(57)【要約】  本発明は燃料電池スタックの個々の槽電圧を測定するためのシステムに関し、前記システムは複数の電圧走査ユニット（ＶＳＵ）を含む。各ＶＳＵは前記燃料電池スタックに属する一群の槽に接続されるために配置され、前記一群の槽が槽電圧を測定することを可能にする端子を与えられている。各ＶＳＵ（２）は電圧参照信号Ｖｒｅｆを与えるフィルタ／レギュレータを含み、前記電圧参照信号は前記一群の槽のうちの第一槽の第一端子に適用される。前記ＶＳＵは前記一群の槽の他の端子をＡ／Ｄ変換器の第一入力に連続的に接続するために配置されたマルチプレクサをさらに含む。前記Ａ／Ｄ変換器は前記電圧参照信号Ｖｒｅｆを受信するための第二入力をさらに与えられ、前記Ａ／Ｄ変換器が供給電圧Ｖｓｕｐ＋を供給されるため及び前記第一及び前記第二入力における前記信号から誘導された信号をＡ／Ｄ変換するためにさらに配置される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックの個々の槽電圧を測定するためのシステムであって、前記システムが複数の電圧走査ユニット（２）（ＶＳＵ）を含み、各ＶＳＵが前記燃料電池スタックに属する一群の槽に接続されるために配置され、前記一群の槽が槽電圧を測定することを可能にする端子を与えられているものにおいて、各ＶＳＵ（２）が電圧参照信号Ｖｒｅｆを与えるフィルタ／レギュレータ（２３）を含み、前記電圧参照信号が前記一群の槽のうちの第一槽の第一端子に適用され、前記ＶＳＵが前記一群の槽の他の端子をＡ／Ｄ変換器（２２）の第一入力に連続的に接続するために配置されたマルチプレクサ（２１）をさらに含み、前記Ａ／Ｄ変換器が前記電圧参照信号Ｖｒｅｆを受信するための第二入力をさらに与えられ、前記Ａ／Ｄ変換器が供給電圧Ｖｓｕｐ＋を供給されるため及び前記第一及び前記第二入力における前記信号から誘導された信号をＡ／Ｄ変換するためにさらに配置されることを特徴とする、個々の槽電圧を測定するためのシステム。
【請求項２】
前記電圧参照信号ＶｒｅｆがＶｓｕｐ＋より小さい、請求項１に記載の個々の槽電圧を測定するためのシステム。
【請求項３】
前記複数のＶＳＵのうちの少なくとも一つのＶＳＵに接続された主制御装置（３）をさらに含む、請求項１又は２に記載の個々の槽電圧を測定するためのシステム。
【請求項４】
各ＶＳＵがプロトコルドライバ（２４）を含み、前記プロトコルドライバが前記ＶＳＵに対して一意的識別を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の個々の槽電圧を測定するためのシステム。
【請求項５】
前記プロトコルドライバ（２４）が前記主制御装置と通信するために配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の個々の槽電圧を測定するためのシステム。
【請求項６】
前記供給電圧Ｖｓｕｐ＋が前記フィルタ／レギュレータ（２３）に静電結合によって接続されたＡＣ電力バスから引かれる、請求項１〜５のいずれかに記載の個々の槽電圧を測定するためのシステム。
【請求項７】
前記ＶＳＵが光結合素子（２５）をさらに含む、請求項１〜６のいずれかに記載の個々の槽電圧を測定するためのシステム。
【請求項８】
燃料電池スタックに属する一群の槽の個々の槽電圧を測定するための方法であって、前記一群の槽が端子を与えられ、前記方法が：
−  電圧走査ユニット（２）（ＶＳＵ）を前記一群の槽に接続し；
−  電圧参照信号を前記一群の槽のうちの第一槽の第一端子に与え；
−  前記ＶＳＵに含まれかつ供給電圧Ｖｓｕｐ＋によって供給されたＡ／Ｄ変換器（２２）の第一入力に前記電圧参照信号を適用し；そして
−  測定される前記一群の槽の他の端子から前記Ａ／Ｄ変換器の第二入力に電圧信号を連続的に接続し、前記Ａ／Ｄ変換器はそれによって前記第一及び第二入力における前記信号から誘導された信号を変換する、
工程を含む、個々の槽電圧を測定するための方法。
【請求項９】
測定された槽電圧信号が予め決められたしきい値を越える場合において、前記燃料電池スタックの最小、平均及び最大電圧を算出し、前記最小、平均及び最大電圧に基づいた補正行為を実施する工程をさらに含む、請求項８に記載の個々の槽電圧を測定するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの個々の槽電圧を測定及び評価するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応によって生成される化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学的装置である。例えば、一つのタイプの燃料電池は、陽子だけを燃料電池の陽極と陰極の間に通過させる陽子交換膜（ＰＥＭ）（しばしばポリマー電解質膜と称される）を含む。陽極において、二原子水素（燃料）が、ＰＥＭを通過する水素陽子を生成するために反応される。この反応によって生成された電子は、燃料電池の外部の回路を通って移動して電流を形成する。
【０００３】
単一燃料電池は典型的には、比較的小さい電圧（例えば１ボルト前後）を生成するので、幾つかの燃料電池は、より高い電圧を生成するために燃料電池スタックと称される装置から形成されることができる。燃料電池スタックは、次々と上に積重ねられたプレート（例えばグラファイト複合材料又は金属プレート）を含んでもよく、各プレートは、スタックのうちの一つより多い燃料電池と関連付けられてもよい。プレートは、例えば燃料電池スタックを通して反応体及び生成物の経路を定めるように様々なチャネル及びオリフィスを含んでもよい。幾つかのＰＥＭ（各々は個々の燃料電池と関連付けられる）は、異なる燃料電池の陽極と陰極の間のスタック全体にわたって分散されてもよい。
【０００４】
燃料電池スタックの健全性は、燃料電池の個々の端子電圧差（即ち、槽電圧）を監視することによって決定されてもよい。この方法では、個々の槽電圧は、負荷条件下で変化してもよく、槽の健全性は−１Ｖ〜＋１Ｖの範囲にわたる。燃料電池スタックは典型的には、多数の燃料電池を含んでもよく、従って燃料電池端子のコモンモード電圧（共通電圧（アース）に対する電圧）は極めて大きくてもよい（即ち、端子の電圧の幾つかは例えば１００ボルトもの大きさであってもよい）。不幸にも、槽電圧を測定するために使用されうる半導体装置は典型的には、高いコモンモード電圧（例えば約１８Ｖを越える電圧）を受けることができない。一つの解決策は、抵抗分割器を使用して端子電圧を減少させることでありうる。しかしながら、電圧の減少工程は、測定精度を低下し、さらに抵抗許容差は測定誤差を導入しうる。
【０００５】
従来技術文献ＵＳ−６２８１６８４Ｂは、各々が燃料電池スタックの一群の槽と関連付けられた複数の電圧走査ユニットを含む槽電圧測定システムを提案する。電圧走査ユニットは、燃料電池スタックの基底基準より大きい電位で基底基準を有してもよい。しかしながら、ある条件下で、燃料電池にとって潜在的に危険である負の槽電圧が起こりうる。開示された槽電圧測定システムは、正及び負の電圧の両方を数値化することができる高価な回路を使用することによってこの状況に対する保護を与えるにすぎない。文献ＵＳ−６２８１６８４Ｂはさらに、二つのアナログマルチプレクサによる測定のために制御ラインを一つの槽を一回で選択するために使用することを開示する。マルチプレクサは一つの槽に関して互いにシフトされてもよい（即ち、第一マルチプレクサの入力端子Ｄ０は第二マルチプレクサの入力端子Ｄ１に接続される）。一方のマルチプレクサは基準をシフトするために使用され、他方のマルチプレクサは測定される信号をシフトするために使用される。システムレベルで考えるとき、各測定に対して異なる参照電圧が適用される。これは、高価な解決策を生ずるだけでなく、処理器の適切なプログラミングも要求する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、半導体装置の使用を可能にし、さらに負の槽電圧も測定できる、個々の燃料電池電圧を測定するシステム及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池スタックの個々の槽電圧を測定するためのシステムであって、前記システムが複数の電圧走査ユニット（ＶＳＵ）を含むものに関する。各ＶＳＵは前記燃料電池スタックに属する一群の槽に接続されるために配置され、前記一群の槽は槽電圧を測定することを可能にする端子を与えられている。各ＶＳＵは電圧参照信号Ｖｒｅｆを与えるフィルタ／レギュレータを含み、前記電圧参照信号は前記一群の槽のうちの第一槽の第一端子に適用される。ＶＳＵはさらに、下記のものを含む：
−  供給電圧Ｖｓｕｐ＋を供給されるため及び第一入力において電圧参照信号Ｖｒｅｆを受信するために配置されたＡ／Ｄ変換器、及び
−  一群の槽の他の端子をＡ／Ｄ変換器の第二入力に連続的に接続するために配置されたマルチプレクサ。
【０００８】
好ましくは、電圧参照信号Ｖｒｅｆは絶対値でＶｓｕｐ＋より小さい。
【０００９】
好ましい実施態様では、個々の槽電圧を測定するためのシステムは、複数のＶＳＵのうちの少なくとも一つのＶＳＵに接続された主制御装置をさらに含む。
【００１０】
別の実施態様では、各ＶＳＵはプロトコルドライバを含み、前記プロトコルドライバはＶＳＵに対して一意的識別を含む。有利には、前記プロトコルドライバは前記主制御装置と通信するために配置されている。ＶＳＵは光結合素子をさらに含んでもよい。
【００１１】
好ましくは、供給電圧Ｖｓｕｐ＋はフィルタ／レギュレータに静電結合によって接続されたＡＣ電力バスから引かれる。
【００１２】
有利な実施態様では、各群の槽は四つの槽からなる。
【００１３】
別の目的において、本発明は、燃料電池スタックに属する一群の槽の個々の槽電圧を測定するための方法であって、前記一群の槽が端子を与えられているものに関する。前記方法は：
−  電圧走査ユニット（ＶＳＵ）を一群の槽に接続し；
−  電圧参照信号を一群の槽のうちの第一槽の第一端子に与え；
−  ＶＳＵに含まれかつ供給電圧Ｖｓｕｐ＋によって供給されたＡ／Ｄ変換器の第一入力に電圧参照信号を適用し；そして
−  測定される一群の槽の他の端子からＡ／Ｄ変換器の第二入力に電圧信号を連続的に接続する、
工程を含む。
【００１４】
代替実施態様において、前記方法は、測定された槽電圧信号が予め決められたしきい値を越える場合において、前記燃料電池スタックの最小、平均及び最大電圧を算出し、算出された最小、平均及び最大電圧に基づいた補正行為を実施する工程をさらに含む。
【００１５】
図面の簡単な記述
図１は本発明によるシステムのレイアウトを表わす。
【００１６】
図２は図１に示された電圧走査ユニットの図解をより詳細に表わす。
【００１７】
図３は一つより多い燃料電池スタックを有するシステムを表わす。それはまた、コモンモード基準の使用を示す。
【００１８】
図４はソフトウェアフローチャートを表わす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明によるシステムでは、燃料電池スタックは（重ならない）燃料電池の群に仕切られている。測定回路は群中の最低電圧を参照される。従って、スタックの負の端子を参照されるとき、各燃料電池群は異なるコモンモード電圧を有する。この方法では、回路を測定するためのコモンモード電圧は、使用される半導体を考慮に入れた最大値を決して越えることはない。一群中の槽の数を制限することによって、適切な測定分解能及び精度を維持することができる。測定回路は測定された電圧を数値化し、それらを主制御装置に伝達する。燃料電池スタックにおいて全ての槽電圧を測定するために、幾つかの測定回路が要求される。
【００２０】
システムは二つの主要なハードウェア構成要素、即ち電圧走査装置及び主制御装置を使用する。主制御装置は特定のソフトウェアプログラムが実行されるコンピュータである。このコンピュータは電圧走査装置を駆動し、それらから収集されたデータを評価し、この評価の結果を再伝達する。同じ方法を使用して、電圧測定以外のためのセンサーが主制御装置に接続されることができる。電圧走査ユニット（ＶＳＵ）という用語は、一つ以上の電圧を数値化できる装置に関し、各電圧は燃料電池スタックの異なる槽に関連付けられる。主制御装置はＶＳＵ、及び燃料電池スタックシステムを制御するために使用される他の制御装置と通信することができるコンピュータ装置に関する。
【００２１】
燃料電池スタック１は隣接する槽の群に分割される。単一群の各槽は同じＶＳＵ２（図１参照）に接続される。群中の最低電圧レベルの端子は、ＶＳＵ内で誘導される正の参照電圧（Ｖｒｅｆ）に接続される。特に、各ＶＳＵは、測定回路のための調節された電力供給として使用されるために整流器２６、フィルタ及びレギュレータ２３を含み、そこではＶｒｅｆは正確な電圧参照を使用して誘導される。槽の群の他の端子は次いでマルチプレクサ装置２４の様々な入力に接続される。マルチプレクサは槽電圧をアナログ−デジタル変換器２２（ＡＤＣ）に経路を定める。全てのＶＳＵは同じである。Ｖｒｅｆは全てのＶＳＵに対して同じ値を持つように選択されることができ、それは式１ａ，１ｂ…に従って計算を簡単にする。もし極めて高い精度が要求されるなら、Ｖｒｅｆは各ＶＳＵに対して個々に決定されることができる。各ＶＳＵはそのときそれ自身の組の式を持つ。これは主制御装置において追加の記憶装置を要求するだろう。
【００２２】
ＶＳＵ内の正の参照電圧Ｖｒｅｆは、Ｖｓｕｐ−、即ちＡＤＣへの負の電圧供給（図２参照）より高いが、Ｖｓｕｐ＋より低いように選択される。典型的には、Ｖｓｕｐ−はＡＤＣのアースである。ＡＤＣの負の電力供給端子における電圧はまた、全てのＡ／Ｄ変換に対して内部参照として作用するので、一つのＡＤＣにおける異なる変換の結果（ＶＡＤＣ１，ＶＡＤＣ２，ＶＡＤＣ３，…）は異なる槽電圧（Ｖｃｅｌｌ１，Ｖｃｅｌｌ２，Ｖｃｅｌｌ３，…）及びＶｒｅｆの関数として書かれることができる：
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一つのＡＤＣにおけるいかなる変換の結果（ＶＡＤＣ１，ＶＡＤＣ２，ＶＡＤＣ３，…）も０〜Ｖｓｕｐ＋の値である。これを式１に適用すると、一群の槽（ｃｅｌｌ１又はｃｅｌｌ１＋ｃｅｌｌ２又はｃｅｌｌ１＋ｃｅｌｌ２＋ｃｅｌｌ３…）において−Ｖｒｅｆ〜Ｖｓｕｐ＋−Ｖｒｅｆのいかなる電圧も測定できることがわかる。
【００２３】
一例として、一群は四つの槽からなってもよく、ＡＤＣへの電力供給Ｖｓｕｐ＋は５ボルトであってもよく、参照電圧Ｖｒｅｆは１ボルトであってもよく、従ってＡＤＣの全てのチャネルは−１ボルト〜４ボルトの電圧を測定することができる。この範囲は四つの槽によって分割されなければならないので、これは−０．２５ボルト〜１ボルトの個々の槽電圧を測定することを可能にする。これは、負の槽電圧が特定の条件下で起こりうるので、本発明の主要な利点を示す。
【００２４】
各ＶＳＵ２は、指令を受けてデータバスを経てデータを主制御装置３へ伝達し、主制御装置３からデータを受けることができるプロトコルドライバ２４を含む。ＶＳＵ２中の全てのプロトコルドライバ２４は、データバスだけを使用して個々にアドレス指定できる一意的なバイナリＩＤを含む。主制御装置３及びＶＳＵ２におけるデータバスは異なるコモンモード電圧を有することができ、従ってガルバーニ電気絶縁が要求される。これはデジタル光結合器２５を使用することによって達成される。
【００２５】
開始時及び停止時、即ち槽電圧が極めて低くなり、従ってＶＳＵ２の操作のための電力が燃料電池から誘導されることができないとき、槽電圧を測定することが要求される。それゆえ、ＶＳＵは電力バスからその電力を引き出す。電力バスは方形波交流電力を運ぶ。ＶＳＵの電力消費は極めて低く、従って簡単な誘導結合又は静電結合（コンデンサ２７）で電力バスに結合されることができる。静電結合の利点は誘導結合に比べて低い価格及び重量である。両結合方法はコモンモード電圧をオフセットするために十分なガルバーニ電気絶縁を確実にすることができる。
【００２６】
システム中の第二の主要なハードウェア構成要素は主制御装置３である。主制御装置は三つの仕事を有する：ＶＳＵとの通信、電力バス制御及び他の燃料電池スタックシステム制御装置に対するインターフェース。
【００２７】
単一の共通データバスは全てのＶＳＵ２及び主制御装置３を接続する。このバス上で主制御装置はマスタであり、ＶＳＵはスレーブである。マスタは、同時に全てのＶＳＵへ又は一つの個々のＶＳＵへのいずれかへの全ての通信を、それをＶＳＵに記憶された一意的バイナリＩＤを通してアドレス指定することによって開始する。これは各ＶＳＵ２と主制御装置３の間の追加の個々のガルバーニ絶縁接続に対する必要性を除去する。
【００２８】
主制御装置は、ＶＳＵにアクセスし、Ａ／Ｄ変換を実施するための初期設定及びそれらへの指示を同時に行なう。結果として、全ての槽電圧が同時に取得される。取得及び変換後、各ＶＳＵは変換の結果を検索するために個々に及び連続的にアクセスされる。いったん結果（ＶＡＤＣ１，ＶＡＤＣ２，…）が検索されたら、個々の槽電圧（Ｖｃｅｌｌ１，Ｖｃｅｌｌ２，…）は式１ａ，１ｂ，１ｃ，などに記載された関係を使用して計算されることができる。主制御装置におけるデータテーブルはＶＳＵの個々のＩＤを、それに接続された槽の燃料電池スタックにおける位置に連結する。
【００２９】
既に述べたように、単一共通電力バスは電力を全てのＶＳＵに供給する。主制御装置のパルス幅変調（ＰＷＭ）出力は電力ラインの各々を専用ＤＣ電力供給の正又は負の電圧に二者択一的に接続するために使用される。主制御装置はＰＷＭの周波数及びデューティサイクルの理想値を設定することを可能とするためにこの電力供給の電圧を測定する。主制御装置の追加の出力は電力消費を最小にするために電力ライン駆動器を不能にするために使用される。
【００３０】
燃料電池スタックの正しい信頼性のある操作のため、槽電圧は、燃料電池スタックの操作条件に依存して、ある制限内にすべきである。電圧の一つが制限を越えるとき、一つ以上の燃料電池スタックシステム制御装置（図示せず）は補正行為をとることができる。これらの行為を規定するために、全ての槽電圧が必要ではない：通常、行為（例えば、電気負荷を減少したり又は空気流速もしくは水素流速を増加すること）を規定するには、最小、平均及び最大槽電圧で十分である。それゆえ、電圧監視システムの主制御装置におけるソフトウェアの役割は、これらの値を計算し、これらの最小及び最大電圧と関連した槽を識別し、この情報を、それを必要とする他のいずれかの燃料電池スタックシステム制御装置に送信することである。全ての個々の電圧を送信することと比較すると、これは通信のために必要なバンド幅を実質的に制限し、これらの仕事の他のシステム制御装置を軽減する。通信はいかなる基準によっても実施されることができる。
【００３１】
もし燃料電池スタックが多数の槽を含み、高いサンプリングレートが要求されるなら、二つ以上のデータバスを作ることができる。ＶＳＵはデータバスを経て均一に分配され、通信は同時に実施され、それによって各追加バスに対してバンド幅及びサンプリングレートを増大する。
【００３２】
特別な実施態様では、一つより多い燃料電池スタックを与えることができる。図３に示されるように、様々なスタックがデータバスを経て主制御装置と通信することができ、スタックにおけるＶＳＵは同じ電力バスを介して出力されることができる。
【００３３】
（燃料電池のいずれか一つ以上のスタックを有する）システムはスタックのコモンモード電圧を監視するための手段を与えられることが有利でありうる。特に槽の数が増加するとき、例えばシステムにおける最高電圧と最低電圧の間の中間程度の電圧に主制御装置をもたらすことが有用でありうる。かかる接続はまた、図３に示される。安全上の理由のため、スタックと主制御装置の間の接続に流れる電流は前記主制御装置によって、例えばＥＰ−１２６５０７６  Ａ１に記載されるような監視装置で監視されるべきである。これは、主制御装置に一体化されうる追加のハードウェアを要求する。
【００３４】
槽電圧監視システムの主制御装置はソフトウェアを含む。このソフトウェアによって実施される仕事は下記の通りである（図４も参照）：
１．主制御装置の初期設定、
２．ＶＳＵを、それらの個々のＩＤで、そして燃料電池スタック内のそれらの位置で識別するテーブル（ＩＤテーブルと称される）の維持、
３．ＶＳＵの初期設定、
４．電力バスについての電圧、周波数及びデューティサイクルの調整、
５．電圧変換の同時開始、
６．ＶＳＵに記憶されたデータの個々の読み出し、
７．このデータの評価及び関連情報の外部装置への送信、
８．ＩＤテーブルを変更するために外部装置からのデータパケットの受信、
９．校正データを含む外部装置からのデータパケットの受信、
１０．診断データを要求する外部装置からのデータパケットの受信、
１１．診断データの、例えば制限されないが、一群内の全ての槽電圧への送信。
【００３５】
既知のサイクル時間でのサイクル操作を保証するために、主制御装置３におけるタイマは測定サイクルの開始の割り込み信号を発生する。もし次の割り込みが起こる前に全てのＶＳＵが読みとれないなら、サイクル時間違反が起こる。これは、正常な操作がもはや保証されないエラー状況である。エラーは主制御装置とＶＳＵの間の通信時に起こりうる。ソフトウェアは、再試行の準備をし、もしエラーが続くなら、問題を他のシステム制御装置に信号で与えるための手段の準備をする。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明によるシステムのレイアウトを表わす。
【図２】図１に示された電圧走査ユニットの図解をより詳細に表わす。
【図３】一つより多い燃料電池スタックを有するシステムを表わす。それはまた、コモンモード基準の使用を示す。
【図４】ソフトウェアフローチャートを表わす。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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