JP2007242529A - 電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出回路の誤差補正を行いつつも、燃料電池セルの電圧変動を適切に捉えることができる電圧検出装置を提供する。
【解決手段】演算部１６は、入力電圧Ｖpiに応じて検出回路１２から出力される検出電圧Ｖadi’と、検出回路１２に含まれる誤差を補正する補正値Ｋriとに基づいて、検出対象となるセル群Ｓiの電圧Ｖiを演算する。また、演算部１６は、燃料電池スタック１の運転状態に基づいて、検出回路１２に与えられる入力を入力電圧Ｖpi側から基準電圧Ｖref側に切り換えることを切換スイッチ１５に対して許可する。ここで、演算部１６は、検出回路１２に与えられる入力が基準電圧Ｖref側に切り換えられていることを条件に、基準電圧Ｖrefと、検出回路１２から出力される検出電圧Ｖadrefi’とに基づいて、補正値Ｋriを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧検出装置に係り、特に、それぞれが発電要素として機能する複数の燃料電池セルで構成される燃料電池スタックにおいて、単一の燃料電池セル、或いは、所定数の燃料電池セル（セル群）を検出単位として、個々の燃料電池セル、或いは、個々のセル群の電圧を検出する手法に関する。

従来より、燃料極および酸化剤極に反応ガスをそれぞれ供給することにより、反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを積層して構成される燃料電池スタックを備えており、この燃料電池スタックは、それぞれの燃料電池セルが電気的に直列接続されている。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの電圧変化をモニタリングするために、例えば、１つの燃料電池セルを検出単位として、個々の燃料電池セルの電圧（セル電圧）を検出する電圧検出装置を備えている。

例えば、特許文献１には、検出回路に与えられる入力を、検出対象であるセル電圧から所定の基準電圧に切り換えることにより、検出回路の誤差を補正するための補正値を演算し、この補正値によって検出されるセル電圧を補正する電圧検出装置が開示されている。
特開２００２−４００６４号公報

ところで、燃料電池システムにおいて、例えば、燃料電池スタックの発電量が変化するようなケースでは、それに応じてセル電圧が変化する可能性があるが、検出回路の誤差補正を行った場合には、セル電圧を検出することができず、セル電圧の変化を適切に捉えることができないという不都合がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出回路の誤差補正を行いつつも、燃料電池セルの電圧変動を適切に捉えることができる電圧検出装置を提供することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、直列接続された複数の燃料電池セルで構成される燃料電池スタックであって、少なくとも一つの燃料電池セルを含むセル群を検出単位として、燃料電池スタックにおけるセル群のそれぞれの電圧を検出する電圧検出装置を提供する。この電圧検出装置は、入力端子と、検出回路と、演算手段と、発生手段と、切換手段と、許可手段とを有する。入力端子は、検出対象となるセル群の電圧に応じた入力電圧が入力される。検出回路は、入力端子に入力された入力電圧を分圧して検出電圧として出力するものであり、分圧抵抗で構成される。演算手段は、検出回路から出力される検出電圧と、検出回路に含まれる誤差を補正する補正値とに基づいて、検出対象となるセル群の電圧を演算する。発生手段は、基準電圧を発生する。切換手段は、検出回路に与えられる入力を、入力端子に入力される入力電圧から発生手段による基準電圧に切り換えることができる。許可手段は、燃料電池スタックの運転状態に基づいて、検出回路に与えられる入力を入力電圧側から基準電圧側に切り換えることを切換手段に対して許可する。ここで、演算手段は、検出回路に与えられる入力が基準電圧側に切り換えられていることを条件に、基準電圧と、検出回路から出力される検出電圧とに基づいて、補正値を算出する。

本発明によれば、燃料電池スタックの運転状態に基づいて、検出回路に与えられる入力を入力電圧側から基準電圧側に切り換えることを切換手段に対して許可しているので、補正値の演算処理を選択的に実行することができる。そのため、検出回路に含まれる誤差の補正を行いつつもに、セル群の電圧の変動を適切に捉えることが可能となる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる電圧検出装置を示す構成図である。第１の実施形態にかかる電圧検出装置１０は、燃料電池システムに用いられる電圧検出装置として好適である。燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する電動モータの電源として、車両に搭載されている。

燃料電池システムは、燃料電池スタック１を備えており、この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持した燃料電池セルＳが複数積層されて構成される。この燃料電池スタック１では、個々の燃料電池セルＳにおいて、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セルＳが電気的に直列接続されており、燃料電池セルＳの積層数に応じて、所望の発電電力が確保される。燃料電池システムは、燃料電池スタック１以外にも、燃料電池スタック１に対して酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス系（図示せず）や、燃料電池スタック１に対して燃料ガスを供給するための燃料ガス系（図示せず）が備えられている。燃料ガスとしては、例えば、水素を、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素を含む空気を用いることができる。

燃料電池スタック１の運転状態は、図示しないコントローラによって制御されている。コントローラは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、燃料電池スタック１の発電量の目標値である目標発電量に基づいて、水素の圧力・流量制御、空気の圧力・流量制御に関する演算を行う。そして、コントローラは、この演算によって算出された制御量に応じた制御信号を各種アクチュエータに対して出力し、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。燃料電池スタック１の目標発電量は、車両の速度やドライバのアクセル開度に応じて車両側から要求される要求電力に基づいて、一義的に決定される。

また、コントローラは、このような通常の発電制御以外にも、燃料電池スタック１の始動に応じて燃料電池スタック１の運転状態を制御する始動制御、燃料電池スタック１の停止に応じて燃料電池スタック１の運転状態を制御する停止制御も行う。

電圧検出装置１０は、燃料電池スタック１を構成する複数の燃料電池セルＳを、それぞれが所定数の燃料電池セルＳを含む複数のセル群Ｓi（ｉ＝１〜ｎ（ｎ：セル群の数））に分割した上で、個々のセル群Ｓiを検出対象として電圧Ｖi（ｉ＝１〜ｎ）を検出する。セル群Ｓiを構成する燃料電池セルＳの数は、１つ以上であればよく、所望とする分解能に応じて選択することができる。本実施形態において、各セル群Ｓiは、２つの燃料電池セルＳで構成されている。

この電圧検出装置１０は、入力端子１１、検出回路１２、Ａ／Ｄ変換部１３、基準電圧発生部１４、切換スイッチ１５および演算部１６を主体に構成されている。

入力端子１１は、検出対象となるセル群Ｓiの電圧Ｖiに応じた入力電圧が入力される端子であり、接続線Ｌ1〜Ｌnを介して、個々のセル群Ｓiと接続されている。ここで、接続線Ｌ0を介して燃料電池スタック１の最も低電位側の点ｐ0と接続される入力端子１１は、その内部においてグランドに接続されており、この点ｐ0が電圧検出の基準電位となる。個々の入力端子１１に入力された入力電圧は、分圧抵抗（抵抗器Ｒai（ｉ＝１〜ｎ），Ｒbi（ｉ＝１〜ｎ））で構成される検出回路１２によってそれぞれ分圧されることにより、入力電圧に応じた検出電圧としてＡ／Ｄ変換部１３の入力端子Ｃhi（ｉ＝１〜ｎ）にそれぞれ入力される。Ａ／Ｄ変換部１３によってデジタル信号に変換された検出電圧は、演算部１６によってそれぞれ読み込まれる。

一方、基準電圧発生部１４は、予め決定された所定の基準電圧Ｖrefを発生する。切換スイッチ１５は、検出回路１２に与えられる入力を、入力端子１１に入力される入力電圧から、基準電圧発生部１４による基準電圧Ｖrefに切り換えることができる。

演算部１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。演算部１６は、これを機能的に捉えた場合、２つの主たる機能を担っている。第１に、検出回路１２に与えられる入力が入力端子１１側からの入力電圧であることを前提に、Ａ／Ｄ変換部１３から読み込まれる検出電圧と、検出回路１２に含まれる誤差を補正する補正値Ｋri（ｉ＝１〜ｎ）とに基づいて、検出対象となるセル群Ｓiの電圧Ｖiを演算する。第２に、燃料電池スタック１の運転状態に基づいて、検出回路１２に与えられる入力を、入力電圧側から基準電圧Ｖref側に切り換えることを切換スイッチ１５に対して許可する。ここで、基準電圧Ｖref側に切り換えることを許可した場合には、演算部１６は、切換スイッチ１５を動作させて、検出回路１２へ基準電圧Ｖrefを与える。一方、基準電圧Ｖref側に切り換えることを許可しない場合には、演算部１６は、切換スイッチ１５を動作させて、検出回路１２へ入力電圧を与える。そして、演算部１６は、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖref側に切り換えることを切換スイッチ１５に対して許可している場合には、基準電圧Ｖrefと、検出回路１２から出力される検出電圧（具体的には、Ａ／Ｄ変換部１３から出力される、デジタル信号に変換された検出電圧）とに基づいて、補正値Ｋriを算出する。また、この演算部１６には、燃料電池スタック１の運転状態を示すスタック情報信号Ｓsiが、燃料電池システムのコントローラから入力されている。

以下、本実施形態における、セル群Ｓiの電圧Ｖiの検出概念、および、補正値Ｋriの算出概念について説明する。

（数式１）
Ｖpi＝ΣＶi＝Ｖ1＋Ｖ2＋・・・＋Ｖi
同数式は、接続線Ｌ1〜Ｌnを介して入力端子１１と接続する各セル群Ｓiの接続点ｐ1〜ｐnにおける、基準電池Ｖp0に対する電圧Ｖpi（ｉ＝１〜ｎ）を示している。換言すれば、同数式は、検出対象となるセル群Ｓiの電圧Ｖiに応じて入力端子１１に入力される入力電圧Ｖpiを示している。入力端子１１に入力される入力電圧Ｖpiは、検出回路１２によって分圧され、Ａ／Ｄ変換部１３の入力端子Ｃhiに入力される。

（数式２）
Ｖadi＝αi×Ｖpi
同数式は、検出回路１２によって分圧されて、Ａ／Ｄ変換部１３の入力端子Ｃhiに入力される検出電圧Ｖadi（ｉ＝１〜ｎ）を示す。ここで、αi（ｉ＝１〜ｎ）は、検出回路１２を構成する分圧抵抗による分圧比である。

（数式３）
αi＝Ｒbi／（Ｒai＋Ｒbi）
ここで、Ｒai，Ｒbiは、分圧抵抗における抵抗器の抵抗値である。個々の抵抗値Ｒai，Ｒbiは、電圧検出装置１０（具体的には、入力端子１１）に入力される入力電圧Ｖpiに対して、Ａ／Ｄ変換部１３に入力される検出電圧Ｖadiが、Ａ／Ｄ変換部１３の定格電圧以下となるように設定されている。

（数式４）
Ｖi＝Ｖpi−Ｖpi-1＝Ｖadi／αi−Ｖadi-1／αi-1
数式１〜３を参照するに、検出対象となるセル群Ｓiの電圧Ｖiは、数式４に示すように、Ａ／Ｄ変換部１３に入力される検出電圧Ｖadi，Ｖadi-1と、分圧比αi，αi-1に基づいて一義的に算出される。ここで、検出回路１２を構成する分圧抵抗による分圧比αiは、演算部１６の記憶領域に予め記憶されている。

ところで、分圧抵抗の分圧比αiは、通常、公称値が用いられるが、検出回路１２の経時劣化などに起因して、実際の分圧比αiは公称値に対して誤差を含むようになる。

（数式５）
αi’＝ｒi×αi
同数式は、分圧比（公称値）αiから、誤差によってその値がある割合ｒi（ｉ＝１〜ｎ）ずれたと考えた場合の実際の分圧比αi’を示す。

（数式６）
Ｖadrefi’＝ｒi×αi×Ｖref
ここで、同数式は、切換スイッチ１５を動作させ、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖrefに切り換えた場合に、Ａ／D変換部１３の入力端子Ｃhiに入力される検出電圧Ｖadrefi’（ｉ＝１〜ｎ）を示しており、数式２および数式５から導出される。

（数式７）
ｒi＝Ｖadrefi’／（αi×Ｖref）
同数式は、分圧抵抗における分圧比（公称値）αiからのずれｒiを示す。

（数式８）
Ｖadi’＝ｒi×αi×Ｖpi
同数式は、切換スイッチ１５を動作させ、検出回路１２に与えられる入力を入力電圧Ｖpi側に切り換えた場合に、Ａ／Ｄ変換部１３の入力端子Ｃhiに入力される検出電圧Ｖadi’（ｉ＝１〜ｎ）を示しており、数式２および数式５から導出される。

（数式９）
Ｖpi＝Ｖadi’／（ｒi×αi）
同数式は、分圧比（公称値）αiに含まれるずれｒiを考慮した場合に、基準電位に対する各接続点ｐiの電圧Ｖpi、すなわち、入力端子１１への入力電圧Ｖpiを示す。

（数式１０）
Ｖpi＝Ｋri×Ｖadi’
同数式は、数式９を補正値Ｋriを用いて表した式である。

（数式１１）
Ｋri＝１／（ｒi×αi）＝Ｖref／Ｖadrefi’
同数式は、補正値Ｋriの詳細を示す式である。この補正値Ｋriは、切換スイッチ１５を基準電圧Ｖref側に切り換えた場合に、Ａ／D変換部１３の入力端子Ｃhiに入力される実際の検出電圧Ｖadrefi’と、基準電圧Ｖrefとに基づいて算出される。

（数式１２）
Ｖi＝Ｋri×Ｖadi’−Ｋri-1×Ｖadi-1’
同数式は、個々のセル群Ｓiの実際の電圧Ｖiを示しており、数式４および数式１０に基づいて導出される。

このように、演算部１６は、数式１１で算出される補正値Ｋriを用いて、数式１２に基づいて、個々のセル群Ｓiの電圧Ｖiを算出することができる。また、演算部１６は、切換スイッチ１５動作させ、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖref側に切り換えることにより、補正値Ｋriを適宜算出することができる。

以下、電圧検出装置１０による電圧検出処理を説明する。図２は、本実施形態にかかる電圧検出の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定間隔毎に呼び出され、演算部１６によって実行される。なお、初期的には、切換スイッチ１５は、検出回路１２に与えられる入力が、入力端子１１に入力される入力電圧Ｖpiとなるようにセットされている。まず、ステップ１において、前回の処理サイクルにおいて演算された各セル群Ｓiの電圧Ｖiと、その時間的変化ΔＶi（ｉ＝１〜ｎ）が記憶領域より読み込まれる。

ステップ２において、スタック情報信号Ｓsiに基づいて、燃料電池スタック１の運転状態が始動制御中であるか、或いは、停止制御中であるか否かが判断される。後述するステップ６における補正演算は、燃料電池スタック１の電圧変化が小さいと考えられるシーンを前提に実行される。燃料電池スタック１の始動制御中または停止制御中は電圧変化が大きいため、このような状況において補正演算を実行することを避けるべく、このステップ２における判断が設けられている。ステップ２において肯定判定された場合、すなわち、燃料電池スタック１の運転状態が始動制御中或いは停止制御中である場合には、後述するステップ７に進む。一方、ステップ２において否定判定された場合、すなわち、燃料電池スタック１の運転状態が始動制御中或いは停止制御中ではない場合には、ステップ３に進む。

ステップ３において、セル群Ｓiの電圧Ｖiが、電圧判定値Ｖithよりも小さいか否かが判断される。上述のように、ステップ６における補正演算は、燃料電池スタック１の電圧変化が小さいと考えられるシーンを前提に実行される。個々のセル群Ｓiの電圧Ｖiが小さい場合には、燃料電池スタック１から取り出されている出力（例えば、電流）が大きい状況が考えられ、燃料電池スタック１の電圧変化が大きい可能性がある。そこで、このステップ３において、セル群Ｓiの電圧Ｖiをベースに、燃料電池スタック１の電圧変化が大きい状況か否かが判断される。電圧判定値Ｖithとしては、燃料電池スタック１から取り出される出力（例えば、電流）が大きいと見なせる程度のセル群Ｓiの電圧Ｖiの上限値が、実験やシミュレーションを通じて設定されている。

このステップ３において肯定判定された場合、すなわち、セル群Ｓiの電圧Ｖiが電圧判定値Ｖithよりも小さい場合には（Ｖi＜Ｖith）、ステップ７に進む。一方、ステップ３において否定判定された場合、すなわち、セル群Ｓiの電圧Ｖiが電圧判定値Ｖith以上の場合には（Ｖi≧Ｖith）、ステップ４に進む。なお、ステップ３では、個々のセル群Ｓiを対象として、その電圧Ｖiを電圧判定値Ｖithと比較してもよいが、特定の代表セル群Ｓiのみを対象として、その電圧Ｖiを電圧判定値Ｖithと比較することにより、その判断を行ってもよい。

ステップ４において、セル群Ｓiの電圧Ｖiの時間的変化ΔＶiが、電圧変化判定値ΔＶithよりも大きいか否かが判断される。このステップ４は、ステップ２，３の処理と同様に、燃料電池スタック１の電圧変化が大きい状況か否かを判断するための処理であり、セル群Ｓiの電圧Ｖiの時間的変化ΔＶiを用いてこれを行う。電圧変化判定値ΔＶithは、燃料電池スタック１の電圧変化が小さいとみなせるような、セル群Ｓiの電圧Ｖiの時間的変化ΔＶiの上限値が、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。

このステップ４において肯定判定された場合、すなわち、セル群Ｓiの電圧Ｖiの時間的変化ΔＶiが電圧変化判定値ΔＶithよりも大きい場合には（ΔＶi＞ΔＶith）、ステップ７に進む。ステップ４において否定判定された場合、すなわち、セル群Ｓiの電圧Ｖiの時間的変化ΔＶiが電圧変化判定値ΔＶith以下の場合には（ΔＶi≦ΔＶith）、ステップ５に進む。なお、ステップ４では、個々のセル群Ｓiを対象として、その時間的変化ΔＶiを電圧変化判定値ΔＶithと比較してもよいが、特定の代表セル群Ｓiのみを対象として、その時間的変化Ｖiを電圧変化判定値ΔＶithと比較することにより、その判断を行ってもよい。

ステップ５では、前回の処理サイクルにおいて、補正値Ｋriが算出されたか否かが判断される。この補正値Ｋriは、分圧抵抗の分圧比（公称値）αiに含まれる誤差を補正する値であるが、この誤差そのものは、短時間に大きく変化するものではない。そこで、補正値Ｋriが一旦算出された場合には、その値を保持して、ある程度の時間（例えば、１サイクル以上）が経過した後に、補正値Ｋriを再度算出することとする。このステップ５において肯定判定された場合、すなわち、前回の処理サイクルにおいて補正値Ｋriが算出されている場合には、ステップ７に進む。一方、このステップ５において否定判定された場合、すなわち、前回の処理サイクルにおいて補正値Ｋriが算出されていない場合には、ステップ６に進む。

ステップ６において、補正演算が行われる。図３は、ステップ６における補正演算の手順を示すフローチャートである。まず、図２に示すステップ２〜５の否定判定の場合、すなわち、検出回路１２に与えられる入力を入力電圧Ｖpi側から基準電圧Ｖref側に切り換えることが切換スイッチ１５に対して許可されている場合には、ステップ６１において、切換スイッチ１５が基準電圧Ｖref側へと切り換えられる。切換スイッチ１５の切り換えに応じて、検出回路１２に基準電圧Ｖrefが入力されると、検出回路１２を介して分圧された検出電圧Ｖadrefi’がＡ／Ｄ変換部１３に入力される。そして、ステップ６２において、Ａ／Ｄ変換部１３においてデジタル信号に変換された検出電圧Ｖadrefi’が演算部１６に読み込まれる（基準電圧Ｖadrefi’の読み込み）。

ステップ６３において、基準電圧発生部１４が発生する基準電圧Ｖrefと、読み込まれた検出電圧Ｖadrefi’とに基づいて、補正値Ｋriが演算される。この補正値Ｋriは、上述した数式１１に示す演算により、一義的に算出される。算出された補正値Ｋriは、演算部１６の記憶領域に格納され、これにより、従前に記憶されていた値が更新される。

ステップ６４において、各セル群Ｓiを検出対象として、その電圧Ｖiが算出される。なお、このステップ６４における電圧検出処理は、図２に示すステップ７の処理と同様であり、その詳細については、後述するステップ７の処理を参照されたい。このステップ６４において、個々のセル群Ｓiの電圧Ｖiが算出されると、本ルーチンを抜ける。

再び図２を参照するに、ステップ７において、それぞれのセル群Ｓiを検出対象として、その電圧Ｖiが算出される。図４は、ステップ７における電圧検出処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ７１において、切換スイッチ１５がセル群Ｓiの電圧Ｖi側へと切り換えられる。切換スイッチ１５の切り換えに応じて、セル群Ｓiの電圧Ｖiに応じた入力電圧Ｖpiが入力端子１１に入力されると、検出回路１２を介して分圧された検出電圧Ｖadi’がＡ／Ｄ変換部１３に入力される。

ステップ７２において、Ａ／Ｄ変換部１３に入力された検出電圧Ｖadi’が読み込まれるとともに、この検出電圧Ｖadi’と、補正値Ｋriとに基づいて、セル群Ｓiの電圧Ｖiが算出される。補正値Ｋriは、記憶領域に格納されている値を読み込むことによって、特定可能である。セル群Ｓiの電圧Ｖiは、上述した数式１２に示す演算により、一義的に算出することができる。算出されたセル群Ｓiの電圧Ｖiは、演算部１６の記憶領域に格納され、これにより、従前に記憶されていたデータ（セル群Ｓiの電圧Ｖi）が更新される。なお、演算部１６の記憶領域には、２サイクル分のセル群Ｓiの電圧Ｖiが格納されるようになっており、最も古いデータが現在算出されたデータによって更新される。そのため、演算部１６の記憶領域には、本サイクルにおいて算出されたデータと、前回のサイクルにおいて算出されたデータとが格納されることとなる。

ステップ７３において、本サイクルにおいて算出されたセル群Ｓiの電圧Ｖiと、前回のサイクルにおいて算出されたセル群Ｓiの電圧Ｖiに基づいて、電圧Ｖiの時間的変化ΔＶiが算出される。具体的には、この時間的変化ΔＶiは、個々のセル群Ｓiを対象として、前回のサイクルにおいて算出された電圧Ｖiから、本サイクルにおいて算出された電圧Ｖiを減算し、この減算された値を制御サイクルの実行周期で除算することにより算出される。この算出された時間的変化ΔＶiは、演算部１６の記憶領域に格納され、これにより、従前に記憶されていたデータが更新される。

このように本実施形態において、電圧検出装置１０は、入力端子１１と、検出回路１２と、演算手段と、基準電圧発生部１４と、切換スイッチ１５と、許可手段とを有している。ここで、入力端子１１は、セル群Ｓiの電圧Ｖiに応じた入力電圧Ｖpiが入力される。検出回路１２は、入力端子１１に入力された入力電圧Ｖpiを分圧して検出電圧Ｖadi’として出力するものであり、分圧抵抗で構成されている。演算手段は、検出回路１２から出力される検出電圧Ｖadi’と、検出回路１２に含まれる誤差を補正する補正値Ｋriとに基づいて、セル群Ｓiの電圧Ｖiを演算するものであり、この機能は、演算部１６によって実行される。基準電圧発生部１４は、基準電圧Ｖrefを発生する。切換スイッチ１５は、検出回路１２に与えられる入力を、入力端子１１に入力される入力電圧Ｖpiから、基準電圧発生部１４による基準電圧Ｖrefに切り換え可能となっている。許可手段は、燃料電池スタック１の運転状態に基づいて、検出回路１２に与えられる入力を、入力電圧Ｖpi側から、基準電圧Ｖref側に切り換えることを切換スイッチ１５に対して許可するものであり、この機能は、演算部１６によって実行される。この場合、演算手段として機能する演算部１６は、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖref側に切り換えることが切換スイッチ１５に対して許可されている場合、基準電圧Ｖrefと、検出回路１２から出力される検出電圧Ｖadrefi’とに基づいて、補正値Ｋriを算出する。

かかる構成によれば、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、補正値Ｋriの演算処理を選択的に実行することができるので、検出回路１２に含まれる誤差の補正を行いつつも、セル群Ｓiの電圧Ｖiの変動を適切に捉えることが可能となる。また、本実施形態において、演算部１６（演算手段）は、検出回路１２から出力される検出電圧Ｖadrefi’が、基準電圧Ｖrefに近づくような値として補正値Ｋriを算出する。これにより、分圧抵抗の分圧比αiの公称値からずれを経時的に吸収することができるので、セル群Ｓiの電圧Ｖiの検出精度の向上を図ることができる。

また、本実施形態において、演算部１６は、セル群Ｓiの電圧Ｖiの時間的変化ΔＶiを算出するとともに、この算出されたセル群Ｓiの電圧Ｖiの時間的変化ΔＶiが大きいと判断した場合、すなわち、ステップ４の肯定判定の場合には（ΔＶi＞ΔＶith）、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖref側に切り換えることを切換スイッチ１５に対して許可しない。これにより、セル群Ｓiの電圧Ｖiが変化するシーンでは、補正値Ｋriの演算が行われず、セル群Ｓiの電圧Ｖiの検出が行われるので、セル群Ｓiの電圧Ｖiの変化を適切に捉えることが可能となる。

本実施形態において、演算部１６は、セル群Ｓiの電圧Ｖiに基づいて、燃料電池スタック１から取り出される出力が大きいと判断した場合、すなわち、ステップ３の肯定判定の場合には（Ｖi＜Ｖith）、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖref側に切り換えることを切換スイッチ１５に対して許可しない。燃料電池スタック１から取り出される出力が大きい場合には、セル群Ｓiの電圧Ｖiが変化することが予想されるので、補正値Ｋriの演算を行わず、セル群Ｓiの電圧Ｖiの検出を行うことにより、セル群Ｓiの電圧Ｖiの変化を適切に捉えることが可能となる。

なお、上述した実施形態では、個々のセル群Ｓiの電圧Ｖi、或いは、その時間的変化ΔＶiに基づいて、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖref側に切り換えることを切換スイッチ１５に対して許可するか否かを判断しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池スタック１のセル群Ｓiの全てまたは一部の電圧Ｖiの合計値を算出し、この算出された電圧Ｖiの合計値、或いは、この電圧Ｖiの合計値の時間的変化を用いて、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖref側に切り換えるか否かを判断してもよい。かかる手法であっても、セル群Ｓiの電圧Ｖiが変化するシーンでは、補正値Ｋriの演算が行われず、セル群Ｓiの電圧Ｖiの検出が行われるので、セル群Ｓiの電圧Ｖiの変化を適切に捉えることが可能となる。

さらに、本実施形態において、演算部１６は、燃料電池スタック１の始動に応じて燃料電池スタック１の運転状態を制御する始動制御時、或いは、燃料電池スタック１の停止に応じて燃料電池スタック１の運転状態を制御する停止制御時には、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖref側に切り換えることを切換スイッチ１５に対して許可しない。始動制御時、或いは、停止制御時には、セル群Sｉの電圧Ｖiの変化が大きい可能性があるので、補正値Ｋriの演算を行わず、電圧Ｖiの検出を行うことで、個々のセル群Ｓiの電圧Ｖiの変化を適切に捉えることが可能となる。

なお、燃料電池スタック１の発電量は、目標発電量に従って制御される。そのため、燃料電池スタック１の電圧変化は、この目標発電量から特定することができる。燃料電池スタック１の目標発電量は、燃料電池スタック１を制御するコントローラによって管理されているため、演算部１６は、コントローラから目標発電量を取得することにより、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖref側に切り換えるか否かを判断してもよい。

具体的には、演算部１６は、目標発電量の時間的変化を算出するとともに、この算出された目標発電量の時間的変化が大きいと判断した場合には、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖref側に切り換えることを切換スイッチ１５に対して許可しないとしてもよい。燃料電池スタック１の目標発電量の時間的変化が大きい場合には、セル群Ｓiの電圧Ｖiも変化することが予想されるので、補正値Ｋriの演算を行わず、セル群Ｓiの電圧Ｖiの検出を行うことにより、セル群Ｓiの電圧Ｖiの変化を適切に捉えることが可能となる。また、演算部１６は、目標発電量が小さいと判断した場合には、検出回路１２に与えられる入力を基準電圧Ｖref側に切り換えることを切換スイッチ１５に対して許可しないとしてもよい。燃料電池スタック１の目標発電量が小さい場合には、その後の目標発電量の変化に応じて、セル群Ｓiの電圧Ｖiが変化することが予想されるので、補正値Ｋriの演算を行わず、セル群Ｓiの電圧Ｖiの検出を行うことにより、セル群Ｓiの電圧Ｖiの変化を適切に捉えることが可能となる。

さらに、補正値Ｋriの誤差補正といった観点から、補正演算を積極的に実行してもよい。ただし、上述したように、燃料電池スタック１の電圧変化が大きいシーンでは、セル群Ｓiの電圧Ｖiを検出し、その電圧変化を的確に捉えることが好ましい。そこで、演算部１６は、燃料電池スタック１の発電量を一定に制御する発電量制御手段としての機能をさらに担ってもよい。燃料電池スタック１の発電量は、通常、ドライバのアクセル開度や車速によって決定されるが、演算部１６は、補正値Ｋriの演算を前提に、燃料電池スタック１の発電量が一定となるように、燃料電池スタック１のコントローラに対して発電量制御指令を出力するといった如くである。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる電圧検出装置の構成図である。この第２の実施形態にかかる電圧検出装置１０が、第１の実施形態にかかるそれと相違する点は、温度に応じて補正値Ｋriを決定することである。なお、本実施形態の基本的なシステム構成は、第１の実施形態のそれと同じであり、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。

同図に示すように、第２の実施形態にかかる電圧検出装置１０は、温度センサ１７をさらに有している。この温度センサ１７は、検出回路１２の温度を検出するセンサであり、温度に応じた電圧をＡ／Ｄ変換部１３に出力する。Ａ／Ｄ変換部１３によってデジタル信号に変換された電圧は、演算部１６によって読み込まれ、演算部１６は、読み込まれた電圧値に応じて、検出回路１２の温度Ｔを特定する。

以下、第２の実施形態にかかる電圧検出装置１０による電圧検出処理を説明する。なお、第２の実施形態にかかる電圧検出処理は、基本的に、第１の実施形態のそれと同じであり、図２に示すステップ６，７の処理が相違する。そこで、以下、ステップ６，７における相違点について説明する。

図６は、第２の実施形態にかかるステップ６における補正演算の処理手順を示すフローチャートである。まず、ステップ６１において、切換スイッチ１５が基準電圧Ｖref側へと切り換えられ、ステップ６２において、Ａ／Ｄ変換部１３に入力される基準電圧Ｖrefに応じた検出電圧Ｖadrefi’が演算部１６に読み込まれる（基準電圧Ｖadrefi’の読み込み）。ステップ６２に続くステップ６５において、温度センサ１７によって検出される温度Ｔが読み込まれる。

ステップ６５に続くステップ６３において、基準電圧発生部１４が発生する基準電圧Ｖrefと、読み込まれた検出電圧Ｖadrefi’とに基づいて、補正値Ｋriが演算される。この補正値Ｋriは、上述した数式１１に示す演算により、一義的に算出することができる。算出された補正値Ｋriは、演算部１６の記憶領域に格納され、これにより、従前に記憶されていた値が更新される。図７は、演算部１６の記憶領域に格納される、補正値Ｋriと、温度Ｔとの関係を示す説明図である。同図に示すように、演算部１６の記憶領域は、所定の温度範囲（本実施形態では、１０度）毎に、補正値Ｋriを格納されるようになっている。演算部１６は、検出された温度Ｔに対応する領域に、算出された補正値Ｋriを格納する。

ステップ６４において、各セル群Ｓiを検出対象として、その電圧Ｖiが算出される。なお、このステップ６４における電圧検出処理は、後述するステップ７の処理を参照されたい。このステップ６４において、個々のセル群Ｓiの電圧Ｖiが算出されると、本ルーチンを抜ける。

図８は、第２の実施形態にかかるステップ７における電圧検出処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ７１において、切換スイッチ１５が入力電圧Ｖpi側へと切り換えられる。

ステップ７１に続くステップ７４において、補正値Ｋriが読み込まれる。具体的には、演算部１６は、温度センサ１７からの温度Ｔを読み込むと、この温度Ｔに基づいて記憶領域を検索し、現在の温度Ｔと対応する温度領域に記憶されている補正値Ｋriを読み込む。

ステップ７２において、セル群Ｓiの電圧Ｖiが算出される。具体的には、切換スイッチ１５の切り換えに応じて、セル群Ｓiの電圧Ｖiに応じた入力電圧Ｖpiが入力端子１１に入力されると、検出回路１２を介して分圧された検出電圧Ｖadi’がＡ／Ｄ変換部１３に入力される。Ａ／Ｄ変換部１３に入力される検出電圧Ｖadi’を読み込むとともに、この検出電圧Ｖadi’と、温度Ｔに応じて読み込まれた補正値Ｋriとに基づいて、セル群Ｓiの電圧Ｖiが算出される。セル群Ｓiの電圧Ｖiは、上述した数式１２に示す演算により、一義的に算出することができる。算出されたセル群Ｓiの電圧Ｖiは、演算部１６の記憶領域に格納され、これにより、従前に記憶されていたデータ（セル群Ｓiの電圧Ｖi）が更新される。

ステップ７３において、本サイクルにおいて算出されたセル群Ｓiの電圧Ｖiと、前回のサイクルにおいて算出されたセル群Ｓiの電圧Ｖiに基づいて、電圧Ｖiの時間的変化ΔＶiが算出される。具体的には、前回のサイクルにおいて算出されたセル群Ｓiの電圧Ｖiから、本サイクルにおいて算出されたセル群Ｓiの電圧Ｖiを減算し、この減算された値を制御サイクルの実行周期で除算することにより算出される。この算出されたセル群Ｓiの電圧Ｖiの時間的変化ΔＶiは、演算部１６の記憶領域に格納され、これにより、従前に記憶されていたデータが更新される。

このように本実施形態において、電圧検出装置１０は、検出回路１２の温度Ｔを検出する温度センサ１７と、算出された補正値Ｋriが、検出された温度Ｔによって関連付けて格納される記憶手段とをさらに有している。この場合、演算部１６は、記憶手段を検索することにより、温度センサ１７によって検出された検出回路１２の温度Ｔに対応する補正値Ｋriを特定するとともに、この特定された補正値Ｋriと、入力端子１１に入力された入力電圧に応じて検出回路１２から出力される検出電圧Ｖadi’とに基づいて、セル群Ｓiの電圧Ｖiを演算する。かかる構成によれば、検出回路１２の温度Ｔに応じて補正値Ｋriを特定することができるので、セル群Ｓiの電圧Ｖiの検出精度の向上を図ることができる。

第１の実施形態にかかる電圧検出装置を示す構成図 第１の実施形態にかかる電圧検出の処理手順を示すフローチャート 第１の実施形態にかかるステップ６における補正演算の手順を示すフローチャート 第１の実施形態にかかるステップ７における電圧検出処理の手順を示すフローチャート 第２の実施形態にかかる電圧検出装置の構成図 第２の実施形態にかかるステップ６における補正演算の処理手順を示すフローチャート 演算部の記憶領域に格納される、補正値Ｋriと温度Ｔとの関係を示す説明図 第２の実施形態にかかるステップ７における電圧検出処理の手順を示すフローチャート

符号の説明

１ 燃料電池スタック
１０ 電圧検出装置
１１ 入力端子
１２ 検出回路
１３ Ａ／Ｄ変換部
１４ 基準電圧発生部
１５ 切換スイッチ
１６ 演算部
１７ 温度センサ

Claims (12)

1. 直列接続された複数の燃料電池セルで構成される燃料電池スタックであって、少なくとも一つの燃料電池セルを含むセル群を検出単位として、前記燃料電池スタックにおける前記セル群のそれぞれの電圧を検出する電圧検出装置において、
   検出対象となる前記セル群の電圧に応じた入力電圧が入力される入力端子と、
   前記入力端子に入力された前記入力電圧を分圧して検出電圧として出力する、分圧抵抗で構成される検出回路と、
   前記検出回路から出力される検出電圧と、前記検出回路に含まれる誤差を補正する補正値とに基づいて、検出対象となる前記セル群の電圧を演算する演算手段と、
   基準電圧を発生する発生手段と、
   前記検出回路に与えられる入力を、前記入力端子に入力される入力電圧から前記発生手段による基準電圧に切り換え可能な切換手段と、
   前記燃料電池スタックの運転状態に基づいて、前記検出回路に与えられる入力を前記入力電圧側から前記基準電圧側に切り換えることを前記切換手段に対して許可する許可手段とを有し、
   前記演算手段は、前記検出回路に与えられる入力が前記基準電圧側に切り換えられていることを条件に、前記基準電圧と、前記検出回路から出力される検出電圧とに基づいて、前記補正値を算出することを特徴とする電圧検出装置。
2. 前記演算手段は、前記検出回路から出力される検出電圧が、前記基準電圧に近づくような値として前記補正値を算出することを特徴とする請求項１に記載された電圧検出装置。
3. 前記許可手段は、前記演算手段によって算出される前記セル群の電圧の経時的な推移に基づいて、前記セル群の電圧の時間的変化を算出するとともに、当該算出されたセル群の電圧の時間的変化が大きいと判断した場合には、前記検出回路に与えられる入力を前記基準電圧側に切り換えることを前記切換手段に対して許可しないことを特徴とする請求項１または２に記載された電圧検出装置。
4. 前記許可手段は、前記演算手段によって算出される前記セル群の電圧に基づいて、前記燃料電池スタックから取り出される出力が大きいと判断した場合には、前記検出回路に与えられる入力を前記基準電圧側に切り換えることを前記切換手段に対して許可しないことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された電圧検出装置。
5. 前記許可手段は、前記演算手段によって算出される前記セル群の電圧に基づいて、前記燃料電池スタックのセル群の全てまたは一部の電圧の合計値を算出し、当該算出された電圧の合計値の時間的変化が大きいと判断した場合には、前記検出回路に与えられる入力を前記基準電圧側に切り換えることを前記切換手段に対して許可しないことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載された電圧検出装置。
6. 前記許可手段は、前記演算手段によって算出される前記セル群の電圧に基づいて、前記燃料電池スタックのセル群の全てまたは一部の電圧の合計値を算出し、当該算出された電圧の合計値に基づいて、前記燃料電池スタックから取り出される出力が大きいと判断した場合には、前記検出回路に与えられる入力を前記基準電圧側に切り換えることを前記切換手段に対して許可しないことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載された電圧検出装置。
7. 前記許可手段は、前記燃料電池スタックの始動に応じて当該燃料電池スタックの運転状態を制御する始動制御時には、前記検出回路に与えられる入力を前記基準電圧側に切り換えることを前記切換手段に対して許可しないことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載された電圧検出装置。
8. 前記許可手段は、前記燃料電池スタックの停止に応じて当該燃料電池スタックの運転状態を制御する停止制御時には、前記検出回路に与えられる入力を前記基準電圧側に切り換えることを前記切換手段に対して許可しないことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された電圧検出装置。
9. 前記許可手段は、前記燃料電池スタックが発電する発電量の目標値である目標発電量の時間的変化を算出するとともに、当該算出された目標発電量の時間的変化が大きいと判断した場合には、前記検出回路に与えられる入力を前記基準電圧側に切り換えることを前記切換手段に対して許可しないことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載された電圧検出装置。
10. 前記許可手段は、前記燃料電池スタックが発電する発電量の目標値である目標発電量が小さいと判断した場合には、前記検出回路に与えられる入力を前記基準電圧側に切り換えることを前記切換手段に対して許可しないことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載された電圧検出装置。
11. 前記燃料電池スタックの発電量を一定に制御する発電量制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載された電圧検出装置。
12. 前記検出回路の温度を検出する温度検出手段と、
    前記演算手段によって算出された前記補正値が、前記検出された温度と関連付けて格納される記憶手段と、
    前記演算手段は、前記記憶手段を検索することにより、前記温度検出手段によって検出された前記検出回路の温度に対応する前記補正値を特定するとともに、当該特定された補正値と、前記入力端子に入力された前記入力電圧に応じて前記検出回路から出力される検出電圧とに基づいて、前記セル群の電圧を演算することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに一項に記載された電圧検出装置。

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