occupant that an abnormality has occurred.
  • each of the plurality of cells P1 to P55 is divided into five blocks 61-1 to 61-5, and Detection is started when the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) are provided for the respective blocks 61-1 to 61-5 to detect the cell voltages of the respective blocks 61-1 to 61-5.
  • the voltage boosted by the DC / DC converters 42 and 44 is supplied to the power supply circuit 23 of the first voltage detection IC (21-1) and the fifth voltage detection IC (21-5).
  • the voltage is detected, and when the detected cell voltage reaches the threshold voltage, the power supply source of the power supply circuit 23 is switched to the cell side. Accordingly, even when the fuel is not initially supplied into the cell or the like, even when the cell voltage is lower than the threshold value, the first voltage detection IC (21-1) and the fifth voltage detection IC (21 -5), the cell voltage can be detected with high accuracy.
  • both the first voltage detection IC (21-1) and the fifth voltage detection IC (21-5) have reached the threshold voltage
  • other voltages are then used.
  • the measurement of the cell voltage by the detection ICs (21-2) to (21-4) is started. That is, the first voltage detection IC (21-1) that measures the cell voltage of the first block 61-1 closest to the ground level and the cell voltage of the fifth block 61-5 that outputs the highest voltage are measured. If it is determined by both of the fifth voltage detection ICs (21-5) that the detected cell voltage has reached the threshold voltage, it is determined that fuel is being supplied into each of the cells P1 to P55.
  • each of the voltage detection ICs (21-2) to (21-4) can detect the cell voltage with high accuracy.
  • two DC / DC converters 42 and 44 are used, and no DC / DC converter is provided for each voltage detection IC. Therefore, without using many DC / DC converters, The voltage detection by each of the voltage detection ICs (21-1) to (21-5) can be reliably performed.
  • the selection switch SW1 is switched.
  • the example in which the power supply source is changed from the DC / DC converters 42 and 44 side to the cell side has been described.
  • the first and second voltage detection ICs (21 ⁇ 1) and (21-5) may be operated by supplying power from the DC / DC converters 42 and 44.
  • the first voltage detection IC (21-1) and the fifth voltage detection IC (21-5) are operated by the power supplied from the battery 41, a large burden is placed on the battery 41. Continuous power supply is possible without applying power.
  • the fuel cell voltage detection device of the present invention has been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is of an arbitrary configuration having the same function. Can be replaced.
  • the DC / DC converter is described as an example of the converter that converts the voltage.
  • the present invention may use other voltage converters.
  • the present invention is extremely useful for reliably detecting the cell voltage even when no fuel is supplied into the cell of the fuel cell.

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Abstract

　セル内に燃料が供給されていない場合であっても、セル電圧を測定することが可能な燃料電池の電圧検出装置を提供する。　複数のセルを第１ブロック～第５ブロックの５個のブロックに区分けし、更に、各ブロック毎に電圧検出用ＩＣを設ける。そして、各電圧検出用ＩＣは、接続されるブロック内のセル電圧から電力が供給されて作動し、更に、このうち一つの電圧検出用ＩＣ（２１-1）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２から電力が供給されて駆動する。従って、セル内に燃料が供給されない等の理由によりセル電圧が低下している場合であっても、この電圧検出用ＩＣ（２１-1）によるセル電圧の検出が可能になる。そして、電圧検出用ＩＣ（２１-1）で検出されるセル電圧が閾値電圧を上回った場合に、各電圧検出用ＩＣによる電圧検出を開始する。その結果、高精度な電圧検出が可能となる。

Description

燃料電池の電圧検出装置
　本発明は、燃料電池のセル電圧を検出する電圧検出装置に係り、特にセル内に燃料が供給されていない場合であってもセル電圧を測定可能とする技術に関する。
　昨今において、水素及び酸素を燃料として電力を発生させ、この電力でモータを駆動して車両を走行させる燃料電池車両の開発が広く進められている。燃料電池は、環境面において優れているばかりでなく、高いエネルギー効率を実現できることから、今後の車両用エネルギーとして極めて有望である。
　車両に搭載される燃料電池は、通常複数のセルを有しており、各セルを直列に接続して例えば、２００Ｖ等の高電圧を発生させ、この電圧をモータに供給して車両を走行させる。
　このような燃料電池車両においては、各セルに生じる電圧を測定するために電圧検出装置が設けられており、複数のセルを１つのブロックに区分し、各ブロック毎にセル電圧を測定し、適正な電圧が発生しているか否かを監視している（例えば、特許文献１参照）。例えば、全体で５５個のセルを備える燃料電池では、１１個のセルを１つのブロックとし、全体で５個のブロックを構成する。そして、各ブロック毎に設けられた電圧検出用ＩＣにて各ブロック毎のセル電圧を測定し、セル電圧が正常な電圧に保持されているか否かを監視する。
　この際、例えば上述した例のように、全体で５５個のセルが、１１個、５ブロックに区分けされた場合には、１つのブロックより出力される電圧が４０Ｖ程度となり、各ブロックに設けられる電圧検出用ＩＣは、各セルより出力される４０Ｖ程度の電圧を電源電圧として作動し、各ブロック毎の電圧を測定する構成とされている。即ち、電圧検出用ＩＣは、測定対象とするセル電圧を電源電圧として作動する。
　ここで、燃料電池に設けられるセル内に燃料が供給されていない場合には、各ブロックのセルに電圧が発生しないので、電圧検出用ＩＣに電源用の電圧が供給されなくなり、電圧検出用ＩＣが作動しなくなるという問題が発生する。
日本国特開２０１０－４９８９４号公報
　上述したように、従来における燃料電池の電圧検出装置では、セル内に燃料が供給されていない場合には、電圧検出用ＩＣを作動させることができず、セル電圧の測定ができなくなるという欠点があった。
　本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、セル内に燃料が供給されていない場合であっても、各セルの出力電圧を測定して操作者に知らせることが可能な燃料電池の電圧検出装置を提供することにある。
　上記目的を達成するため、第１の発明は、複数のセルを直列に接続して所望の電圧を出力する燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出装置において、前記複数のセルを、少なくとも１個のセルからなるＮ個（Ｎ≧２）のブロックに区分けし、前記各ブロック毎にそれぞれ設けられ、該ブロック内のセル電圧を測定する電圧検出手段と、前記各電圧検出手段と通信回線を介して接続され、各電圧検出手段に電圧検出指令を出力すると共に、各電圧検出手段より送信される電圧検出信号を受信する制御手段と、直流電源より供給される電圧を、前記電圧検出手段の駆動電源の電圧に昇圧する（Ｎ－１）個以下のコンバータと、を有し、前記各コンバータは、前記Ｎ個の各ブロックのうち任意の（Ｎ－１）個のブロックに接続され、前記制御手段は、前記燃料電池の出力を開始する際には、前記各コンバータより、それぞれのコンバータに対応するブロックの電圧検出手段に電力を供給して該電圧検出手段を作動させると共に、前記各コンバータの供給電力にて作動する各電圧検出手段のうち、少なくとも一つの電圧検出手段にて検出される電圧が所定の閾値を上回った場合に、前記各ブロックに設けられる電圧検出手段のうちの少なくとも一つを、各ブロックのセル電圧を駆動電源として作動させ、各ブロック内のセル電圧を取得することを特徴とする。
　第２の発明は、前記コンバータの個数は２個であり、前記複数のセルは、グランドレベルを基準としてそれぞれ直列に接続され、このうち、グランドレベルに接続されるセルを含む下端電圧ブロック、及び最大電圧レベルに接続される上端電圧ブロックにそれぞれ前記コンバータを接続し、前記制御手段は、前記下端電圧ブロック、及び前記上端電圧ブロックの双方で前記電圧検出手段の検出電圧が前記所定の閾値を上回った場合に、前記各ブロックに設けられる全ての電圧検出手段を、各ブロックのセル電圧を駆動電源として作動させることを特徴とする。
　第３の発明は、前記コンバータの個数は１個であり、前記制御手段は、前記コンバータが接続された電圧検出手段で検出される電圧が前記所定の閾値を上回った場合に、全ての電圧検出手段を、各ブロックのセル電圧を駆動電源として作動させることを特徴とする。
　第４の発明は、前記コンバータの個数は１個であり、前記制御手段は、前記コンバータが接続された電圧検出手段で検出される電圧が前記所定の閾値を上回った場合に、該コンバータが接続された電圧検出手段を除く、その他全ての電圧検出手段を、各ブロックのセル電圧を駆動電源として作動させることを特徴とする。
　第５の発明は、当該燃料電池は車両に搭載されるモータの駆動用電源として用いられ、前記直流電源は前記車両に搭載されるバッテリであることを特徴とする。
　第１の発明では、Ｎ個のブロックの電圧検出手段（電圧検出用ＩＣ）のうち（Ｎ－１）個の電圧検出手段に対してコンバータを接続して電源用の電力を供給するので、燃料電池のセル内に燃料が供給されない等の理由によりセル電圧が低い場合であっても、（Ｎ－１）個の電圧検出手段では確実にセル電圧を測定することができる。更に、コンバータが接続された（Ｎ－１）個の電圧検出手段のうちの少なくとも１個で、セル電圧が所定の閾値を上回った場合に、Ｎ個全ての電圧検出手段による電圧検出が行われるので、全てのブロックのセル電圧を確実に測定することができる。
　また、コンバータが接続されていない電圧検出手段では、セル内に燃料が供給されたと判断された場合にセル電圧の検出が開始されるので、電源電圧が低い状態で測定が実行されることはなく、電源電圧が低いことによる誤動作、誤検出などのトラブルの発生を防止することができる。更に、全て（Ｎ個）の電圧検出手段のそれぞれに対してコンバータを接続する場合と対比して回路構成を簡素化することができる。
　第２の発明では、下端電圧ブロック、及び上端電圧ブロックにコンバータを接続し、下端電圧ブロック、及び上端電圧ブロックのセル電圧をコンバータより出力される電力で測定し、各ブロックのセル電圧の双方が閾値電圧を上回った場合に、下端電圧ブロック、及び上端電圧ブロックを含む全てのブロックの電圧検出手段による電圧の測定を実行する。この場合には、最もグランドレベルに近い下端電圧ブロック、及び最も最大電圧に近い上端電圧ブロックの双方で、セル電圧が閾値電圧を上回っているので、他のブロックについてもセル電圧が閾値電圧を上回っていると判断でき、高精度な電圧検出が可能となる。
　第３の発明では、複数の電圧検出手段のうち、一つの電圧検出手段にのみコンバータを接続してセル電圧を検出するので、コンバータの個数を最小限とすることができ、且つ、各ブロックのセル電圧を高精度に検出することができる。
　第４の発明では、複数の電圧検出手段のうち、一つの電圧検出手段にのみコンバータを接続してセル電圧を検出するので、コンバータの個数を最小限とすることができ、且つ、コンバータを接続した電圧検出手段は、継続してコンバータより出力される電力で作動するので、セル電圧を電源とした電圧検出が開始された後にセル電圧が低下するというトラブルが発生した場合でも、高精度な電圧検出が可能となる。
　第５の発明では、電圧検出装置を、車両に搭載される燃料電池のセル電圧の検出用として使用するので、車両に搭載される燃料電池の充電状態を高精度に検出することができる。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１，第２実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置の、第１電圧検出用ＩＣ（第２実施形態では第１，第２電圧検出用ＩＣ）の構成を示すブロック図である。 本発明の第１，第２実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置の、第２～第５電圧検出用ＩＣ（第２実施形態では第２～第４電圧検出用ＩＣ）の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置の、処理動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置の、処理動作を示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置１０、及び複数のセルＰ１～Ｐ５５からなる燃料電池１３を示すブロック図である。本実施形態に係る燃料電池１３は、例えば車両に搭載して車両駆動用のモータを駆動するための電力を供給する用途に用いられる。
　図１に示すように、本実施形態に係る電圧検出装置１０は、絶縁インターフェース３２を介して、高電圧側装置１１と低電圧側装置１２に分離されている。
　高電圧側装置１１は、５個の電圧検出用ＩＣ（電圧検出手段）、即ち、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）～第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）を備えている。そして、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）は、第１ブロック６１-1（下端ブロック）として区切られた１１個のセルＰ１～Ｐ１１の出力電圧を測定する。また、第２電圧検出用ＩＣ（２１-2）は、第２ブロック６１-2として区切られた１１個のセルＰ１２～Ｐ２２の出力電圧を測定する。同様に、第３電圧検出用ＩＣ（２１-3）は、第３ブロック６１-3として区切られた１１個のセルＰ２３～Ｐ３３の出力電圧を測定する。第４電圧検出用ＩＣ（２１-4）は、第４ブロック６１-4として区切られた１１個のセルＰ３４～Ｐ４４の出力電圧を測定する。第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）は、第５ブロック６１-5（上端ブロック）として区切られた１１個のセルＰ４５～Ｐ５５の出力電圧を測定する。
　また、各電圧検出用ＩＣ（２１-1）～（２１-5）はそれぞれ、Ａ／Ｄ変換器２６（図２、図３参照、「ＡＤＣ」と記載）を備えている。各電圧検出用ＩＣ（２１-1）～（２１-5）はそれぞれ、Ａ／Ｄ変換用の基準電源７１-1～７１-5（図１参照）より出力される基準電圧を用いて、各ブロック（第１ブロック６１-1～第５ブロック６１-5）に設けられる各セル毎に測定された電圧信号をディジタルの電圧信号に変換する。
　更に、第２～第５電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-5）は、通信線３１を介して、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）に接続される。この第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）は、絶縁インターフェース３２を介して、低電圧側装置１２側に設けられているメインマイコン（制御手段）３３に接続されている。即ち、メインマイコン３３と、各電圧検出用ＩＣ（２１-1）～（２１-5）は、絶縁インターフェース３２を介し、デイジーチェーン通信で接続されている。
　また、低電圧側装置１２には、５Ｖの直流電圧を出力するレギュレータ４３が設けられている。該レギュレータ４３は、車両に搭載されるバッテリ（直流電源）４１より出力される電圧（例えば、１２Ｖ）から、安定した５Ｖの直流電圧を生成してメインマイコン３３に供給する。
　更に、バッテリ４１はＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）４２に接続されている。該ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、バッテリ４１より出力される電圧（例えば、１２Ｖ）を、昇圧して第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）に出力する。
　図２は、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）の内部構成を示すブロック図である。以下、図２を参照して第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）の詳細な構成について説明する。
　図２に示すように、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）は、各セルＰ１～Ｐ１１より出力される電力、またはＤＣ／ＤＣコンバータ４２より出力される電力のいずれか一方を入力して、所定の電圧を生成する電源回路２３と、第１ブロック６１-1に設けられる各セルＰ１～Ｐ１１と接続されてこれらの出力電圧検出するセル電圧入力部２２と、セル電圧入力部２２より出力される各セルの電圧信号を、１系統の時系列的な信号に変換するマルチプレクサ２５と、マルチプレクサ２５より出力される各単位セルの電圧信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２６と、を備えている。
　電源回路２３には、選択スイッチＳＷ１が接続されており、一方の接続端子は各セルＰ１～Ｐ１１側に接続され、他方の接続端子はＤＣ／ＤＣコンバータ４２に接続されている。そして、選択スイッチＳＷ１を切り替えることにより、各セルＰ１～Ｐ１１より出力される電力、またはＤＣ／ＤＣコンバータ４２より出力される電力のいずれか一方が選択されて電源回路２３に供給される。
　Ａ／Ｄ変換器２６は、基準電源７１-1（図１参照）より出力される基準電圧を用いて、アナログ信号をディジタル信号に変換する。また、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）は、コントロール部２７と、２つの通信Ｉ／Ｆ３５ａ，３５ｂを備えている。
　コントロール部２７は、ＣＰＵ２９及びデータ記憶用のメモリ２８を備え、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）を総括的に制御する。特に、図１に示したメインマイコン３３より、セル電圧の電圧測定要求信号が送信された場合には、セル電圧入力部２２で測定された各セルＰ１～Ｐ１１の合計の出力電圧信号を通信Ｉ／Ｆ３５ａ，３５ｂを経由して、メインマイコン３３に送信する。また、メインマイコン３３より選択スイッチＳＷ１の切替指令信号が送信された場合には、選択スイッチＳＷ１を切り替える制御を行う。また、メモリ２８は、各セルＰ１～Ｐ１１の合計のセル電圧を記憶する。
　メインマイコン３３は、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）より送信される電圧信号（各セルＰ１～Ｐ１１の合計のセル電圧）が、予め設定した閾値電圧よりも大きいか否かを判断し、閾値電圧よりも大きいと判断した場合には、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）に選択スイッチＳＷ１の切替指令信号を送信する。ここで、閾値電圧は、各セルＰ１～Ｐ１１の合計のセル電圧が、電源回路２３より所定の電圧を出力することが可能となる電圧としてメインマイコン３３内に予め設定されている。そして、後述するように、各セルＰ１～Ｐ１１の合計のセル電圧がこの閾値電圧に達していない場合には、選択スイッチＳＷ１をＤＣ／ＤＣコンバータ４２側に接続し、閾値電圧に達した場合には、選択スイッチＳＷ１をセル側に接続する。
　図３は、第２電圧検出用ＩＣ（２１-2）の内部構成を示すブロック図である。図３に示すように、第２電圧検出用ＩＣ（２１-2）は、図２に示した第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）と対比して、選択スイッチＳＷ１を備えていない点で相違する。即ち、電源回路２３は各セルＰ１２～Ｐ２２より出力される電力が供給されて、第２電圧検出用ＩＣ（２１-2）を作動させるための電源電圧を生成する。それ以外の構成は、図２と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。
　また、第３～第５電圧検出用ＩＣ（２１-3）～（２１-5）については、図３に示した第２電圧検出用ＩＣ（２１-2）と同一構成であるので、詳細な説明を省略する。
　次に、第１実施形態に係る電圧検出装置１０の動作について説明する。図４はメインマイコン３３による処理手順を示すフローチャートである。
　始めに、メインマイコン３３は、上位システムより車両のイグニッションがオンとされたか否かを判断する（ステップＳ１１）。そして、イグニッションがオンであると判断された場合には（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を作動させて、この出力電圧を第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）に出力する（ステップＳ１２）。その結果、バッテリ４１の出力電圧（例えば、１２Ｖ）が４０Ｖ程度の高電圧に昇圧されて第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）に供給される。
　また、メインマイコン３３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力電圧の選択指令信号を第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）に送信する。その結果、図２に示した選択スイッチＳＷ１がＤＣ／ＤＣコンバータ４２側に接続され、電源回路２３はＤＣ／ＤＣコンバータ４２より出力される電力を取得して第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）を作動させるための電源電圧を生成する。
　その後、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）は、各セルＰ１～Ｐ１１の出力電圧の検出を開始する（ステップＳ１３）。この処理では、各セルＰ１～Ｐ１１の出力電圧がセル電圧入力部２２に供給され、更に、マルチプレクサ２５を介してＡ／Ｄ変換器２６に供給されるので、ディジタル化された電圧データがコントロール部２７に入力される。そして、ＣＰＵ２９により各セルＰ１～Ｐ１１のセル電圧の合計の電圧が算出され、この電圧がメモリ２８に記憶される。そして、メインマイコン３３より電圧測定要求信号が送信された場合には、メモリ２８内に記憶されている電圧データをメインマイコン３３に送信する。
　メインマイコン３３は、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）より送信された電圧データを取得し、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）で検出された合計のセル電圧が予め設定した閾値電圧以上であるか否かを判断する（ステップＳ１４）。そして、閾値電圧以上であると判断した場合には（ステップＳ１４でＹＥＳ）、各セルＰ１～Ｐ１１より出力されるセル電圧により第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）を作動させるための電力を供給できるものと判断して、メインマイコン３３は、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）に電源切替要求信号を出力する（ステップＳ１５）。
　電圧検出用ＩＣ（２１-1）のコントロール部２７はこの電源切替要求信号を受けて、選択スイッチＳＷ１をセル側に切り替える制御を行う。その結果、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）は、第１ブロック６１-1の各セルＰ１～Ｐ１１より出力されるセル電圧を電源電圧として作動することになる。
　次いで、メインマイコン３３は、他の電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-5）に対してセル電圧の検出開始信号を送信する（ステップＳ１６）。各電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-5）はこの検出開始信号が受信されると、セル電圧の検出を開始する。即ち、各ブロック６１-2～６１-5毎の合計のセル電圧を測定してメインマイコン３３に送信する処理を行う。
　その後、メインマイコン３３は、各電圧検出用ＩＣ（２１-1）～（２１-5）より送信されるセル電圧を監視して各ブロックのセル電圧が正常電圧であるか否かを監視する（ステップＳ１７）。そして、イグニッションがオフとされた場合には（ステップＳ１８でＹＥＳ）、本処理を終了する。
　一方、ステップＳ１４の処理でセル電圧が閾値電圧以上でないと判断された場合には（ステップＳ１４でＮＯ）、メインマイコン３３は所定時間が経過したか否かを判断し（ステップＳ１９）、所定時間が経過していない場合には（ステップＳ１９でＮＯ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２による電圧供給を継続し、且つ、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）のセル電圧の検出を継続する。従って、各セルＰ１～Ｐ５５内に燃料が供給されていない等の理由により各セルＰ１～Ｐ５５より一定レベル以上の電圧が出力されない場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２から電源回路２３に電力を供給して第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）によるセル電圧の検出を継続させる。
　そして、セル電圧が閾値電圧以上とならない状態が所定時間以上継続した場合には（ステップＳ１９でＹＥＳ）、燃料電池１３に何らかの異常が発生しているものと判断して、メインマイコン３３は警報信号を出力する（ステップＳ２０）。この警報信号は電圧検出装置１０の上位システムに送信され、車両の乗員に異常の発生を報知する。
　このようにして、本発明の第１実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置１０では、複数個設けられた各セルＰ１～Ｐ５５を５個のブロック６１-1～６１-5に分割し、且つ各ブロック６１-1～６１-5毎にそれぞれ電圧検出用ＩＣ（２１-1）～（２１-5）を設けて各ブロック６１-1～６１-5毎のセル電圧を検出する際に、検出開始時には、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）の電源回路２３に対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２で昇圧した電圧を供給してセル電圧の検出を行い、検出したセル電圧が閾値電圧に達した場合に、電源回路２３の電力の供給元をセル側に切り替えるようにしている。従って、初期的にセル内に燃料が供給されていない場合で、セル側から十分な電力が供給されない場合であっても、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２より供給される電力で作動するので、高精度にセル電圧を検出することができる。
　また、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）にてセル電圧が閾値に達したと判断された場合には、その後、他の電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-5）によるセル電圧の測定が開始される。即ち、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）にて第１ブロック６１-1のセル電圧が閾値電圧に達していると判断された場合には、各セルＰ１～Ｐ５５内に燃料が供給されていると判断でき、第２～第５電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-5）においても十分なセル電圧が供給されていると判断できるので、第２～第５電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-5）によるセル電圧の測定を開始する。従って、各電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-5）においてもセル電圧の検出を高精度に行うことができる。
　更に、本実施形態では、１つのＤＣ／ＤＣコンバータ４２を用い、このＤＣ／ＤＣコンバータ４２を第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）に接続する構成としているので、多くのＤＣ／ＤＣコンバータを使用することなく、各電圧検出用ＩＣ（２１-1）～（２１-5）による電圧検出を確実に行うことができる。
　なお、上述の第１実施形態では、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）で検出されるセル電圧が閾値電圧に達した場合に、選択スイッチＳＷ１を切り替えて電力の供給元をＤＣ／ＤＣコンバータ４２側からセル側に変更する例について説明したが、セル電圧が閾値電圧に達した後においても、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）についてのみＤＣ／ＤＣコンバータ４２より電力を供給して作動させるようにしても良い。この場合には、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）のみがバッテリ４１より供給される電力で作動するので、バッテリ４１に多くの負担をかけることがなく、継続した電力供給が可能となる。
　次に、本発明の第２実施形態に係る電圧検出装置について説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置１０ａ、及び複数のセルＰ１～Ｐ５５からなる燃料電池１３を示すブロック図である。第２実施形態に係る燃料電池１３についても前述した第１実施形態と同様に、例えば車両に搭載して車両駆動用のモータを駆動するための電力を供給する用途に用いられる。
　第２実施形態では、前述した第１実施形態と対比して、２個目のＤＣ／ＤＣコンバータ４４を設置し、このＤＣ／ＤＣコンバータ４４の出力電圧を第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）に供給するようにしている点で相違している。それ以外の構成は、第１実施形態と同様である。即ち、第２実施形態では、第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）が図２に示した第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）と同様の構成を備えており、第２～第４電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-4）が図３に示した構成を備えている。
　以下、第２実施形態に係る電圧検出装置１０ａの動作について説明する。図６は、第２実施形態に係るメインマイコン３３による処理手順を示すフローチャートである。
　始めに、メインマイコン３３は、上位システムより車両のイグニッションがオンとされたか否かを判断する（ステップＳ３１）。そして、イグニッションがオンであると判断された場合には（ステップＳ３１でＹＥＳ）、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ４２，４４を作動させて、各ＤＣ／ＤＣコンバータ４２，４４の出力電圧を第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）、及び第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）に出力する（ステップＳ３２）。その結果、バッテリ４１の出力電圧（例えば、１２Ｖ）が４０Ｖ程度の高電圧に昇圧されて第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）、及び第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）に供給される。
　また、メインマイコン３３は、各ＤＣ／ＤＣコンバータ４２，４４の出力電圧の選択指令信号を第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）及び第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）に送信する。その結果、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）については図２に示した選択スイッチＳＷ１がＤＣ／ＤＣコンバータ４２側に接続され、電源回路２３はＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力電圧を取得して第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）を作動させるための電源電圧を生成する。第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）についても同様に、選択スイッチＳＷ１がＤＣ／ＤＣコンバータ４４側に接続され、電源回路２３はＤＣ／ＤＣコンバータ４４の出力電圧を取得して第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）を作動させるための電源電圧を生成する。
　その後、第１，第５電圧検出用ＩＣ（２１-1），（２１-5）は、各セルＰ１～Ｐ１１、Ｐ４５～Ｐ５５の出力電圧の検出を開始する（ステップＳ３３）。この処理では、各セルＰ１～Ｐ１１（Ｐ４５～Ｐ５５）の出力電圧がセル電圧入力部２２に供給され、更に、マルチプレクサ２５を介してＡ／Ｄ変換器２６に供給されるので、ディジタル化された電圧データがコントロール部２７に入力される。そして、ＣＰＵ２９により各セルＰ１～Ｐ１１（Ｐ４５～Ｐ５５）のセル電圧の合計の電圧が算出され、この電圧がメモリ２８に記憶される。そして、メインマイコン３３より電圧測定要求信号が送信された場合には、メモリ２８内に記憶されている電圧データをメインマイコン３３に送信する。
　メインマイコン３３は、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）、及び第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）より送信された電圧データを取得し、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）で検出された合計のセル電圧、及び第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）で検出された合計のセル電圧の双方が予め設定した閾値電圧以上であるか否かを判断する（ステップＳ３４）。そして、双方が閾値電圧以上であると判断した場合には（ステップＳ３４でＹＥＳ）、各セルＰ１～Ｐ１１より出力されるセル電圧により第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）を作動させるための電力を供給できるものと判断し、且つ、各セルＰ４５～Ｐ５５より出力されるセル電圧により第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）を作動させるための電力を供給できるものと判断して、メインマイコン３３は、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）、及び第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）に電源切替要求信号を出力する（ステップＳ３５）。
　第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）のコントロール部２７はこの電源切替要求信号を受けて、選択スイッチＳＷ１をセル側に切り替える制御を行う。その結果、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）は、各セルＰ１～Ｐ１１より出力されるセル電圧を電源電圧として作動することになる。同様に、第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）のコントロール部２７は、選択スイッチＳＷ１をセル側に切り替える制御を行うので、第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）は、各セルＰ４５～Ｐ５５より出力されるセル電圧を電源電圧として作動することになる。
　次いで、メインマイコン３３は、他の電圧検出用ＩＣである第２～第４電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-4）に対してセル電圧の検出開始信号を送信する（ステップＳ３６）。第２～第４電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-5）はこの検出開始信号が受信されると、セル電圧の検出を開始する。即ち、各ブロック毎の合計のセル電圧を測定してメインマイコン３３に送信する処理を行う。
　その後、メインマイコン３３は、各電圧検出用ＩＣ（２１-1）～（２１-5）より送信されるセル電圧を監視して各ブロック６１-1～６１-5のセル電圧が正常電圧であるか否かを監視する（ステップＳ３７）。そして、イグニッションがオフとされた場合には（ステップＳ３８でＹＥＳ）、本処理を終了する。
　一方、ステップＳ３４の処理でセル電圧が閾値電圧以上でないと判断された場合には（ステップＳ３４でＮＯ）、メインマイコン３３は、所定時間が経過したか否かを判断し（ステップＳ３９）、所定時間が経過していない場合には（ステップＳ３９でＮＯ）、各ＤＣ／ＤＣコンバータ４２，４４による電圧供給を継続し、且つ、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）、及び第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）のセル電圧の検出を継続する。従って、各セルＰ１～Ｐ５５内に燃料が供給されていない等の理由により各セルＰ１～Ｐ５５より一定レベル以上の電圧が出力されない場合には、各ＤＣ／ＤＣコンバータ４２，４４から電源回路２３に電力を供給して第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）、及び第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）によるセル電圧の検出を継続させる。
　そして、双方のセル電圧が閾値電圧以上とならない状態が所定時間以上継続した場合には（ステップＳ３９でＹＥＳ）、燃料電池に何らかの異常が発生しているものと判断して、メインマイコン３３は警報信号を出力する（ステップＳ４０）。この警報信号は電圧検出装置１０ａの上位システムに送信され、車両の乗員に異常が発生していることを報知する。
　このようにして、本発明の第２実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置１０ａでは、複数個設けられた各セルＰ１～Ｐ５５を５個のブロック６１-1～６１-5に分割し、且つ各ブロック６１-1～６１-5毎に電圧検出用ＩＣ（２１-1）～（２１-5）を設けて各ブロック６１-1～６１-5毎のセル電圧を検出する際に、検出開始時には、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）、及び第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）の電源回路２３に対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２，４４で昇圧した電圧を供給してセル電圧の検出を行い、検出したセル電圧が閾値電圧に達した場合に、電源回路２３の電力の供給元をセル側に切り替えるようにしている。従って、初期的にセル内に燃料が供給されいない場合等で、セル電圧が閾値よりも低い場合であっても、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）、第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）にて高精度にセル電圧を検出することができる。
　また、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）、及び第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）の双方にてセル電圧が閾値に達したと判断された場合には、その後、他の電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-4）によるセル電圧の測定が開始される。即ち、最もグランドレベルに近い第１ブロック６１-1のセル電圧を測定する第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）、及び最も高い電圧を出力する第５ブロック６１-5のセル電圧を測定する第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）の双方にて、検出したセル電圧が閾値電圧に達していると判断された場合には、各セルＰ１～Ｐ５５内に燃料が供給されていると判断でき、第２～第４電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-4）においても十分なセル電圧が供給されていると判断できるので、電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-4）によるセル電圧の測定を開始する。従って、各電圧検出用ＩＣ（２１-2）～（２１-4）においてもセル電圧の検出を高精度に行うことができる。
　更に、本実施形態では、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ４２，４４を用いており、各電圧検出用ＩＣ毎にそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータを設けないので、多くのＤＣ／ＤＣコンバータを使用することなく、各電圧検出用ＩＣ（２１-1）～（２１-5）による電圧検出を確実に行うことができる。
　なお、上述の第２実施形態では、第１，第２電圧検出用ＩＣ（２１-1），（２１-5）で検出されるセル電圧が閾値電圧に達した場合に、選択スイッチＳＷ１を切り替えて電力の供給元をＤＣ／ＤＣコンバータ４２，４４側からセル側に変更する例について説明したが、セル電圧が閾値電圧に達した後においても、第１，第２電圧検出用ＩＣ（２１-1），（２１-5）については、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２，４４より電力を供給して作動させるようにしても良い。この場合には、第１電圧検出用ＩＣ（２１-1）、及び第５電圧検出用ＩＣ（２１-5）のみがバッテリ４１より供給される電力で作動するので、バッテリ４１に多くの負担をかけることがなく、継続した電力供給が可能となる。
　以上、本発明の燃料電池の電圧検出装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
　例えば、上述した第１実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータを１個設け、第２実施形態ではＤＣ／ＤＣコンバータを２個設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電圧検出用ＩＣの個数を「Ｎ」とした場合に「Ｎ－１」のＤＣ／ＤＣコンバータを設けることにより、「Ｎ－１」個の電圧検出用ＩＣによる電圧検出が可能になる。そして、全ての電圧検出用ＩＣ毎にＤＣ／ＤＣコンバータを設けないので、回路構成を簡素化し、且つセル電圧を高精度に検出することができる。
　また、上述した実施形態では、電圧を変換するコンバータとしてＤＣ／ＤＣコンバータを例に挙げて説明したが、本発明は、その他の電圧変換装置を用いても良い。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、2010年4月28日出願の日本特許出願（特願2010－103799）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明は、燃料電池のセル内に燃料が供給されていない場合でも、確実にセル電圧を検出する場合に極めて有用である。
　１０，１０ａ　電圧検出装置
　１１　高電圧側装置
　１２　低電圧側装置
　１３　燃料電池
　２１-1～２１-5　第１～第５電圧検出用ＩＣ（電圧検出手段）
　２２　セル電圧入力部
　２３　電源回路
　２５　マルチプレクサ
　２６　Ａ／Ｄ変換器
　２７　コントロール部
　２８　メモリ
　２９　ＣＰＵ
　３１　通信線
　３２　絶縁インターフェース
　３３　メインマイコン（制御手段）
　４１　バッテリ
　４２，４４　ＤＣ／ＤＣコンバータ
　４３　レギュレータ
　６１-1～６１-5　第１～第５ブロック
　７１　基準電源
　ＳＷ１　選択スイッチ
　Ｐ１～Ｐ５５　セル

Claims (5)

  1. 　複数のセルを直列に接続して所望の電圧を出力する燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出装置において、
    　前記複数のセルを、少なくとも１個のセルからなるＮ個（Ｎ≧２）のブロックに区分けし、
    　前記各ブロック毎にそれぞれ設けられ、該ブロック内のセル電圧を測定する電圧検出手段と、
    　前記各電圧検出手段と通信回線を介して接続され、各電圧検出手段に電圧検出指令を出力すると共に、各電圧検出手段より送信される電圧検出信号を受信する制御手段と、
    　直流電源より供給される電圧を、前記電圧検出手段の駆動電源の電圧に昇圧する（Ｎ－１）個以下のコンバータと、を有し、
    　前記各コンバータは、前記Ｎ個の各ブロックのうち任意の（Ｎ－１）個のブロックに接続され、
    　前記制御手段は、前記燃料電池の出力を開始する際には、前記各コンバータより、それぞれのコンバータに対応するブロックの電圧検出手段に電力を供給して該電圧検出手段を作動させると共に、前記各コンバータの供給電力にて作動する各電圧検出手段のうち、少なくとも一つの電圧検出手段にて検出される電圧が所定の閾値を上回った場合に、前記各ブロックに設けられる電圧検出手段のうちの少なくとも一つを、各ブロックのセル電圧を駆動電源として作動させ、各ブロック内のセル電圧を取得する燃料電池の電圧検出装置。
  2. 　前記コンバータの個数は２個であり、
    　前記複数のセルは、グランドレベルを基準としてそれぞれ直列に接続され、このうち、グランドレベルに接続されるセルを含む下端電圧ブロック、及び最大電圧レベルに接続される上端電圧ブロックにそれぞれ前記コンバータを接続し、
    　前記制御手段は、前記下端電圧ブロック、及び前記上端電圧ブロックの双方で前記電圧検出手段の検出電圧が前記所定の閾値を上回った場合に、前記各ブロックに設けられる全ての電圧検出手段を、各ブロックのセル電圧を駆動電源として作動させる請求項１に記載の燃料電池の電圧検出装置。
  3. 　前記コンバータの個数は１個であり、前記制御手段は、前記コンバータが接続された電圧検出手段で検出される電圧が前記所定の閾値を上回った場合に、全ての電圧検出手段を、各ブロックのセル電圧を駆動電源として作動させる請求項１に記載の燃料電池の電圧検出装置。
  4. 　前記コンバータの個数は１個であり、前記制御手段は、前記コンバータが接続された電圧検出手段で検出される電圧が前記所定の閾値を上回った場合に、該コンバータが接続された電圧検出手段を除く、その他全ての電圧検出手段を、各ブロックのセル電圧を駆動電源として作動させる請求項１に記載の燃料電池の電圧検出装置。
  5. 　当該燃料電池は車両に搭載されるモータの駆動用電源として用いられ、前記直流電源は前記車両に搭載されるバッテリである請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池の電圧検出装置。
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