(57)【要約】  開示されるものは、複数の単位電池を含む電池で、複数の単位電池の出力電圧を監視する電池電圧監視装置である。電池電圧監視装置は前記単位電池生成電圧を利用して所定の基準電圧を生成する基準電圧生成部、監視単位電池生成電圧と前記所定の基準電圧を比較する電圧比較部、前記電圧比較部の出力に応答して前記電圧比較部の出力と電気的に隔離された信号を出力する信号隔離部及び、前記信号隔離部から出力される信号から前記電池の異常有無を判断する演算処理部を含む。
2008530729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位電池を含む電池において各単位電池生成電圧を監視する電池電圧監視装置であって、
前記単位電池生成電圧から所定の基準電圧を生成する基準電圧生成部と、
監視しようとする単位電池（以下「監視単位電池」と称す。）の生成電圧と前記基準電圧を比較する電圧比較部と、
前記電圧比較部の出力信号と電気的に隔離された信号を出力する信号隔離部と、
前記信号隔離部から出力される信号から電池電圧の異常有無を判断する演算処理部と、を備えることを特徴とする電池電圧監視装置。
【請求項２】
前記電圧比較部は、前記監視単位電池の前記生成電圧と前記基準電圧の比較結果に応じて互いに異なる電圧レベルを有する信号を出力することを特徴とする、請求項１に記載の電池電圧監視装置。
【請求項３】
前記信号隔離部は、
前記電圧比較部の出力信号に応答して発光する発光部と、
前記発光部から発する光に応答して、前記発光部に印加される信号と電気的に隔離された外部信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の電池電圧監視装置。
【請求項４】
直列に連結されて配列された複数の単位電池を含む燃料電池の電圧監視装置であって、
前記単位電池配列の中の少なくとも２箇所において出力電圧の入力を受けて所定の基準電圧を生成する基準電圧生成部と、
前記単位電池配列の中で監視単位電池の第１電極側出力電圧、前記監視単位電池の第２電極側出力電圧及び前記基準電圧が入力され、前記監視単位電池の生成電圧が所定の許容電圧範囲内であるかどうかを判断する電圧比較部と、
前記電圧比較部の出力信号と電気的に隔離された信号を出力する信号隔離部と、
前記信号隔離部から出力される信号から電池電圧の異常有無を判断する演算処理部と、を備えることを特徴とする燃料電池の電圧監視装置。
【請求項５】
前記基準電圧生成部は、前記単位電池配列のうちの前記監視単位電池の第１電極に連結される第１入力部と、対象となる前記監視単位電池から一方向に所定数の単位電池だけ離れて位置する単位電池の第１電極に連結される第２入力部とを備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項６】
前記基準電圧生成部は、前記第１入力部に連結される第１端と、前記第２入力部に連結される第２端とを有する定電圧素子を備えることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項７】
前記基準電圧生成部は、複数の抵抗素子を含む電圧分配回路を備え、当該電圧分配回路により所定の基準電圧を生成することを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項８】
前記電圧比較部は、
前記基準電圧生成部の第１入力端に入力される電圧が入力される第１入力端と、
前記監視単位電池の第２電極側出力電圧が入力される第２入力端と、
前記基準電圧が入力される第３入力端と、
前記基準電圧生成部の第２入力端に入力される電圧が入力される第４入力端と、を含む比較器を備えることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項９】
前記電圧比較部は、前記第１入力端に監視対象単位電池のカソード電極側出力電圧が入力され、前記第２入力端に監視対象単位電池のアノード電極側出力電圧が入力されることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項１０】
前記電圧比較部は、前記第３入力端に入力される電圧が前記第２入力端に入力される電圧以上である場合に、作動信号を出力することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項１１】
前記作動信号が前記第４入力端に入力される電圧であることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項１２】
前記比較器は、前記第１入力端がＶｃｃ端であり、前記第４入力端がＶｅｅ端である演算増幅器であることを特徴とする、請求項８〜１１の何れか一項に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項１３】
前記演算増幅器は、  
前記Ｖｃｃ端に連結された電源に対して飽和特性を有する第１タイプ演算増幅器及び、
前記Ｖｅｅ端に連結された電源に対して飽和特性を有する第２タイプ演算増幅器を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項１４】
前記複数の単位電池を燃料電池のカソード電極方向またはアノード電極方向にそれぞれ第１単位電池群及び第２単位電池群に分離し、
前記第１単位電池群に前記第２タイプ演算増幅器を使用し、
前記第２単位電池群に前記第１タイプ演算増幅器を使用することを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項１５】
前記信号隔離部は、
前記電圧比較部の出力信号に応答して発光する発光部と、
前記発光部から発せられる光に応答して、前記発光部に印加される信号と電気的に隔離された外部信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項１６】
前記演算処理部は、外部信号源、出力端及び前記外部信号源と前記出力端を連結するデータ線を備え、
前記データ線は、複数の前記信号隔離部の受光部の第１端と、隣接する信号隔離部の受光部の第２端とが連結されて構成されることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項１７】
前記演算処理部は、複数の前記単位電池に対応する複数の前記信号隔離部から出力される全信号に応答して、少なくとも１つの単位電池において許容範囲内の電圧が生成されない場合に異常発生信号を出力することを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項１８】
複数の前記単位電池のうちの少なくとも１つにおいて異常が発生する場合、前記外部信号源からの信号が前記演算処理部に伝達されないことを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池の電圧監視装置。
【請求項１９】
直列に連結されて配列された複数の単位電池を含む燃料電池において、
前記単位電池配列の中の少なくとも２箇所において出力電圧の入力を受けて所定の基準電圧を生成する基準電圧生成部と、
前記単位電池配列の中で監視単位電池の第１電極側出力電圧、前記監視単位電池の第２電極側出力電圧及び前記基準電圧が入力され、前記監視単位電池の生成電圧が所定の許容電圧範囲内であるかどうかを判断する電圧比較部と、
前記電圧比較部の出力信号と電気的に隔離された信号を出力する信号隔離部と、
前記信号隔離部から出力される信号から電池電圧の異常有無を判断する演算処理部と、を有する電池電圧監視装置を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２０】
前記基準電圧生成部は、
前記単位電池配列のうちの前記監視単位電池の第１電極に連結される第１入力部と、対象となる前記監視単位電池から一方向に所定数の単位電池だけ離れて位置する単位電池の第１電極に連結される第２入力部とを備えることを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記基準電圧生成部は、
前記第１入力部に連結される第１端と、前記第２入力部に連結される第２端とを有する定電圧素子を備えることを特徴とする、請求項２０に記載の燃料電池。
【請求項２２】
前記電圧比較部は、
前記基準電圧生成部の第１入力端に入力される電圧が入力される第１入力端と、
前記単位電池配列の中で前記監視単位電池の第２電極側出力電圧が入力される第２入力端と、
前記基準電圧が入力される第３入力端と、
前記基準電圧生成部の第２入力端に入力される電圧が入力される第４入力端と、を有する比較器を備えることを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池。
【請求項２３】
前記比較器は、前記第１入力端がＶｃｃ端であり、前記第４入力端がＶｅｅ端である演算増幅器であることを特徴とする、請求項２２に記載の燃料電池。
【請求項２４】
前記演算増幅器は、
前記Ｖｃｃ端に連結された電源に対して飽和特性を有する第１タイプ演算増幅器及び
前記Ｖｅｅ端に連結された電源に対して飽和特性を有する第２タイプ演算増幅器を備えることを特徴とする、請求項２３に記載の燃料電池。
【請求項２５】
複数の前記単位電池を燃料電池のカソード電極方向またはアノード電極方向にそれぞれ第１単位電池群及び第２単位電池群に分離し、
前記第１単位電池群に前記第２タイプ演算増幅器を使用し、
前記第２単位電池群に前記第１タイプ演算増幅器を使用することを特徴とする、請求項２４に記載の燃料電池。
【請求項２６】
前記信号隔離部は、
前記電圧比較部の出力信号に応答して発光する発光部及び
前記発光部から発する光に応答して、前記発光部に印加される信号と電気的に隔離された外部信号を出力する受光部を備えることを特徴とする、請求項２５に記載の燃料電池。
【請求項２７】
請求項１９に記載の燃料電池であって、
当該燃料電池の前記電圧監視装置は、
複数の前記単位電池の中の少なくとも１つの単位電池において異常が発生する場合、前記外部信号源からの信号が前記演算処理部に伝達されないことを特徴とする、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電池電圧監視装置及びこれを含む電池に関し、特に燃料電池電圧監視装置及びこれを含む燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料の酸化によって発生する化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置のことである。
【０００３】
燃料電池は一般に複数の単位電池を直列連結して構成されるが、その燃料電池を構成する単位電池の作動電圧が非常に低いため、直列連結される単位電池の数は数十〜数百個となる。ここで、幾つかの単位電池を直列連結して構成された電池束を燃料電池スタック（以下、適宜「スタック」と略称する。）と言う。
【０００４】
一方、燃料電池を構成する複数の単位電池は製造過程中の偏差及びスタック内の温度、圧力などの不均一な分布によって電池構成体内での作動状態が全て異なる。
【０００５】
しかし、このような燃料電池スタック内単位電池のうちの１つの単位電池でも性能低下が発生すると、その単位電池には高温によるメンブレイン（被膜）の損傷や逆電位による電極の損傷が発生し、このような問題は隣接した単位電池に継続して伝播され、その結果燃料電池スタックの運転に顕著な影響を与えるおそれがある。
【０００６】
したがって、通常作動時における１つずつの単位電池の電圧又は一定個数の単位電池のグループの電圧を監視することによって、単位電池の正常作動状態を測定するための監視装置が必要である。
【０００７】
燃料電池スタック電圧の監視方法の１つとして、積層した単位電池数だけアナログ/デジタル変換器（以下、「Ａ／Ｄ変換器」と言う。）を使用して各単位電池の電圧の異常有無を測定する方法が知られている。しかし、この方法は複数のＡ／Ｄ変換器を必要とし、費用増加の問題が発生することがある。
【０００８】
一方、燃料電池の電圧監視装置を構成する時、スタックで発生した電流が接地線などの外部の結線に沿って外側に流れるとスタックの正極と負極に流れる電流に差が発生するが、これは燃料電池の電極面で化学的不平衡をもたらす。したがって、燃料電池の電圧監視装置では単位電池の出力電流と制御回路部間の電気的な絶縁が必要である。
【０００９】
電気的絶縁を行い、Ａ／Ｄ変換器の数を減らすために、複数の単位電池をリレーまたはマルチプレクサを使用してスイッチングする方式が知られている。
【００１０】
図１は従来技術によるリレー及びＡ／Ｄ変換器を利用する燃料電池スタック監視装置の概略的な構成を示す。
【００１１】
しかし、このような従来技術もやはり複数のセル（電池）の電圧を１つずつ全て検出するのに時間差が発生し、隔離のためにリレーを使用するが、接点性能の低下によるエラーが発生する可能性がある。
【００１２】
一方、韓国公開特許第２００２−５６４８３号、日本公開特許２００４−５３６４３７号、米国特許第６８１６７９７号は、単位電池電圧を特定基準電圧と比較して高低の有無のみを判断して燃料電池電圧の監視のための信号を単純化する方案を教示しているが、このような方法もやはり基準電圧発生のための電源回路が別途に要求される問題がある。
【００１３】
このような情報は、本件発明の背景を強調するだけであって、この国の当業者における従来技術を形成するものではない。
【００１４】
【特許文献１】韓国公開特許第２００２−５６４８３号明細書
【特許文献２】特開２００４−５３６４３７号公報
【特許文献３】米国特許第６８１６７９７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、単位電池の動作をリアルタイムで監視できる電池電圧監視装置を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の目的は、単位電池の生成電圧を使用して別途の電源回路を必要としない電池電圧監視装置を提供することにある。
【００１７】
また、本発明は単位電池の生成電圧を使用し、単位電池生成電圧と電気的に隔離された信号を出力信号として利用する電池電圧監視装置を提供する。
【００１８】
また、本発明は単位電池の生成電圧をリアルタイムで監視できる電池電圧監視装置を含む燃料電池を提供する。
【００１９】
また、本発明は単位電池の生成電圧を使用して別途の電源回路を必要としない電池電圧監視装置を含む燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
このような技術的課題の解決のための本発明の１つの態様による電池電圧監視装置は、各単位電池生成電圧を利用して所定の基準電圧を生成する基準電圧生成部、監視単位電池生成電圧と前記所定の基準電圧を比較する電圧比較部、前記電圧比較部の出力に応答して前記電圧比較部の出力と電気的に隔離された信号を出力する信号隔離部及び、前記信号隔離部から出力される信号から前記電池の異常有無を判断する演算処理部を備え、複数の単位電池を含む電池において各単位電池生成電圧を監視する。
【００２１】
本発明の他の態様による燃料電池電圧監視装置は、直列に連結されて配列された複数の単位電池を含み、前記単位電池配列の中の少なくとも２箇所において出力電圧の入力を受けて所定の基準電圧を生成する基準電圧生成部、前記単位電池配列のうちの前記監視単位電池の第１電極側出力電圧、前記監視単位電池の第２電極側出力電圧及び前記基準電圧が入力され、前記監視単位電池の生成電圧が所定の許容電圧範囲内であるかどうかを判断する電圧比較部、前記電圧比較部の出力に応答して前記電圧比較部の出力信号と電気的に隔離された信号を出力する信号隔離部及び前記信号隔離部から出力される信号から電池電圧の異常有無を判断する演算処理部を備える。
【００２２】
本発明の他の態様による燃料電池は、直列に連結されて配列された複数の単位電池を含み、前記単位電池配列の中の少なくとも２箇所において出力電圧の入力を受けて所定の基準電圧を生成する基準電圧生成部、前記単位電池配列のうちの監視単位電池の第１電極側出力電圧、監視単位電池の第２電極側出力電圧及び前記基準電圧が入力され、前記監視単位電池の生成電圧が所定の許容電圧範囲内であるかどうかを判断する電圧比較部、前記電圧比較部の出力信号と電気的に隔離された信号を出力する信号隔離部及び前記信号隔離部から出力される信号から電池電圧の異常有無を判断する演算処理部を含む電池電圧監視装置を備える。
【００２３】
図面の簡単な説明
図１は、燃料電池の電圧監視装置の概略図である。
図２は、本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置の簡単な構成図である。
図３は、本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置における基準電圧生成部の回路図である。
図４は、本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置における電圧比較部の回路図である。
図５は、本発明の実施例の電圧比較部で使用される演算増幅器（ＯＰアンプ）である。
図６及び図７は、図５に示す演算増幅器の飽和特性を示す。
図８は、本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置における信号隔離部の回路図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付した図面を参照して本発明の好適な実施形態（実施例）について、発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は多様で相異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施例に限られない。
【００２５】
以下、図２を参照して本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置を説明する。
【００２６】
図２は本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置の概略的な構成を示す。
【００２７】
図２に示されているように、本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置は燃料電池スタック１００、基準電圧生成部２００、電圧比較部３００、信号隔離部４００及び演算処理部５００を含む。
【００２８】
燃料電池スタック１００は直列に連結されるように配列積層された複数の単位電池を含む。
【００２９】
この時、本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置は各単位電池に対応する基準電圧生成部２００、電圧比較部３００及び信号隔離部４００をそれぞれ含む。つまり、単位電池の数がｎ個である場合、基準電圧生成部２００、電圧比較部３００及び信号隔離部４００はそれぞれｎ個準備されて単位電池に電気的に連結される。
【００３０】
基準電圧生成部２００は検査単位電池で生成される電圧が許容される電圧範囲内に属するかどうかを判断するために所定の基準電圧を生成する。基準電圧は燃料電池スタック１００から取得される単位電池生成電圧を利用して生成される。
【００３１】
電圧比較部３００は監視しようとする単位電池（以下、「監視単位電池」と言う。）で生成される電圧と基準電圧生成部２００から生成される基準電圧を比較して前記単位電池で生成される電圧の正当性を評価する。
【００３２】
信号隔離部４００は電圧比較部３００から出力される電圧に応答して電圧比較部３００の出力電圧と電気的に隔離された信号を伝達する。
【００３３】
演算処理部５００は信号隔離部４００から出力される信号から燃料電池の異常有無を判断する。
【００３４】
以下、本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置の各構成要素について具体的に説明する。
【００３５】
基準電圧生成部２００は複数の単位電池の直列連結された配列の少なくとも２箇所から出力される複数の電圧から所定の大きさを有する基準電圧を取得する。この時、基準電圧は燃料電池の設計目的に応じて適切に設定される。
【００３６】
図３は本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置の基準電圧生成部２００の回路構成の一例を示す。
【００３７】
図３で示されているように、基準電圧生成部２００は電圧生成部２１０及び電圧分配部２２０を含む。
【００３８】
電圧生成部２１０は複数の単位電池配列の中で２個の地点にそれぞれ連結された２個の入力端２１３及び２１５を有する定電圧素子２１１を含む。本発明の実施例で定電圧素子２１１はツェナーダイオードであり得る。
【００３９】
具体的に、本発明実施例の電圧生成部２１０はその第１端２１３が検査単位電池のカソード電極側出力端に連結され、第２端２１５が検査単位電池から一方向に所定の単位電池だけ距離が離れた単位電池のカソード電極側出力端に連結される。その結果、第１端２１３と第２端２１５の間に直列配列されて連結された単位電池によって生成される電圧が定電圧素子２１１及び抵抗素子２１６に印加される。
【００４０】
つまり、定電圧素子２１１と抵抗素子２１６に印加される電圧は、検査単位電池のカソード電極側出力電圧（即ち、第１端２１３）と、単位電池のカソード電極側出力電圧（即ち、第２端２１５）の差だけの電圧となる。
【００４１】
この場合において、２個の入力端に印加される正電圧の電位差が所定のツェナー電位Ｖｚ以上になると定電圧素子２１１が導通する。その結果、電圧生成部２１０の第１ノード２１７と第２ノード２１８との間に一定の大きさの電圧がかかる。
【００４２】
一方、本発明の電圧生成部２１０は設計目的に応じて適切なツェナー電位Ｖｚを有する定電圧素子２１１を選択することによって、電圧生成部２１０の第１ノード２１７と第２ノード２１８との間の電圧の大きさを適切に調節することができる。しかし、第１ノード２１７と第２ノード２１８との間の電圧の大きさは燃料電池スタックを構成する各単位電池の最大電圧値と類似な大きさの電圧に設定することが好ましい。
【００４３】
抵抗素子２１６は定電圧素子２１１を通じて流れるように設定された電流に適するように設定される。
【００４４】
燃料電池スタックを構成する各単位電池で生成される電圧の許容範囲が０．４Ｖ〜１．２Ｖであり、電圧生成部２１０で生成しようとする電圧値が１．２Ｖである場合を例として抵抗素子２１６を具体的に説明する。
【００４５】
定電圧素子２１１の両端子２１３及び２１５に許容電圧が０．４Ｖ〜１．２Ｖである単位電池８個が直列連結していると仮定すると、電圧生成部２１０に印加される電圧は３．２Ｖ〜９．６Ｖになる。
【００４６】
この時、定電圧素子２１１によって１．２Ｖの一定電圧が維持されるので、抵抗素子２１６には２Ｖ〜８．４Ｖ電圧の負荷がかかる。したがって、抵抗素子２１６は前記負荷に対応して前記定電圧素子２１１と下記電圧分配部２２０を駆動するのに適合するように設定されなければならない。
【００４７】
電圧分配部２２０は電圧生成部２１０で生成された電圧を目的とする所定の適切な電圧に分圧する。このような電圧分配部２２０として通常の電圧分配回路を使用することができる。
【００４８】
図３で示された回路において、定電圧素子２１１の第１端２１３に印加される電圧が９．６Ｖ、第２端２１５に印加される電圧が０Ｖ、定電圧素子２１１のＶｚ電圧が１．２Ｖであるとすれば、電圧分配部２２０に１．２Ｖの一定の電圧が印加される。この時、電圧分配部２２０の抵抗素子２２１及び２２３の抵抗値を適切に調節して抵抗素子２２３に印加される電圧を目的とする所定の電圧に調節することができる。
【００４９】
具体的に、各単位電池が０．６Ｖ〜０．８Ｖの安全な運転電圧を達成するためには、電圧分配部２２０によって分圧された電圧が０．３Ｖ〜０．５Ｖ程度になるように設定し、各単位電池が０．４Ｖの安全な運転電圧を達成するためには、電圧分配部２２０によって分圧された電圧が０．２Ｖ〜０．３Ｖ程度になるように設定することができる。一方、電圧分配部２２０によって分圧された電圧はスタックまたは全システムの設計目的に応じて適切に設定することができる。
【００５０】
電圧生成部２１０の第１端２１３に印加される電圧が９．６Ｖで、電圧分配部２２０によって分圧された電圧が０．４Ｖに設定された場合、９．６Ｖの電圧は０．４Ｖの設定電圧だけ調整されて電圧分配部２２０の出力端２２５に出力される最終基準電圧は９．２Ｖとなる。
【００５１】
一方、電圧分配部２２０に使用される抵抗２２１及び２２３として可変抵抗などを利用することができ、各検査単位電池に対応する電圧分配部２２０が互いに異なる電圧値で分配されるように設定することもできる。
【００５２】
電圧比較部３００は、基準電圧生成部２００から出力される基準電圧と、検査単位電池で生成される電圧の入力を受けて検査単位電池で生成される電圧とが設定された所定の電圧許容範囲内に存在するかどうかを判断して、その結果に応じてそれぞれ異なる電圧信号を出力する。つまり、電圧比較部３００は基準電圧と単位電池で生成される電圧とを比較して単位電池の生成電圧が基準電圧より大きい場合に信号隔離部４００に作動信号を出力し、単位電池の生成電圧が基準電圧より低い場合に信号隔離部４００に副作動信号を出力する。
【００５３】
図４は本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置における電圧比較部３００の回路構成の一例を示す。
【００５４】
図４に示したように、電圧比較部３００は検査単位電池のカソード電極側出力電圧が印加される第１入力端３１３、検査単位電池のアノード電極側出力電圧が印加される第２入力端３１５、基準電圧生成部２００の出力電圧が印加される第３入力端３１７、基準電圧生成部の第２端２１５に印加された電圧が印加される第４入力端３１９が備えられた比較器３１１、第１入力端３１３に印加される電圧を出力する第１出力端３２１、比較器３１１の出力電圧を出力する第２出力端３２３を含む。
【００５５】
電圧比較部３００で、比較器３１１の＋入力端は第２入力端３１５、−入力端は第３入力端３１７、Ｖｃｃ端は第１入力端３１３及びＶｅｅ端は第４入力端３１９にそれぞれ対応する。
【００５６】
比較器３１１は＋入力端に印加される電圧の大きさが−入力端に印加される電圧より大きい場合、Ｖｃｃ端に印加される電圧に飽和される電圧を第２出力端３２３に出力し、−入力端に印加される電圧の大きさが＋入力端に印加される電圧より大きい場合、Ｖｅｅ端に印加される電圧に飽和される電圧を第２出力端３２３に出力する。
【００５７】
したがって、電圧比較部３００は第２入力端３１５に印加される検査単位電池のアノード電極側出力電圧が第３入力端３１７に印加される基準電圧生成部２００から出力される基準電圧より大きい場合、Ｖｃｃ端に印加される検査単位電池のカソード電極側出力電圧に飽和される電圧を第２出力端３２３に出力する。また、電圧比較部３００は第２入力端３１５に印加される検査単位電池のアノード電極側出力電圧が第３入力端３１７に印加される基準電圧生成部２００から出力される基準電圧より小さい場合、Ｖｅｅ端に印加される基準電圧生成部２００の第２端２１５に印加された電圧に飽和される電圧を第２出力端３２３に出力する。
【００５８】
上述したように、ｎが８である燃料電池スタックにおいて、各単位電池の最大出力電圧が１．２Ｖで、第７単位電池の出力電圧が第２端２１５を基準に８．４Ｖに固定されていると仮定して、第８単位電池の生成電圧を評価しようとする場合を例として具体的に説明する。
【００５９】
この時、第８単位電池で許容される生成電圧が０．４Ｖ以上である仮定すると、基準電圧生成部２００は、第８単位電池のカソード電極側より出力される電圧から０．４Ｖを差し引いた電圧を出力する。
【００６０】
まず、第８単位電池で生成される電圧が０．５Ｖであると仮定すると 、第８単位電池のカソード電極側出力電圧は８．９Ｖ（＝８．４Ｖ＋０．５Ｖ）となり、基準電圧は８．５Ｖ（＝８．９Ｖ−０．４Ｖ）となる。この時、比較器３１１の第２入力端３１５に入力される電圧は８．４Ｖであり、比較器の第３入力端に入力される電圧は８．５Ｖであるので、第３入力端（−入力端）電圧が第２入力端（＋入力端）電圧より大きくなって第４入力端３１９（Ｖｅｅ端）に入力される電圧が第２出力端３２３に出力される。この場合、電圧比較部３００の第１出力端３２１に出力される電圧は８．９Ｖであり、第２出力端３２３に出力される電圧は０Ｖに近接した値であるので、両出力端間の電位差は約８．９Ｖに相当する。
【００６１】
第８単位電池で生成される電圧が０．３Ｖである場合、第８単位電池のカソード電極側出力電圧は８．７Ｖ（＝８．４Ｖ＋０．３Ｖ）となり、基準電圧は８．３Ｖ（＝８．７Ｖ−０．４Ｖ）となる。この時、比較器３１１の第２入力端３１５に入力される電圧は８．４Ｖであり、比較器の第３入力端に入力される電圧は８．３Ｖであるので、第２入力端（＋入力端）電圧が第３入力端（−入力端）電圧より大きくなって第１入力端３１３（Ｖｃｃ端）に入力される電圧が第２出力端３２３に出力される。この場合、電圧比較部３００の第１出力端３２１に出力される電圧は８．７Ｖで、第２出力端３２３に出力される電圧もまた８．７Ｖに近接した値であるので、両出力端間の電位差は極めて小さくなる。
【００６２】
結論的に、電圧比較部３００は比較器３１１の第２入力端３１５及び第３入力端３１７に入力される電圧を比較して第２入力端３１５に入力される電圧が第３入力端３１７に入力される電圧より大きい場合、出力電圧として第１入力端３１３に入力される電圧を出力し、第３入力端３１７に入力される電圧が第２入力端３１５に入力される電圧より大きい場合、出力電圧として第４入力端３１９に入力される電圧を出力する。結局、電圧比較部３００は検査単位電池から出力される電圧の大きさに応じて２つの異なる電圧をデジタル信号出力方式で出力する。
【００６３】
一方、本発明の実施例で使用される比較器３１１としては演算増幅器が好ましく使用される。
【００６４】
図５は本発明の実施例の電圧比較部３００で使用される演算増幅器（ＯＰアンプ）を概略的に示す。
【００６５】
本発明の実施例によるＯＰアンプとしてアナログ信号演算に使用される通常のＯＰアンプを使用することができる。
【００６６】
図５で示されているように、本発明の実施例で使用されるＯＰアンプは第２入力端３１５及び第３入力端３１７を通じて非反転入力（ｉｎ＋）及び反転入力（ｉｎ−）を受信して、その差を増幅してＶｏｕｔ端３２３（第２出力端）に出力する。
【００６７】
一方、ＯＰアンプで電圧の差の増幅値である出力電圧は非反転入力（ｉｎ＋）が反転入力（ｉｎ−）より大きい場合にＶｃｃ端入力電圧で飽和され、反転入力（ｉｎ−）が非反転入力（ｉｎ＋）より大きい場合にはＶｅｅ端入力電圧で飽和される。
【００６８】
本発明の実施例ではＯＰアンプとして図６または図７のような飽和特性を有するＯＰアンプを適切に配合して使用する。
【００６９】
図６の場合は、ＯＰアンプがＶｃｃ端に連結された電源に飽和特性を有することを意味し、図７の場合は、ＯＰアンプがＶｅｅ端に連結された電源に飽和特性を有することを意味する。
【００７０】
図６での負電圧グラフ及び図７での正電圧グラフから分かるように、図６で負電圧が供給される場合及び図７で正電圧が供給される場合において、飽和電圧が供給電圧に比べて低いことが分かる。
【００７１】
ＯＰアンプはこのような飽和特性を有するが、１つの特性のＯＰアンプのみで回路を構成する場合、飽和領域以上の電源が必要となり得る。
【００７２】
図６のような特性を有するＯＰアンプのみを使用する時、燃料電池スタックのカソード電極方向の最後の単位電池の電圧を検出する場合を具体的な例として説明すると、使用したＯＰアンプのＶｃｃ端側飽和電圧のバイアス（偏向）がその後信号隔離部４００の回路動作に影響を与える程度に大きいと、燃料電池スタックに存在する最も高い電圧に飽和電圧のバイアス分だけ高い電圧を追加的に供給しなければ回路が正常動作しなくなる。したがって、追加的な昇圧型直流電源回路が必要となる。
【００７３】
さらに、図７のような特性を有するＯＰアンプのみを使用する時、燃料電池スタックのアノード電極方向の最後の単位電池の電圧を検出する場合を具体的な例として説明すると、使用したＯＰアンプのＶｅｅ単側飽和電圧のバイアスが回路の動作に影響を与える程度に大きいと、燃料電池スタックに存在する最も高い電圧に飽和電圧のバイアスだけ高い電圧を供給しなければ回路が正常動作しなくなる。したがって、それだけの飽和電圧を負の方向に作ることができる追加的な直流電源回路が必要となる。
【００７４】
本発明の実施例ではこのようなＯＰアンプの飽和特性を考慮して燃料電池に含まれる単位電池を２個の群に分離し、カソード電極方向側の単位電池にはＶｅｅ端に連結された電源に飽和特性を有するＯＰアンプを使用し、アノード電極方向側の単位電池にはＶｃｃ端に連結された電源に飽和特性を有するＯＰアンプを使用する。したがって、飽和電圧のバイアスが回路の動作に影響を与えなくなるので、追加的な電源回路が必要でない。
【００７５】
その結果、電圧比較部３００の第２出力端３２３電圧は比較器３１１のＶｃｃ端またはＶｅｅ端の入力電圧となる。しかし、比較器３１１のＶｃｃ端またはＶｅｅ端への入力電圧は全て揺れ動き易い単位電池の出力電圧であるので、このように単位電池の出力電圧を検査単位電池の異常有無を判断するための信号として使用することはできない。
【００７６】
したがって、電圧比較部３００の出力電圧は信号隔離部４００によって単位電池の揺れによる影響を受けない信号に転換される。
【００７７】
信号隔離部４００は電圧比較部３００から出力される電圧信号を受け、入力を受けた電圧信号に対応するが、入力を受けた電圧信号と電気的に隔離された信号を出力する。
【００７８】
本発明の実施例で、信号隔離部４００はフォトカプラを利用して入力を受けた電圧信号と電気的に隔離された信号を発生させることができる。
【００７９】
図８は本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置の信号隔離部４００の回路構成を示す。
【００８０】
信号隔離部４００は、第１端４１５が電圧比較部３００の第１出力端３２１に連結され、第２端４１７が電圧比較部３００の第２出力端３２３に連結される発光部４１１、及び、第１端４２１が外部信号を受ける入力端で、第２端４２３が出力端である受光部４１３を含む。信号隔離部４００で発光部４１１と受光部４１３は分離されて位置し、発光部４１１に流れる信号と受光部４１３に流れる信号は電気的に隔離される。本発明の実施例による信号隔離部４００は、発光部４１１として特定電圧が両端４１５及び４１７の間に印加されると光を発する発光ダイオードと、受光部４１３として光が照射されると導通する光ダイオードまたは光トランジスタとを含むフォトカプラで構成されることができる。
【００８１】
以下、本発明の実施例による信号隔離部４００の動作を説明する。
【００８２】
発光部４１１で第１端４１５に検査対象単位電池のカソード電極側出力電圧（比較器３１１のＶｃｃ端に入力される電圧）が印加され、他端４１７に比較器３１１の出力電圧が印加される。上述したように、比較器３１１は検査単位電池の生成電圧が許容範囲内である場合にＶｅｅ端入力電圧に飽和された電圧を出力し、検査単位電池の生成電圧が許容範囲でない場合にはＶｃｃ端入力電圧に飽和された電圧を出力する。この時、発光部４１１は第１端４１５と第２端４１７にかかる電位差が所定の発光電位以上になると発光する。発光部４１１の発光電位は比較器３１１のＶｃｃ端入力電圧とＶｃｃ端入力電圧に飽和された電圧の電位差より大きく、Ｖｃｃ入力電圧とＶｅｅ入力電圧に飽和された電圧の電位差より小さい範囲に設定することが好ましい。受光部４１３は発光部４１１から発せられる光に対応して第１端４２１に印加される外部信号を第２端４２３に伝送する。
【００８３】
したがって、検査対象単位電池での生成電圧が許容される範囲の場合、発光部の第１端４１５にＶｃｃ端入力電圧が印加され、第２端４１７にＶｅｅ端入力電圧に飽和された電圧が印加されるので、両端４１５及び４１７の電位差が発光電位以上になって発光部４１１が発光する。この時、受光部４１３は発光部４１１の発光に応答して第１端４２１に印加される外部信号を第２端４２３に出力する。
【００８４】
一方、検査対象単位電池での生成電圧が許容される範囲でない場合、発光部で第１端４１５にＶｃｃ端入力電圧が印加され、第２端４１７にＶｃｃ端入力電圧に飽和された電圧が印加されるので、両端４１５及び４１７の電位差が発光電位未満になって発光部４１１は発光しない。したがって、受光部４１３は第１端４２１に印加される外部信号を第２端４２３に伝送しなくなる。
【００８５】
したがって、信号隔離部４００は検査単位電池の生成電圧が許容範囲内の場合に外部信号を伝達し、検査単位電池の生成電圧が許容範囲内でない場合には外部信号を伝達しなくなる。
【００８６】
信号隔離部４００は受光部の第２端が隣接する信号隔離部の受光部の第１端に連結されることにより、複数の単位電池に対応する複数の信号隔離部は互いに直列連結されるように配列される。
【００８７】
演算処理部５００は燃料電池スタックに含まれる複数の単位電池に対応する複数の信号隔離部４００から出力される全信号に応答して、例え１つだけの単位電池であっても許容範囲内の電圧が生成されない場合には異常発生信号を出力する。
【００８８】
演算処理部５００は外部信号源、出力端及び外部信号源及び出力端を連結するデータ線を含む。データ線は複数の信号隔離部４００の受光部４１３の第１端４２１と第２端４２３によって連結されるが、１つの受光部４１３の第１端４２１が隣接する受光部４１３の第２端４２３に連結されるように直列配列される。
【００８９】
したがって、外部信号源の信号４２１は複数の受光部４１３の第１端４２１と第２端４２３を通じて連結されるように構成されたデータ線を通じて伝達できる。この時、例え１つだけの単位電池であっても正常電圧が生成されない場合には、その単位電池に対応する発光部４１１は発光せず、それによってその発光部４１１に対応する受光部４１３は導通しないので、外部信号４２１は伝達されない。
【００９０】
このようになると各受光部４１３は互いに直列連結されているので、外部信号はその受光部４１３で伝達が停止する。この時、演算処理部５００は外部信号が伝達されないことを特定して外部信号伝達有無を１ビットのデジタル信号で構成される異常信号を出力することができる。
【００９１】
したがって、本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置は燃料電池スタックを構成する全ての単位電池の電圧が特定値以上を維持するかどうかを確認し、１つの単位電池で生成される電圧が正常電圧範囲から外れる場合には１ビットのデジタル信号を出力する。
【００９２】
一方、本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置はまた燃料電池スタックと回路基板を電気的に連結するケーブルとしてＦＰＣなどを使用して電気ヒューズの役割を有することができる。また、実施例による燃料電池の電圧監視装置はその回路上にビーズ（インダクタ）または０オーム抵抗または小容量のヒューズ部などを経るように構成されて、短絡または異常電流の発生時に回路によるスタックの事故を予防することができる。
【００９３】
本発明の実施例の燃料電池の電圧監視装置に使用される電圧監視装置は燃料電池スタックだけでなく、バッテリーパックを使用する産業用各種装置においてバッテリーパックを構成している各単位電池の生成電圧のための監視装置として使用することもできる
【００９４】
本発明の燃料電池の電圧監視装置はすべての単位電池の状態を１ビット信号を用いて検出することを可能にする。このように、すべてのセルに対する情報を１ビット信号によって処理できるので、制御ロジック実現のためのアルゴリズム及びメモリを画期的に節約することができる。
【００９５】
また、本発明の燃料電池の電圧監視装置は、互いに異なる飽和特性を利用することによって別途の電源回路を必要としないので、装置構成に費用を節減することができる。このように、本発明の燃料電池の電圧監視装置では回路の駆動のための電源回路が別に必要でないために電気的絶縁のための各種高価の回路素子を使用する必要がなく、その結果、燃料電池の電圧監視のための回路を最少化することができる。
【００９６】
前記では本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これも本発明の範囲に属することは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】燃料電池の電圧監視装置の概略図
【図２】本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置の簡単な構成図
【図３】本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置における基準電圧生成部の回路図
【図４】本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置における電圧比較部の回路図
【図５】本発明の実施例の電圧比較部で使用される演算増幅器（ＯＰアンプ）
【図６】図５に示す演算増幅器の飽和特性
【図７】図５に示す演算増幅器の飽和特性
【図８】本発明の実施例による燃料電池の電圧監視装置における信号隔離部の回路図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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