(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のｎ個の動力電池を有する動力電池システム（１．１）の直列接続された動力電池（２．１，２．２，．．．）の電気的な接続における不連続性を検出するための検出装置であって、
各々が、関連する動力電池にシャント抵抗として接続されている複数のｎ個の第一抵抗（５．１，５．２，．．．）であって、上記ｎ個の動力電池と共にラダー回路を形成している複数のｎ個の第一抵抗（５．１，５．２，．．．）と、
各々の入力が、２つの上記第一抵抗（５．１，５．２，．．．）の間にて上記ラダー回路の第一ノードとの第一接続を有しているｎ個の電気的なフィルタ（４．１，４．２，．．．）であって、各々が、第二抵抗（４．１．２，４．２．２，．．．）および上記第二抵抗に接続されているコンデンサ（４．１．１，４．２．１，．．．）を備えているｎ個の電気的なフィルタ（４．１，４．２，．．．）と、
を備えており、
各々、上記ｎ個の電気的なフィルタ（４．１，４．２，．．．）のうちの対応する１つの出力に接続されているｎ個のスイッチ（８．１，８．２，．．．）、
を更に備えており、
上記ｎ個の電気的なフィルタ（４．１，４．２，．．．）の各々の出力は、ｎ個の電圧監視ユニットのうちの対応する１つに接続されており、上記ｎ個の電圧監視ユニットは、対応する電気的なフィルタの出力の動的な電圧応答を測定し、
上記全ての動力電池（２．１，２．２，．．．）における全ての電気的な接続確認が、上記全ての電圧監視ユニットにより同時に実行されるよう制御するマイクロ制御装置を備えており、
１つの外部電源が上記スイッチの１つと上記動力電池システムの一方の極との間に接続されている、または、上記スイッチが接地されている、
ことを特徴とする検出装置。
【請求項２】
上記電気的なフィルタは、ローパスフィルタである、
ことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
上記第一抵抗の各々は、隣接する第一抵抗にそれぞれ接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項４】
上記第二抵抗は、全て同一の値である、
ことを特徴とする請求項１または３に記載の検出装置。
【請求項５】
上記動力電池の各々は、対応する電気的なフィルタの入力に一本の接続にて接続されている、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の検出装置。
【請求項６】
上記動力電池の各々は、隣接する動力電池に直列にて接続されている、
ことを特徴する請求項１から５のいずれかに記載の検出装置。
【請求項７】
上記電気的なフィルタのインピーダンスは、互いに等しい、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の検出装置。
【請求項８】
上記１つの外部電源が、上記スイッチの各々と上記動力電池システムの第一の極との間に接続されている、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の検出装置。
【請求項９】
上記動力電池システムの上記第一の極を備えている上記動力電池と結合している上記スイッチは、上記外部電源の上記第一の極に接続されている、
ことを特徴とする請求項８に記載の検出装置。
【請求項１０】
上記動力電池として、燃料電池または電解セルを用いることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の検出装置。
【請求項１１】
直列に接続された複数の動力電池（２．１，２．２，．．．）と、
各々が、動力電池の電極との接続を有している複数の電気的なフィルタ（４．１，４．２，．．．）であって、各々が、抵抗（４．１．２，４．２．２，．．．）および上記抵抗に接続されているコンデンサ（４．１．１，４．２．１，．．．）を備えている複数の電気的なフィルタ（４．１，４．２，．．．）と、
各々、当該電気的なフィルタ（４．１，４．２，．．．）のうちの対応する１つの出力に接続されているスイッチ（８．１，８．２，．．．）と、を備えている動力電池システム（１．１）において動力電池との電気的な接続における不連続性を検出する方法であって、
１つの外部電源が上記スイッチの１つと上記動力電池システムの一方の極との間に接続されており、または、上記スイッチが接地されており、
上記複数の動力電池との接続を維持しながら上記各コンデンサを放電する工程と、
上記複数の動力電池から上記各コンデンサを再充電する工程と、
上記複数の動力電池との電気的な接続において不連続性が存在するか否かを決定するために上記各コンデンサの動的な電圧を監視する工程と、
を含んでおり、
上記全ての動力電池（２．１，２．２，．．．）の全ての電気的な接続確認を同時に実行することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池またはバッテリーシステムのような電気動力電池の分野、および、燃料電池を監視するための手段および当該監視手段における不連続性を検出するための手段、具体的には、当該監視手段のワイヤーまたはケーブルにおける開回路を検出するための手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池（燃料セル）またはバッテリーのような直流電源は、セルごとの電圧の差はほとんど無い。これは、バッテリーまたはセルは、有用な動作電圧を得るためにしばしば直列に接続されることを意味する。そのような電池のチェーン（鎖）またはラダーのための監視回路を提供するのが通例である。
【０００３】
燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、その機能は以下の通りである。アノード側の燃料およびカソード側の酸化体が、アノード側とカソード側との間において電荷の差異を生成する電解質を介して反応する。電気機器がワイヤーまたはケーブルを介して陽極側および陰極側に接続される。燃料電池システムは、幾つかの燃料電池（少なくとも２つの燃料電池）を備えており、燃料電池の各々は、隣接する燃料電池と直列に接続されている。必要な電圧を考慮すると、電気機器は、適正な電圧を供給するために直列に接続された数多くの燃料電池に接続される。電力供給における不連続性がある場合、電気機器への印加電圧は低くなり、それ故に、電気機器の機能が影響を及ぼされる。より悪いことに、燃料電池が正しく機能しなくとも燃料が燃料電池に供給されるのである。燃料が正しく消費されないので、環境を汚染する危険性を伴っている。
【０００４】
この課題を解決する方法の１つに、商業的に利用できるセル電圧モニタ(CVM:cell voltage monitor)が挙げられる。燃料電池の各々は、個別にＣＶＭに接続される必要がある。ＣＶＭは、燃料電池の電圧の燃料電池システム平均電圧からの偏差を検出して、燃料電池システムの実際の電圧を通知する、または燃料電池システムを停止するなどの動作を行う。起動および停止する間、燃料電池の電圧は０ボルト未満にまで下降する。これは、ＣＶＭが、燃料電池の過渡状態、ＣＶＭの不具合、または燃料電池の不具合を識別可能でなければならないことを意味している。それ故に、ＣＶＭのワイヤーまたはケーブルの接続を確認することが求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
先行技術における従来の解決法は、例えば、特開平２００６−１５３７５８号公報に開示されており、当該文献は、各燃料電池に接続されているワイヤーを備えながら直列に接続されている４つの燃料電池グループであって、各燃料電池グループに２つの燃料電池を有する４つの燃料電池グループを備えている燃料電池システムを提案している。各ワイヤーは、グラウンドに接地されたローパスフィルタであって、個別の電源により電気が供給されるローパスフィルタに接続されている。各ローパスフィルタに個別の電源が供給されるので、ローパスフィルタのコンデンサを充電および放電するために２つのスイッチが必要とされるが、これにより接続の確認は複雑で高価になってしまう。
【０００６】
米国特許出願公開第２００７／０１９６７０７号明細書は、幾つかの燃料電池の部分に分割されている燃料電池システムを提案している。接続の確認は、グラウンドに対する燃料電池の各部分の電圧を測定し、信号処理部への２つのバンドパスフィルタを介して測定された電圧を増幅させることによって為されている。そして、燃料電池の該部分にかかる電圧が、燃料電池システムの中間電圧値と比較される。ここで、偏差が電源供給の不連続性の指標となっている。この実施形態の不利な点は、単一の燃料電池の電圧ではなく、グラウンドに対する燃料電池の部分の電圧しか測定できない点であり、これにより１つのワイヤーにおける不連続な位置を特定することが難しくなる。米国特許第６，２５５，８２６号明細書は、バッテリー電圧を検出するバッテリー電圧測定装置におけるバッテリー電圧測定配線の破損を検出可能であるバッテリー電圧測定装置について開示している。各ブロックは複数の二番目のバッテリーを直列接続することによって形成されており、各ブロックの電圧を検出する電圧検出器が配置されている。そして、これらの電圧検出器の前に、ノイズフィルタが配置されている。更に、電圧測定配線における破損を検出するための測定配線破損検出抵抗が、各ブロックに対して並列接続されている。米国特許出願公開第２００８／１４３２９８号明細書は、直列接続された複数のセルを有するバッテリーパックにおける異常を診断するように構成された異常診断装置を開示している。複数の診断電圧検出回路の各々は、対応する放電回路の１つにかかる電圧を検出するように構成されている。異常診断制御部が、１つおきのセルに対応するスイッチをオンにする第一診断操作および全てのスイッチをオンにする第二診断操作を実行するように構成されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、動力電池システムを用いるための装置および燃料電池システム、電解セルシステム、またはバッテリーシステムのような動力電池システムを作動させる方法を提供することであり、当該装置は、セルを監視するため、および、セルとの接続における不連続性を検出するための簡素で安価な手段を有している。本発明に係る装置および方法は、燃料電池およびウルトラコンデンサを用いた動力電池システムにおいて特に用いられてもよい。ウルトラコンデンサおよび燃料電池は、０ボルトが通常の動作電圧であるという点において、他の多くの電気化学的なセルとは異なる共通の特徴を有している。電気化学的なセルにおける０ボルトでの接続を検出することが、本発明の特別な目的である。
【０００８】
本発明は、複数の動力電池を有している動力電池システムにおける動力電池との電気的な接続における不連続性を検出するための装置であって、複数の第一抵抗と、複数の動力電池とを備えており、上記複数の動力電池および上記第一抵抗はラダー回路の形状にて接続されており、各々が、２つの上記第一抵抗の間にて上記ラダー回路の第一ノードとの第一接続を有している電気的なフィルタであって、各々が、第二抵抗および上記第二抵抗に接続されている電荷蓄積装置を備えている電気的なフィルタを更に備えていることを特徴とする装置を提供する。
【０００９】
一実施形態において、複数の動力電池、例えば、燃料電池と、複数の第一抵抗とを備えており、上記複数の動力電池および第一抵抗はラダー回路の形状にて接続されており、
各々が、２つの上記第一抵抗の間にて第一ノードとの第一接続を有している電気的なフィルタであって、各々が、第二抵抗および上記第二抵抗に接続されている電荷蓄積装置
を備えている電気的なフィルタを更に備えている動力電池システム、例えば燃料電池システムが提供される。上記抵抗は、抵抗、抵抗回路、またはダイオードが接続されたトランジスタのような他のタイプの抵抗であってもよい。上記抵抗は、シャント抵抗網において接続されている。他の実施形態において、各々の電気的なフィルタは、隣接している電気的なフィルタとの第二接続を介しても接続されている。各々の電気的なフィルタの隣接している電気的なフィルタとの接続は、各々の電気的なフィルタが各々の動力電池、例えば燃料電池に接続されているので、個別に電圧を供給することなく上記燃料電池システムの電気的なフィルタを作動させる。これより、結果的に各々の電気的なフィルタに従って１つのスイッチのみが必要となり、これにより、上記燃料電池システムは簡素で安価なものとなる。
【００１０】
動力電池は、例えば燃料電池、バッテリー、またはバッテリーセルであってもよい。バッテリーセルは、電解セルであってもよい。電荷蓄積装置は、コンデンサ、コンデンサ網やコンデンサ回路、または他の電荷蓄積装置であり得る。
【００１１】
電気的なフィルタの各々は、ローパスフィルタであることが好ましい。ローパスフィルタの利点としては、燃料電池の場合に直流に影響を示さないこと、および、電圧変化の高周波数領域をフィルタリングすることが挙げられ、ローパスフィルタは、接続の確認を実行するために用いられ得る。
【００１２】
電気的なフィルタの各々は、第一抵抗または入力抵抗に接続されており、入力抵抗の各々が、対応する動力電池、例えば燃料電池を横切って接続するためのシャント抵抗であって、各動力電池、例えば燃料電池の出力電圧を制限するためのシャント抵抗であるので、燃料電池は、開回路中に存在しない。動作の間、燃料電池の各々を通過して流れる永久電流は、ＰＥＭ燃料電池における炭素腐食を制限する。他の利点としては、入力抵抗が電気的な電源における不連続性の検出を幇助することが挙げられる。
【００１３】
更なる好適な実施形態に従って、入力抵抗の各々は、隣接する入力抵抗に接続されている。ラダー回路において燃料電池に並列接続している入力抵抗の直列接続は、分圧器を提供し、入力抵抗の各々は、対応する電気的なフィルタに対する入力電圧を生成する。ここで、入力抵抗の各々に係る生成された入力電圧は、全て同一である。
【００１４】
一般に、電気的なフィルタの各々の第二抵抗またはアクティブ抵抗は、対応する第一抵抗または入力抵抗に比べ、非常に小さい。この場合、燃料電池の直流への電気的なフィルタの効果は些細なものであり、入力抵抗を通って流れる電流もまた無視できる。電気的なフィルタは、接続の確認を可能なものにする動的応答に影響を及ぼすのみである。更に、入力抵抗の各々は、電気的なフィルタの各々において同一の一定電圧を提供するために同一値である。本発明の好適な実施形態に従って、電気的なフィルタの各々の出力は、ＣＶＭに値、例えばデジタル電圧値を送信するためのアナログデジタル変換器のような電圧測定ユニットに接続されている。
【００１５】
本発明の更なる好適な実施形態に従って、電気的なスイッチが電気的なフィルタの各々に対して配置されており、当該スイッチは、対応する電気的なフィルタの出力における電圧を変化させる。電圧を変化させる、例えば増加させたり、減少させたり、電気的なフィルタの出力を短絡させたりすることによって、電気的なフィルタのコンデンサのような電荷蓄積装置は、突然、充電／放電される。１つのスイッチを開ける場合、対応する電気的なフィルタの電荷気蓄積装置は、対応する動力電池、例えば燃料電池を介して再び充電される。動力電池、例えば燃料電池との接続における不連続性がある場合、電気的なフィルタの電荷蓄積装置は、隣接する電気的なフィルタを通して充電される。ここで、充電の過程において、長い半減期が示される。電荷蓄積装置の動的応答における変化は、電圧測定ユニット、例えばＣＶＭのアナログデジタル変換器を介して検出される。
【００１６】
一般に、動力電池、例えば燃料電池の各々が、対応する電気的なフィルタの入力に１つのワイヤーを用いて接続されている。これにより、回路が簡素で安価なものであり続ける。
【００１７】
一般に、動力電池、例えば燃料電池の各々が、隣接する動力電池、例えば燃料電池に接続されている。これにより、動力電池システムを構成する動力電池の直列接続が確立されている。一般に、電源供給における不連続性がある場合に、電気的なフィルタの各々の出力が同一の出力電圧を確実に示すために、電気的なフィルタのインピーダンスの全ては、同一である。
【００１８】
本発明の他の実施形態に従って、外部電源が、１つのスイッチと動力電池システムの第一の極、例えば、陰極との間に接続されるように配置される。動力電池システムの第一の極、例えば陰極に接続されている接地ワイヤーまたは接地ケーブルにおける不連続性を検出することは、外部電源なしでは不可能であるので、この配置によって可能となる。
【００１９】
本発明の他の実施形態に従って、動力電池が０ボルトの出力電圧を示す場合に、電源供給における不連続性を検出するために、外部電源が、スイッチの各々と動力電池システムの第一の極、例えば、陰極との間に接続されるように配置される。
【００２０】
本発明の他の実施形態に従って、動力電池が０ボルトの出力電圧を示しつつ、接地ワイヤーまたは接地ケーブルが断線している場合に、電源供給における不連続性を検出するために、動力電池システムの第一の極、例えば陰極を備えている動力電池に結合するように配置されているスイッチが、外部電源の第一の極、例えば陰極に接続されている。
【００２１】
本発明は、動力電池システムにおける動力電池との電気的な接続における不連続性を検出する方法をもまた提供する。上記システムは、複数の動力電池と、各々が動力電池の電極との接続を有している複数の電気的なフィルタを備えており、上記複数の電気的なフィルタの各々は、抵抗および上記抵抗に接続されている電荷蓄積装置を備えている。また、上記方法は、上記動力電池との接続を維持しながら上記電荷蓄積装置を放電する工程と、上記動力電池から上記電荷蓄積装置を再充電する工程と、上記動力電池との電気的な接続における不連続性が存在するか否かを決定するために上記電荷蓄積装置の動的な電圧を監視する工程とを含んでいる。
【００２２】
燃料電池システムにおける接続確認のためのプロセスによって、動力電池との接続の１つにおける不連続性または断線が確認される場合、対応する電気的なフィルタの電荷蓄積装置のコンデンサが隣接する電気的なフィルタを通して充電される。これによって、電気的なフィルタのコンデンサの充電および放電の手順が保証される。
【００２３】
また、接続を確認する間、接続はそのままであるので、テストは一定の時間周期の間隔にて行われ得る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明のこれらの側面および他の側面は、以下に示す実施形態を参照することにより明白となり、そして解明されるであろう。
【図１】３つの燃料電池およびそれぞれに対応する３つのローパスフィルタを備えており、各ローパスフィルタが隣接するローパスフィルタに接続されている燃料電池システムの回路図を示している。
【図２】燃料電池システムの陰極とスイッチとの間に外部電源を有する、図１に記載の燃料電池システムの回路図を示している。
【図３】外部電源が３つのスイッチの全てに接続されている、図２に記載の燃料電池システムの回路図を示している。
【図４】燃料電池システムの陰極を備えている燃料電池に係るスイッチが外部電源の陰極に接続されている、図３に記載の燃料電池システムの回路図を示している。
【図５】本発明が用いられている燃料電池のスタックのための電圧監視システムの回路図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、特定の実施形態に関して、および、特定の図面に関して記述されているが、本発明はそれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に限定されるものである。描かれている図面は、概略的なものであり限定的なものではない。該図面において、エレメントの寸法が誇張されているものがあり、図解するという目的のために実際の寸法で描かれてはいない。寸法および相対寸法は、本発明を実行するための実際の縮図に対応してはいない。
【００２６】
今回の適用例において、すなわち、明細書、請求項、および図面において、動力電池という用語は、バッテリーセル、電気化学電池、燃料電池、太陽電池、またはウルトラコンデンサ（電気化学二重層コンデンサ）のようなエネルギーを貯蔵または生成するあらゆる種類の電池を意味する。動力電池システムは、動力電池を備えているシステムという意味である。
【００２７】
更に、明細書および請求項における第一、第二、第三等の用語は、同様のエレメントを区別するために用いられており、連続的な順序または経時的な順序を表すものではない。そのように用いられている用語は、適切な環境下において交換可能であり、本明細書に記述されている本発明の実施形態は、本明細書に記述されている順序または図解されている順序以外で実施可能であることは理解できる。
【００２８】
更に、明細書および請求項における上、下、上に、下に等の用語は、記述する目的のために用いられており、相対的な位置を表している必要はない。そのように用いられている用語は、適切な環境下において交換可能であり、本明細書に記述されている本発明の実施形態は、本明細書に記述されている方向または図解されている方向以外で実施可能であることは理解できる。
【００２９】
請求項において用いられている「備えている」という用語は、これ以降に列挙される手段に制限されるように解釈されるべきではないことに注意しなければならない。これは他のエレメントまたはステップを除外するものではない。したがって、「備えている」という用語は、述べられた特徴、整数、ステップ、または、構成要素の存在を、ありのままに特定するように解釈されるが、一または複数の他の特徴、整数、ステップや構成要素、または、これらのグループの存在または追加を排除するものではない。それ故、「手段ＡおよびＢを備えている装置」という表現の範囲は、構成要素Ａおよび構成要素Ｂのみで構成される装置に限定されるべきではない。本発明に関しては、「手段ＡおよびＢを備えている装置」という表現は、装置の関連する構成要素がＡおよびＢであるという意味である。
【００３０】
同様に、請求項において用いられている「結合された」という用語も、直接の結合のみに制限されるように解釈されるべきではないことに注意しなければならない。したがって、「装置Ｂに結合された装置Ａ」表現の範囲は、装置Ａの出力が装置Ｂの入力に直接結合されている装置またはシステムに限定されるべきではない。他の装置または手段を含んでいるパスであってもよい、Ａの出力とＢの入力との間におけるパスが存在することを意味するのである。
【００３１】
図５は、本発明の実施形態に係るセル電圧モニタ（ＣＶＭ）の概略的な変形例を示している。ＣＶＭは、燃料電池、バッテリーセル、電解セル(electrolytic cell)、または同様のセルのような動力電池スタックと共に用いられるものである。ＣＶＭは、各動力電池に個別に接続できる装置であり、電圧走査ユニット(VSU:Voltage Scanning Unit)および主制御装置への接続も可能である。本発明の実施形態において、ＶＳＵは、電圧監視ユニットを備えている。また、図１から図４を参照して記述されるように、スイッチを更に備えていても良い。ＶＳＵは、通信バスを通して関連データのみが主制御装置に送信されるように測定されたデータ前処理することができる。この前処理は、ソフトウェアにより、または、例えばフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA: field programmable gate array)のような他のプログラマブルロジックにより実行されてもよい。接続の一つにおける配線断線欠陥は、結果としてＣＶＭにおける誤った読取をもたらしてしまう。本発明の目的は、接続の欠陥が動力電池の欠陥と区別できるＣＶＭを提供することにある。
【００３２】
本発明は、動力電池システムに接続するための配線における接続欠陥を検出する装置を提供するものである。本発明は、セルへの配線における接続を検出するための手段を有する動力電池システムをもまた提供するものである。図１は、本発明の第一の実施形態に係る、例えば燃料電池、電解セル、またはバッテリーのような動力電池のシステム１．１の回路を示している。このシステムは、ＣＶＭにおける接続を検出するための装置と共に用いられる。本発明の該実施形態に係る動力電池は、バス、車、オートバイ、スクーター、自転車のような自動車車両、または、ボート、電車、自動販売機、掃除機、道路標識、電気装置、病院設備、下水処理施設等に、例えば、動力を与えるものとして幅広く適用され得る。
【００３３】
以下に、燃料電池について述べられているが、本発明はこれに限るものではない。「燃料電池」を述べる際に、「電池」という用語は、燃料電池、バッテリーセル、電解セル、または他の形状をした任意の直流動力電池を含むように用いられる。第一燃料電池２．１、第二燃料電池２．２、および第三燃料電池２．３は、この順に直列に配列されている。接地ワイヤーまたは接地ケーブル３．０は、第一燃料電池２．１の第一の極、例えば陰極に任意に接続される。これにより、第一燃料電池の陰極が、燃料電池システムの第一の極、例えば陰極である。第一ワイヤー３．１は、一方で、第一燃料電池２．１の第二の極、例えば陽極および第二燃料電池２．１の第一の極、例えば陰極にそれぞれ接続されており、他方で、第一電荷蓄積装置、例えばコンデンサ４．１．１および第一アクティブ抵抗４．１．２を備えている第一ローパスフィルタ４．１の入力に接続されている。第一入力抵抗５．１は、第一ワイヤー３．１および接地ワイヤーまたは接地ケーブル３．０に接続されており、シャント抵抗として動作する。接地抵抗６は、接地ワイヤーまたは接地ケーブル３．０および接地抵抗６をそれぞれ第一ローパスフィルタ４．１のコンデンサ４．１．１に接続している。
【００３４】
第二ワイヤー３．２は、一方で、第二燃料電池２．２の第二の極、例えば陽極および第三燃料電池２．３の第一の極、例えば陰極にそれぞれ接続されており、他方で、第二電荷蓄積装置、例えば第二コンデンサ４．２．１および第二アクティブ抵抗４．２．２を備えている第二ローパスフィルタ４．２に接続されている。第二ローパスフィルタ４．２の第二コンデンサ４．２．１は、第一ローパスフィルタ４．１の出力に接続されており、第二入力抵抗５．２は、第二ローパスフィルタ４．２の入力および第二ワイヤー３．２をそれぞれ第一ローパスフィルタ４．１の入力に接続しており、第二入力抵抗５．２はシャント抵抗として動作する。
【００３５】
第三ワイヤー３．３は、一方で、燃料電池システムの第二の極、例えば陽極である第三燃料電池２．３の第二の極、例えば陽極に接続されており、他方で、第三電荷蓄積装置、例えば第三コンデンサ４．３．１および第三アクティブ抵抗４．３．２を備えている第三ローパスフィルタ４．３に接続されている。第三入力抵抗５．３は、第三ローパスフィルタ４．３の入力および第三ワイヤー３．３をぞれぞれ第二ローパスフィルタ４．２の入力に接続しており、第三入力抵抗５．３はシャント抵抗として動作する。
【００３６】
燃料電池システム１．１に係る回路の更なる変形を、更なる燃料電池および燃料電池に関連したローパスフィルタを用いることにより実行可能であることは明白である。第ｎワイヤー３．ｎが、一方で、燃料電池システムの第二の極、例えば陽極である第ｎ燃料電池２．ｎの第二の極、例えば陽極に接続されており、他方で、第ｎ電荷蓄積装置、例えば第ｎコンデンサ４．ｎ．１および第ｎアクティブ抵抗４．ｎ．２を備えている第ｎローパスフィルタ４．ｎに接続されている。第ｎ入力抵抗５．ｎは、第ｎローパスフィルタ４．ｎの入力および第ｎワイヤー３．ｎをそれぞれ第（ｎ−１）ローパスフィルタ４．（ｎ−１）の入力に接続しており、第ｎ入力抵抗５．ｎはシャント抵抗として動作する。
【００３７】
第一ローパスフィルタ４．１の第一差動出力７．１は、更に第一アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器である第一電圧監視ユニット１０．１に接続されており、第一スイッチ８．１によりバイパスされ得る。また、第二ローパスフィルタ４．２の第二差動出力７．２は、更に第二アナログデジタル変換器である第二電圧監視ユニット１０．２に接続されており、第二スイッチ８．２によりバイパスされ得る。第三ローパスフィルタ４．３の第三差動出力７．３は、更に第三アナログデジタル変換器である第三電圧監視ユニット１０．３に接続されており、第三スイッチ８．３によりバイパスされ得る。出力７．１、７．２、および７．３に関連した（更に３つのアナログデジタル変換器である）３つの電圧監視ユニットは、ＣＶＭの一部である。更に、入力抵抗５．１、５．２、および５．３の全ては、同一値であり、３つの電荷蓄積装置の全てのコンデンサ４．１．１、４．２．１、および４．３．１は、同一容量であり、３つのアクティブ抵抗４．１．２、４．２．２、および４．３．２の全ては、同一値である。更に、入力抵抗５．１、５．２、および５．３は、対応するアクティブ抵抗４．１．２、４．２．２、および４．３．２よりも大きな値であり、例えば５倍、１０倍、または２０倍も大きい。スイッチ８．１、８．２、および８．３は、ノーマルオープンの極において接地電位が必要ではない。動力電池の電圧とグラウンドとの間の中間電圧、または動力電池の電圧よりも高い電圧もまた用いられ得る。
【００３８】
以下において、電圧監視ユニット１０．１、１０．２、および１０．３は、見易さのために図面から省略されている。更に、電圧監視ユニットは、スイッチから離れて示されているが、これらのコンポーネントは、全てマイクロ制御装置の中に集積されてもよい。
【００３９】
一般に（この変形例は図面に示されていない）、第ｎローパスフィルタ４．ｎの第ｎ差動出力７．ｎは、更に第一アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器である第ｎ電圧監視ユニットに接続されており、第ｎスイッチ８．ｎによりバイパスされ得る。出力７．ｎに関連した第ｎ電圧監視ユニットは、ＣＶＭの一部でもある。更に、第ｎ入力抵抗５．ｎの抵抗値は、全ての入力抵抗５．１、５．２と同一であり、第ｎ電荷蓄積装置のコンデンサは、コンデンサ４．１．１、４．２．１、および４．３．１の全てと同一であり、第ｎアクティブ抵抗は、アクティブ抵抗４．１．２、４．２．２、および４．３．２の全てと同一である。
【００４０】
通常動作の場合、３つの出力７．１、７．２、および７．３の全ては、同一の出力電圧値を示している。電気の供給が途切れている場合、例えば第二ワイヤー３．２が不連続である、または断線している場合、出力７．２の出力電圧は、第二燃料電池２．２の電圧に第三燃料電池２．３の電圧を加えて２で割った値（Ｕ２．２＋Ｕ２．３）／２である。２つの出力、この場合は第二出力７．２および第三出力７．３の出力電圧を測定することにより、不連続性が示される。しかしながら、Ｕ２．２およびＵ２．３が非常に似ている場合、（Ｕ２．２＋Ｕ２．３）／２とＵ２．２またはＵ２．３のいずれかとの間に顕著な差異が現れないという危険性を伴っている。このため、他の接続確認が必要になるのである。
【００４１】
説明のため、スイッチの１つの極が接地電圧であると仮定すると、接続の確認のために３つのスイッチ８．１、８．２、および８．３は、同時に閉じられる。これは、３つのコンデンサ４．１．１、４．２．１、および４．３．１の急激な放電をもたらす。そして、スイッチ８．１、８．２、および８．３が同時に開かれると、コンデンサ４．１．１、４．２．１の再充電が行われる。ワイヤーの１つ、この場合の例としては第二ワイヤー３．２が断線している場合、第二コンデンサ４．２．１は、隣接する入力抵抗および隣接するセルのローパスフィルタ、この場合は第三入力抵抗５．３および第三ローパスフィルタ４．３を通して充電される。これは、関連したコンデンサの電圧に関して異なる動的応答、例えば他のコンデンサに比べコンデンサ４．２．１での半減期における低い電圧という動的応答をもたらす。第二電圧監視ユニット、例えばアナログデジタル変換器は、動的応答を測定、例えば、第二スイッチ８．２を開いた後の所定の時間遅れの後に出力７．２の出力電圧を測定する。動的応答が通常動作と異なる場合、例えば、第二出力電圧７．２が、測定時間において他の出力電圧よりも低い場合、第二出力電圧７．２は、この場合第二ワイヤー３．２に対する接続不良を示すのである。
【００４２】
上記と機能的に等価である第一の実施形態の他の回路は、以下の通りに記述されている。動力電池２．１〜２．３は、動力電池２．１〜２．３および第一抵抗５．１〜５．３を備えている第一ラダー回路に接続されている。ラダーの「ラング」(rungs)は、動力電池２．１〜２．３の間に第一ノードを形成する接続３．０〜３．３により形成されている。抵抗５．１〜５．３は、コンデンサ４．１．１〜４．３．１と共に第二ラダー回路にも接続されている。抵抗５．１〜５．３の間の第二ノードは、電荷蓄積装置、例えばコンデンサ４．１．１〜４．３．１の間における第三ノードに第二抵抗４．１．２〜４．３．２を介して接続されている。第三ノードは、上記のように電圧監視ユニット、例えばアナログデジタル変換器に接続されており、回路を短絡させるスイッチ８．１〜８．３にも接続されている。動作は先述の通りである。ワイヤーにおける不連続性が存在するか否かを決定するために、電圧監視ユニット、例えばアナログデジタル変換器により測定されるにつれて劇的な変化する第三ノードの電圧が用いられる。
【００４３】
第一の実施形態に係る接続の確認をするに伴い、接地ワイヤー３．０における接続不良は出力７．１における０ボルトの差動電圧出力をもたらす。これは不連続性を示すのに十分である。しかしながら、単一の監視システムを利用するため、および、接地ワイヤーまたは接地ケーブル３．０における接続の確認を実施するためには、図２に示されているような第二の実施形態に係る回路が好ましい。図２に記載の回路は、図１に係る回路と等価であるが、外部電源９が、片方の極、例えば陽極を介して第一スイッチ８．１に接続され、他方の極、例えば陰極を介して接地抵抗６に接続されている点は異なっている。これによって、外部電源９の電圧は、いずれの適正な任意電圧、例えば電圧監視回路の電圧供給、または一動力電池の公称電圧とは異なる参照電圧になり得る。
【００４４】
接地ワイヤーまたは接地ケーブル３．０が断線していて、第一スイッチ８．１が閉じている場合、外部電源９からの電流は、第一ローパスフィルタ４．１、第一入力抵抗５．１、および接地抵抗６を通して流れる。第一スイッチ８．１が開いている場合、第一コンデンサ４．１．１は、放電または充電する。これによって、充電／放電の動的応答は遅くなり、例えば、半減期における（半減時点での）電圧は損傷のない接地ワイヤーまたは接地ケーブル３．０の場合に比べ低くなり、相対電圧監視ユニット、例えばアナログデジタル変換器により検出され得る。
【００４５】
燃料電池の電圧が０ボルトに下降し得るので、図１および／または図２に係る接続の確認は、誤った結果を出すことがある。この場合、図３に示されている本発明の第三の実施形態に係る動力電池の回路、例えば燃料電池システム１．３が用いられる。ここで、第二の極、例えば外部電源９の陽極は、スイッチ８．１、８．２、および８．３の各々に接続されている。第一の極、例えば外部電源９の陰極は、接地抵抗６に接続されている。再度、外部電源９の出力電圧は、いずれの任意電圧にもなり得る。第一電荷蓄積装置から第三電荷蓄積装置、例えば第一コンデンサ４．１．１、第二コンデンサ４．２．１、および第三コンデンサ４．３．１は、図１および２に対応している回路１．１および１．２の場合は隣接するローパスフィルタに接続されているが、この場合はそれぞれに対応する抵抗４．１．２、４．２．２、および４．２．３とグラウンドとの間に全てが接続されている。第一電荷蓄積装置から第三電荷蓄積装置、例えば第一コンデンサ４．１．１、第二コンデンサ４．２．１および第三コンデンサ４．３．１と、それぞれに対応する抵抗４．１．２、４．２．２および４．２．３とがローパスフィルタを形成する。
【００４６】
第三の実施形態に係る他の回路が以下に記述されている。これは、上記と機能的に等価である。動力電池２．１〜２．３は、動力電池２．１〜２．３および第一抵抗５．１〜５．３を備えている第一ラダー回路において接続されている。ラダーの「ラング」は、動力電池２．１〜２．３の間に第一ノードを形成する接続３．０〜３．３により形成されている。抵抗５．１〜５．３の間の第二ノードは、直列接続の電荷蓄積装置、例えばコンデンサ４．１．１〜４．３．１および第二抵抗４．１．２〜４．３．２それぞれのペアを介して個別にグラウンドに接続されている。抵抗４．１．２〜４．３．２は、第三ノードを介してスイッチ８．１〜８．３のノーマリオープンな極に接続されている。第三ノードは、電圧監視ユニット、例えば上述されているようなアナログデジタル変換器に接続されており、スイッチ８．１〜８．３にも接続されている。第二の極、例えば外部電源９の陽極は、スイッチ８．１、８．２、および８．３の各々の接続されており、第一の極、例えば外部電源９の陰極は、接地抵抗６に接続されている。更に、外部電源９の出力電圧は、いずれの任意電圧であってもよい。
【００４７】
３つの動力電池、例えば燃料電池は、０ボルトの電圧を示すので、３つの入力抵抗５．１、５．２、および５．３は、通常動作において短絡しているとみなされる。電源供給における不連続、例えば第二ワイヤー３．２での断線の場合、閉じている第二スイッチ８．２は、外部電源９の電流を第二入力抵抗５．２および第三入力抵抗５．３に流れさせる。これにより、第二コンデンサ４．２．１の放電半減期は、通常動作に比べ高くなる。この事象は、第二出力７．２においてＣＶＭにより検出可能である。
【００４８】
また、回路１．３は、接地ワイヤーまたは接地ケーブル３．０の接続不良を測定することができない。この矛盾は、図４に記載の回路１．４において回避されている。回路１．４において、外部電源９は、第二の極、例えば陽極にて第二スイッチ８．２および第三スイッチ８．３に接続されているが、第一スイッチ８．１には接続されていない。外部電源９の第一の極、例えば陰極は、第一スイッチ８．１および接地抵抗６に接続されている。
【００４９】
第一スイッチ８．１が閉じている場合、第一コンデンサ４．１．１の両電極が同電位であるので、第一コンデンサ４．１．１は０ボルトである。ここで、第一スイッチ８．１が開かれる場合、第一燃料電池２．１により第一入力抵抗５．１が短絡するので、第一コンデンサ４．１．１は、第一アクティブ抵抗４．１．２および接地抵抗６を通して充電される。接地ワイヤーまたは接地ケーブル３．０が断線している場合、第一入力抵抗５．１は、もはや短絡しておらず、第一コンデンサ４．１．１は、第一アクティブ抵抗４．１．２、接地抵抗６、および第一入力抵抗５．１を通して充電される。これにより、第一コンデンサ４．１．１の充電半減期が長くなる。この事象は、第一出力７．１を介してＣＶＭにより検出可能である。
【００５０】
上記のように、電圧監視ユニットはアナログデジタル変換器を含んでいる。これらは、３つのスイッチを含んでもよいマイクロ制御装置の一部であってもよい。外部電源９もまたマイクロ制御装置の一部であってもよく、これにより、３つのスイッチ８．１、８．２、および８．３の間における外部電源９の切り替えを簡素化できる。それ故、３つのスイッチ８．１、８．２、および８．３の切り替えも、マイクロ制御装置により制御されてもよい。例えば、マイクロ制御装置は、電圧７．１〜７．３を監視するために用いられるアナログ入力ピンを有していてもよい。例えば、マイクロ制御装置は、アナログ入力値をデジタル値に変換するためのアナログデジタル変換器を有していてもよい。また、更なる実施形態に従って、アナログ入力が、デジタル出力ピンとして一時的に機能するために、低レベル論理信号および更に高レベル論理信号を用いてプログラムされてもよい。このようにして、アナログ入力ピンは、（スイッチ８．１〜８．３が開回路である場合の）任意の上記実施形態における電圧７．１〜７．３を監視することができる。または、アナログ入力ピンは、短絡スイッチを効果的に実行する低レベル論理に切り替えることができる。これは、図１に示されているように、ハードウェアを追加することなく、スイッチ８．１〜８．３を効果的に実行し、これによりコンデンサ４．１．１、４．２．１、および４．３．１の放電が行われる。これは、全ての実施形態における出力７．１〜７．３の測定ポイントがスイッチ８．１〜８．３に対するコンタクトノードと同一であるので、可能である。
【００５１】
更なる実施形態に従って、高レベルデジタル出力が１つのピンに供給される。このようにして、外部電源、例えば図２のスイッチ８．１への切り替えが実行され、マイクロ制御装置の電源に対してコンデンサ４．１．１が充電される。更なる実施形態に従って、マイクロ制御装置は、例えばアナログ入力を介してセルの電圧を測定したり、スイッチ８．１〜８．３にスイッチの機能を提供したりするだけでなく、ＶＳＵのセットアップを図１〜４に示されている任意の実施携帯に適合させるためにプログラムされる。更に、マイクロ制御装置は、どのセットアップが最適か（例えば、図１、２、３、または４の構成の内、実行するために最良のものはどれか）を決定する決定ソフトウェアを含んでいてもよい。８．１〜８．３を開いてから、例えば電圧７．１〜７．３を取得する時間まで、充電しているコンデンサの動的な電圧応答を監視することは、マイクロ制御装置により容易に実行される。それはまた、接続確認の間に得られた値と期待値とを比較し、例えばＣＶＭの主制御装置（図示なし）に接続状態のみを報告する。
【００５２】
マイクロ制御装置は、ハードウェア、コンピュータソフトウェア、またはその両者の組み合わせとして実行されてもよい。マイクロ制御装置は、汎用プロセッサ、組み込みプロセッサ、特定用途向け集積回路(ASIC:application specific integrated circuit)、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）や他のプログラマブル論理回路、離散的ゲートまたはトランジスタ論理(discrete gate or transistor logic)、離散的ハードウェアコンポーネント(discrete hardware components)、または、本明細書に記述された機能を実行するように設計された任意の組み合わせを備えていてもよい。プロセッサは、コンピュータデバイスの組み合わせ、例えばＦＰＧＡとマイクロプロセッサとの組み合わせ、ＦＰＧＡと複数のマイクロプロセッサとの組み合わせ、ＦＰＧＡとＦＰＧＡに関連した一または複数のマイクロプロセッサとの組み合わせ、またはＦＰＧＡとそのような構成した他の装置との組み合わせとして実行されてもよい。
【００５３】
スタック中の全てのセルにおける全ての接続確認は、全ての電圧監視ユニットにより同時に実行される。接続確認の結果は、捕捉チャネルごとに１ビットのみである。そのため、結果を主制御装置へ報告するための通信オーバヘッドは非常に限定的である。
【００５４】
本発明は、図面および先の記述において詳細に図解され記述されているが、そのような図解および記述は、実例的または例示的なものと見なされるべきであり、限定的なものと見なされるべきではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。開示された実施形態を他に変形することは、図面、本文、および付属の請求項を研究して本発明を実行することで当業者により理解され成し遂げられ得る。請求項において、単数を表す不定冠詞は複数を除外するものではない。特定の方策が相互に異なる従属請求項において列挙していることは単なる事実であり、都合よくこれらの方策の組み合わせて用いることができないということを示しているわけではない。請求項における符号は、特許請求の範囲を限定するように解釈されるべきではない。
【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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