JP6057388B2 - 電気化学発電装置のセルの電圧出力を監視する装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学発電装置の制御の基本セルにより与えられる電圧の監視に関し、その動作状態の制御を可能にする。

電気化学発電装置は、通常、複数のセルの直列スタックから構成される。これは、１つの基本セルが産業用または大量市場向けの電気装置におけるエネルギー源として利用するために十分なレベルの出力電圧を与えることができないからである。燃料電池は、セルの性質に応じて、そして特に使用する燃料および酸化剤および主として負荷荷によって決まる出力電流に応じて、０．４ボルト〜１．２ボルトの間の電圧を与えることができる。電池セルは、セルの充電状態、その温度および出力する電流に応じて１．２ボルト〜３．８ボルトの間の電圧を与えることができる。

セルを直列に積み重ねることは、それらの出力を足し合わせて、これらの発電装置を種々の大量市場または産業応用のための電気システムにおける電源として利用可能にする出力電圧を得ることを可能にする。これらは、再充電できる装置（電話機、コンピュータ）に電力を供給するシステムから車載電源システム、たとえば電気自動車駆動システムに電力を供給するシステムまで多岐にわたるであろう。これらの発電装置の産業応用の目的として（電気またはガス）電力貯蔵所も言及されるであろう。

すべてのこれらの応用において、当該システムの寿命期間全体にわたり電気化学発電装置の指定された性能（電流／電圧特性）を保証できることが必要である。

したがって、実際問題として、電気化学発電装置の各セルにより与えられる電圧を監視することが必要である。スタック中の１つのセルの性能の劣化は、発電装置の性能に直接影響を及ぼすのであり、かつ、セルの全部または一部を可逆的または不可逆的に劣化または時期尚早に劣化させることも考えられ得るからである。

したがって、通常、各セルの端子両端の電圧の変動の経時的監視を可能にする監視手段が設けられている。これらの測定値を公称性能と比較することは、変動の検知を可能とし、したがって発電装置の各セルの健康状態およびその老化の徴候を得ることを可能にする。

一部の変動は、出力する電流または温度のような動作状態、およびセルの自然老化による。したがって、セルのそれぞれの変動は、同程度である。しかし、一部の電圧変動は、一定のセルの欠陥に起因する。その欠陥は、何も措置を講じない場合、時期尚早な老化または１つ以上のセルの完全な劣化に通ずることもある。たとえば、１つの電池セルの充電状態が他のセルの充電状態と異なる場合、それは、このセルまたは最終的には他のセルの過充電またはほぼ完全な放電およびそれらの時期尚早な老化に通ずることがある。別の例では、燃料電池スタックの１つのセルが、たとえば電気化学反応により生成された水の排出不良あるいは燃料または触媒部位上の酸化剤の欠乏による瞬間的な外乱に曝されたとき、セルの電圧は一時的に低下し得る。それが特有の電圧閾値を下回ったとき、このセルは熱を発生し、それはセルを不可逆的に劣化させ得る。

したがって、各セルの端子間の電圧の変動を連続して測定・分析することにより得られる情報のすべてにより、セルが正常に動作しているか否か知ることが可能になる。より一般的には、この情報は、電気化学発電装置の性能の点検を可能にする。

セルの出力電圧の変動を測定・分析しなければならない場合、すなわち、セルが正しく動作しているか否かに関する情報を得るために、各セルの端子の両端の電圧を測定する手段および測定値の分析を可能にする信号形成・処理手段が必要である。

しかし、これらの電気化学発電装置の稠密性のために、装置中の接続密度が非常に高い場合が多く、それはセルの端子間の電圧の測定を困難または実行不可能にさえする。

先行技術は、電気化学発電装置の多数のセルにより出力される電圧を測定するための種々の技術的解決方法を含んでいる。これらの解決方法は、次の２種類に大別されるであろう：
− 外部解決方法 これは、この目的のために設計された頑丈な配線付きコネクタ経由で発電装置に接続される測定盤を使用する。この測定盤は、すべての測定が平行して行われるかまたは逐次行われるかに応じて１つまたは複数のセンサー、および一般的に信号処理手段を含む分析装置に信号を送る手段を含む。この解決方法では、発電装置の稠密性のために、接続が主な技術的難題である。したがって、配線付きコネクタは、それから測定盤への接触が頑丈で信頼できるように、特に設計されなければならない。実際には、これらのコネクタの設計は、対象とする電気化学発電装置の機械的設計に大幅に左右される。さらに、大量市場または産業用装置の通常の動作条件の下で装置の全寿命期間にわたって電気的接触の経時的品質を保証することが困難であることが分かるであろう。これらの監視解決方法は、非常にぎっしり詰まったスタック、特に燃料スタック・セル中の多数のセルから構成される電力応用を意図する発電装置では、その実現がさらに特に困難になる。このようなスタックでは、２本の測定ワイヤ間の短絡の危険、測定ワイヤの断線または破壊の危険が特に高くなる。
− 発電装置に組み込まれる回路を使用する解決方法 セルの端子間の電圧を測定し、測定された情報を電波により外部分析手段に送出する非接触手段と連携する手段が発電装置に内蔵される。これらの内蔵解決方法は、一般的に配線解決方法より高価であるという大きな欠点を有する。

さらに、これらの種々の解決方法は、一般的に、発電装置のセルを不均一に放電させるであろう安定化電圧源を必要とする。さらに、車載電源システムにおいて使用される電気化学発電装置の場合、現在有効な電気規格は、電源回路と制御回路が高耐電圧の電気的絶縁により絶縁されることを要求している。したがって、適切なガルバニック絶縁を行わなければならないが、それは一定の電圧測定技法にとって非常に制約的となる可能性を有する。

本発明の１つの目的は、電気化学発電装置のセルの状態を監視する代替解決方法を提供することである。この方法は、車載電源システムにおいても安価であり、実現が簡単であり、経時的に信頼できる。

セルの端子間の電圧の直接測定に依存するすべての先行技術の解決方法に反して、この電圧を間接に測定することを提案する。

本発明の背後にある着想は、セルにより出力される電圧によりバイアスをかけられるリアクタンス受動素子（そのインピーダンスがその端子両端のＤＣ電圧に応じて変化する）を含む共振回路の使用に基づいている。セルにより出力される電圧の変動は、次に関連共振回路の共振周波数を変化させる。周波数領域へのこの変換は、接続をかなり単純化することを可能とし、かつ、すべての関連する故障の危険を低減する。それは、車載電源システムのガルバニック絶縁も単純化する。もう１つの長所は、測定が受動的測定であることである。なぜならば、それは、電流を殆ど必要とせず、それにより提案監視システムの信頼性、稠密性および堅牢性が向上するからである。

より正確には、本発明による電気化学発電装置には、電気的に直列接続された多数のセルからなる少なくとも１つのスタックおよびこれらのセルの端子間の電圧を制御する手段が設けられる。この装置は、以下を含むことを特徴とする：
− 各セルの制御を目的として
− 端子の両端のＤＣ電圧に応じて変化するインピーダンスを有する第１リアクタンス受動素子であって、制御される少なくとも１つのセルの電圧を供給される、第１リアクタンス受動素子、
− 第１リアクタンス受動素子とともに、セルにより与えられる公称電圧に関わる事前設定公称共振周波数を有する直列または並列の共振回路を形成する少なくとも１つの第２リアクタンス受動素子、
− 共振回路のバンクに給電する可変周波数信号発生器、および
− このように給電されたバンクの共振ピークの位置を検知する手段であって、検知されたピークに対応する共振周波数と公称共振周波数との間の逸脱の兆候を与える手段。

１つの実施形態では、複数の共振回路が直列に接続され、かつ、共振回路の第１リアクタンス受動素子に１つのセルにより出力された電圧によりバイアスがかけられる。

第１リアクタンス受動素子は有利に可変容量ダイオードであり、また、第２リアクタンス受動素子は誘導子またはたとえば水晶振動子などの共振回路である。

本発明の第１の動作構成では、種々のセルに対応する共振回路は、種々の公称共振周波数を有する。

検知手段は、したがって、種々のセルに対応する種々の共振ピークを検知する。したがって、共振回路のバンクの端子の両端で測定された信号の共振ピークの位置を検知することにより、スタックのセルのそれぞれの状態に関する情報を得ることが可能である。

本発明の１つの実施形態では、共振回路は、発生器により配線接続経由で給電される。

本発明の別の実施形態では、共振回路は、発生器により絶縁変圧器由で給電される。

１つの変形では、共振回路は配線経由で励起されるが、電圧信号の測定／検知は、無線周波数手段を使用する。

別の変形では、共振回路の励起および電圧信号の測定／検知は、無線周波数手段を使用する。

本発明の他の特徴および長所は、添付図面を参照して与えられる以下の詳細記述を読むことにより明らかとなるであろう。図面内容は、以下のとおりである。

図１は、第１の実施形態における電気化学発電装置中のセルのスタック中のセルの電圧を制御する回路を示す。この場合、共振回路は並列共振回路であり、かつ、直列に配置される。 図２は、この制御回路の１つの変形を示す。 図３は、図１または２に示した制御回路の共振回路のバンクの端子間のインピーダンスの変動の曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ_ｇ）の形状を示す。ここでｆ_ｇは、種々の公称共振周波数を中心とする共振回路および公称電圧を出力するすべてのセルに関わる発生器の励起信号の周波数である。 図４は、この曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ_ｇ）の変移であり、スタック中のセル群の一様なドリフトの場合を示している。 図５は、スタック中の１つの不良セルの場合のこの曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ_ｇ）の形状を示す。 図６および７は、図１または２で示した例示実施形態の回路の場合に得られる曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ_ｇ）を示す。この場合、すべての共振回路は、同一の公称共振周波数に合わされている。図６は２つの曲線を示しているが、実線の曲線はセルの公称動作に対応し、他方の点線の曲線はすべてのセルにおける一様な変化を示している。図７は、スタックの少なくとも１つのセルに起因する異常を示している。 図８は、スタックの端子の両端で測定した電圧、電流およびインピーダンスを周波数の関数として示す３本の曲線を表している。これらは、各共振回路を種々の公称共振周波数に合わせる１つの例示実施形態において８個の電気化学セルのスタックのシミュレーションにより得られた。 図９〜１２は、図８におけるインピーダンス曲線を示す。これらはシミュレーションにより得られた曲線であり、スタックの８個のセルが時間とともに変化する状況を示す。 図１３は、ガルバニック絶縁を与えるために電磁変成器を使用する本発明の制御回路の１つの実施形態を示す。 図１４は、本発明の制御回路の１つの例示実施形態を示す。この場合、励起／検知は、（無線周波）電磁波により送信され、また、共振回路の誘導素子も磁気送信アンテナである。 図１５は、無線周波数を使用して信号をアンテナ経由で送信する本発明の制御回路を示す。 図１６は、図１５の回路の変形実施形態を示す。 図１７は、交互配置構成の共振回路を含む別の実施形態による制御回路を示す。 図１８は、図１の共振回路の直列変形を示す。 図１９は、対応する曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ_ｇ）の形状を示す。

本発明による制御回路の第１の実施形態を図１に示す。これは、電気化学発電装置のＮ個のセルＵＣ_ｉのスタックに適用されている。各セルＵＣ_ｉは、その端子の両端に基本ＤＣ電圧Ｕ_ｉを出力する。スタックの端子Ｇ_１、Ｇ_２の両端にＮ個の基本ＤＣ電圧Ｕ_ｉの和に等しい電圧Ｕが得られる。

この制御回路は、セルＵＣ_ｉあたり１つの共振回路を含んでいる。この共振回路は、各セルＵＣ_ｉの端子に接続されている第１リアクタンス受動素子Ｄ_ｉおよび第２リアクタンス受動素子Ｌ_ｉを含んでいる。共振回路のバンクは、直列に配置されている。好ましくは、第１リアクタンス受動素子は可変容量ダイオードとし、第２リアクタンス受動素子は誘導子とする。これらは、それぞれ、図示のようにセルＵＣ_ｉに並列に接続され、可変容量ダイオードの容量Ｃ_ｉおよび誘導子Ｌ_ｉのインダクタンスとともに並列ＬＣ共振回路を形成している。セルＵＣ_ｉが可変容量ダイオードに電圧のバイアスをかける機能を保証するので、このダイオードの容量値Ｃ_ｉは、セルＵＣ_ｉにより出力される電圧レベルＵ_ｉを反映する。したがって、共振回路（Ｌ_ｉ、Ｄ_ｉ）の共振周波数を測定することは、セルＵＣ_ｉにより出力される電圧を間接に測定する方法である。

この間接測定は、共振回路のバンクに給電する可変周波数ｆ_ｇ信号発生器１および共振ピークの位置を検知する手段２を含む共振回路を励起／検知する手段を使用して行われる。信号発生器により与えられた信号の周波数ｆ_ｇが共振回路（Ｄ_ｉ、Ｌ_ｉ）の共振周波数ｆｄ_ｉに一致するとき、励起されて発振している問題の共振回路に対応する共振ピークが曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ_ｇ）（図３）上に現れる。この励起／検知回路は、これらの図において可変周波数励起信号発生器を表す円と直列の検知回路２を表す矩形によりきわめて象徴的に示されている。この組み合わせは、共振回路のバンクの端子Ｅ_１およびＥ_２に並列に配置されている。

好ましくは、図示されているように、共振回路のそれぞれにおいて、少なくとも１つの減結合コンデンサＣｄを誘導子Ｌ_ｉと直列に設ける。この直列組み合わせそれ自体を可変容量ダイオードＤ_ｉと並列に配置する。これらの減結合コンデンサは、誘導子Ｌ_ｉをセルにより与えられるＤＣ電圧から遮断することを可能にする。

図１に示した例には、共振回路あたり１個、したがってＮ個の減結合コンデンサＣｄが存在する。

図２に示した変形は、共振回路の対が減結合コンデンサＣｄを共用している。この構成は、Ｎ＋１個の減結合コンデンサＣｄを設け、共振回路あたり２個の減結合コンデンサＣｄとし、１個の減結合コンデンサＣｄを対応セルＵＣ_ｉの各側に置く配置を可能にする。

各可変容量ダイオードは、関連セルＵＣ_ｉにより与えられる電圧により直接バイアスをかけるか、または、図１および２に示すように、抵抗器Ｒｐ経由とすることができる。この例では、抵抗器Ｒｐは、セルＵＣ_ｉの各端子と関連可変容量ダイオードとの間に直列に配置されている。Ｎ個のセルの場合、Ｎ＋１個の抵抗器Ｒｐが使用され、セルの対が所与の減結合抵抗器を共用する。

この抵抗器Ｒｐは、セルＵＣ_ｉおよび可変容量ダイオードＤ_ｉを含む可変容量ダイオードＤ_ｉのバイアス印加回路と可変容量ダイオードＤ_ｉおよび誘導子Ｌ_ｉにより形成される共振回路間の結合を弱めて小信号ＡＣ領域内とすることを可能にする。実際には、この抵抗器は約１０^６オームの高抵抗を有するが、ダイオードの逆バイアス電流は殆どゼロであるので、それはバイアス印加回路に影響を与えない。

セルの端子の両端に出力される基本電圧ＵＣ_ｉのいかなる変動も、可変容量ダイオードの容量の変動をもたらし、したがって、そのセルに関連する共振回路（Ｄ_ｉ、Ｌ_ｉ）の共振周波数の変動をもたらす。

この発明では、この変動の検知を利用してセルの状態に関する情報を収集する。

検知原理は、図３〜５に示されている。Ｎ＝６個セルのスタックを使用し、これらのセルに関連するＮ＝６個の共振回路がｆｎ_１からｆｎ_６の相異なる公称共振周波数を有する本発明の実施例を取り上げる。一般的に、共振回路のそれぞれの可変容量ダイオードおよび誘導子の特性は、セルのそれぞれの端子両端の公称電圧に関して、種々の所望公称共振周波数が最良のＱで得られ、それにより共振ピークの位置の正確な検知を推進するように選択される。

検知回路２は、Ｎ個の共振回路のバンクの端子Ｅ_１およびＥ_２の両端のインピーダンスの絶対値｜Ｚ｜のレベル（便宜上インピーダンスレベル）の評価を可能にする。このインピーダンス評価は、通常の方法、すなわち、端子Ｅ_１とＥ_２の両端の電圧および／または電流を測定すること、および使用される信号発生器１により発生される励起信号の電気的特性の関数として扱うことにより行われるが、この評価技法について詳細に説明する必要はない。

公称共振周波数ｆｎ_１〜ｆｎ_６はずらされているので、発生器１の周波数ｆ_ｇに伴うこのインピーダンスの変動の曲線は、Ｎ個のずれている共振ピークを有する。これらの共振回路は並列ＬＣ共振回路であるから、各共振ピークは、対応する公称共振周波数に等しい周波数ｆ_ｇにおいて得られるインピーダンス最大値に対応する。共振回路のバンクの端子間の曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ_ｇ）は、したがって図３に示す形状を有する。

電気化学発電装置により出力される電流の漸次減少を引き起こすスタックのセルの正常な一様な老化の場合、または電気化学発電装置の平均温度の変動の場合、各セルにより出力される電圧は、時間とともにほぼ同じように変化する。したがって、各共振回路の共振周波数は時間とともにほぼ同じように変化し、ほぼ一様な平行移動、すなわち、曲線の実質的な変形のない移動を経験する。これが図４の示している状態である。点線の曲線は、時刻ｔ_０において測定した公称曲線であり、実線の曲線は時刻ｔにおいて測定した新しい曲線である。

ただ１個のセルにおける電圧低下の場合、関連共振回路の共振周波数のみずれる。曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ_ｇ）上において、対応する共振ピークは隣接共振ピークに近づき、図５に示すように曲線の一般的な形状を変える。

したがって、曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ_ｇ）の経時的測定は、スタックのセルの状態の監視を可能にする。

実際に、これらの曲線を種々の方法により使用してセルの状態に関する情報を得ることができる。

ここで注目すべきは、検知された共振ピークの位置が各セルの端子間に出力される電圧の絶対値の測定を可能にすることである。検知された各共振ピークは、所与の共振回路に対応し、したがって所与のセルに対応する。したがって、共振ピークの位置は、対応する共振回路の共振周波数ｆｄ_ｉを与える。これらの共振回路の誘導子のインダクタンスは既知であるから、この共振周波数ｆｄ_ｉは、共振回路の可変容量ダイオードＤ_ｉの容量の値Ｃ_ｉの計算を可能とし（ｆｄ_ｉ＝１／２π（Ｌ_ｉ．Ｃ_ｉ）^１／２）、したがってセルにより与えられる電圧Ｕ_ｉを可変容量ダイオードの容量／電圧特性曲線を用いて決定することを可能にする。

しかし、本発明は、各セルにより与えられる電圧を測定することを必要とせずに、共振周波数測定を直接利用してセルの状態に関する情報を得ることを可能にする。

第１の実施例では、検知された各共振ピークの位置により与えられる絶対情報を使用して対応セルの状態の兆候を得る。したがって、この実施は、各共振ピークのその正常位置からの逸脱を評価することにある。

これは、検知された各共振ピークについて、対応する共振周波数と公称共振周波数間の逸脱を測定することより行い得る。したがって、図４のΔｆ_２およびΔｆ_３は、公称周波数からの２つの逸脱を示している。

１つの変形として、インピーダンスの逸脱Δ｜Ｚ｜を評価することも可能である。次に、それは、各共振回路について、共振回路の公称共振周波数に等しい周波数ｆ_ｇに関して検知されたインピーダンス・レベルとこのインピーダンスの公称レベル、すなわち、図３の「公称」曲線により与えられるレベル間の逸脱を評価する問題となる。

この測定は、図４に示されている。この図の実線の曲線は測定曲線であり、点線の曲線は公称曲線である。公称共振周波数ｆｎ_２の場合、この公称共振周波数ｆｎ_２における共振回路のバンクの端子間のインピーダンスの公称値は、ｚ_２である。それを測定曲線上の同一共振周波数ｆｎ_２におけるインピーダンスの値ｚ’_２と比較する。インピーダンスの逸脱Δｚ_２は、対応する共振回路の共振ピークの位置の変動をもたらす。

これらの周波数またはインピーダンスの逸脱と事前設定閾値との比較は、閾値が超えられたか否かの兆候を有利に与え得る。したがって、セルが故障しているがまだ生きているか、または永久に劣化したか否か決定することができる。

第１の実施例に代わるかまたはそれを補完できる別の実施例では、連続する共振ピーク間のずれ、すなわち差異ｆｄ_ｉ＋１−ｆｄ_ｉを測定する。これは、各セルの状態の兆候を与えるよりもむしろ、セル相互間の相対的一様性の数量的兆候を与える。簡略化して、図４に示されているように、曲線の一般的形状が時間とともに変化しない場合、これは、一様な変化を示し、セルにより与えられる電圧の一様な変化に対応する。装置の精度を高めるために、曲線から得られる兆候を他のセンサーから得られる情報と相関させることができる。たとえば、スタックのＮ個のセルの端子間の電圧Ｕの測定値を与えるセンサー４および／または発電装置中の温度θを局部的に測定する別のセンサー３。

次に、実際に、検知された２つの連続共振ピーク間のずれに、正常な状態におけるずれと対比して、異常があるか否か検知することを試みる。これが図５において示されていることである。２つの連続するずれの測定値は、公称共振周波数間の差異と比較される対応共振周波数間の差異により与えられる。たとえば、図５において、ｆｄ_４−ｆｄ_３に等しい検知された第３と第４のピーク間のずれは、ｆｎ_４−ｆｎ_３に等しい公称ずれとは異なることが分かるであろう。したがって、図５は、関連セル中の一様でない変化からもたらされた第２ピークと第３ピーク間、第３ピークと第４ピーク間、および第４ピークと第５ピーク間のずれの異常を示している。

図６および７は、本発明による制御回路の変形実施形態を示している。これは実現がより容易であり、その共振回路群は同一の素子から構成されているので、すべて同一の公称共振周波数ｆｎに合わされている。よって発生器１からの信号の周波数に伴うインピーダンスの変動の曲線は、公称周波数ｆｎを中心とする図６に示す実線の曲線の形状を有する。時間とともに、または、たとえば温度または出力電流などの動作条件に応じて、セルの状態は、一様な変化を経験するであろう。図６の点線の曲線により示されているように、異なる共振周波数ｆｄを中心としているが同一の一般的形状を有する曲線が得られる。

少なくとも１個のセル特有の不良の場合、インピーダンス曲線は変形し、かつ、主共振周波数ｆｄを中心とする中心ピークのほかに、「２次」共振周波数ｆｄを中心とする少なくとも１つの２番目のインピーダンス・ピークが現れる。１つ以上の２次ピークの検知は、スタックのセルの一様でない変化の兆候である。共振ピークのＱが高いほど、変形の検知は容易となる。

この実施形態は、すべて同一の共振回路を使用するので、実現が容易である。それは、セルのすべてにおける変化を監視することのみが求められる場合に使用されるであろう。有利なことにそれは、場合によっては、スタックのＮ個のセルの端子Ｇ_１、Ｇ_２間の電圧および／または発電装置の平均温度の測定と組み合わせることができる。

本発明の実際的な説明を目的として、電気化学ＰＥＭＦＣ（プロトン交換膜燃料電池または高分子電解質燃料電池）発電装置をシミュレートした。シミュレートされたスタックは、８個のＰＥＭＦＣセルから構成される。

制御回路は、これらのセルの電気的特性と対応させて定義されなければならない。その端子電圧は０．４ボルトからセルの開放回路電圧の１ボルトまで変化するが、０．４ボルトは下側の電圧限界であり、それより低くなると発熱またはセル破壊の危険が生ずる。大量使用されているＣＭＳ電子部品である製造業者部品番号ＢＢ２０２の可変容量ダイオードは、この電圧範囲の監視に適している。これは、０．３ボルトから１．５ボルトまでの逆バイアスの変化に対し、その容量が３０ピコファラッドから約１５ピコファラッドまで広く変化し、この動作範囲における正確な検知を可能にするからである。したがって、この可変容量ダイオードは、共振回路のそれぞれにおいて使用することができる。

種々の共振周波数を中心とする共振回路を使用する制御回路実施形態を選択した。したがって、１つの共振回路から次の共振回路へ誘導子Ｌ_ｉのインダクタンスを変える必要があった。それぞれ、１００ｎＨ、１５０ｎＨ、２２０ｎＨ、３３０ｎＨ、４７０ｎＨ、６８０ｎＨ、１０００ｎＨ、および１５００ｎＨのインダクタンスを有する製造業者部品番号ＡＴＣ １００８ ＷＬのＣＭＳ誘導子を８個の共振回路のリアクタンス素子Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４、Ｌ_５、Ｌ_６、Ｌ_７、Ｌ_８として使用した。

提案する誘導素子は、満足できるＱ、一般的にＬ_１で６０、Ｌ_８で２８を有している。

このシミュレーションでは、減結合抵抗器Ｒｐ，減結合コンデンサＣｄ、配線インピーダンス、および誘導素子のそれぞれのＱは、各共振回路に並列に接続された適切な抵抗値を有する抵抗器によりシミュレートされた。

図８〜１２は、得られた曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ_ｇ）を示している。

図８に示した曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ）（対数スケールの周波数軸）は、それぞれ１ボルトの公称電圧を出力するセルから得られた公称曲線である。この電圧が８個の共振回路のそれぞれの可変容量ダイオードに逆バイアス電圧として加えられている。実際には、この曲線は、検知回路２による共振回路のバンクの端子間の電圧および電流の測定により、周波数発生器１により与えられる励起信号の周波数の関数として得られる。

８つの共振ピークが得られるが、その位置は、公称共振周波数ｆｎ_１〜ｆｎ_８を与える。これらは、この例では、それぞれ、２８．９３ＭＨｚ、３５．５４ＭＨｚ、４３．１２ＭＨｚ、５１．８８ＭＨｚ、６１．９４ＭＨｚ、７５．９２ＭＨｚ、９２．０５ＭＨｚ、および１１２．４６ＭＨｚに等しい。

周波数ｆ_ｇの関数として、共振回路のバンクの端子間で測定された電流Ｉｓおよび電圧Ｕｓの曲線も図８に示されている。

曲線９〜１２は、周波数発生器１の励起周波数に伴うインピーダンス変動の曲線であり、一定の状況における発電装置の状況を反映している。それらは、一様なセルの挙動も、１つ以上の故障またはすべてのセルの一般的故障を明らかにする一様でない挙動も示している。

より具体的には、図９の曲線は、第４のセルにおける故障を示しており、対応する共振ピークは他のピークに比し、はっきり「ずれて」いる。より正確には、検知された共振ピークの位置は、それぞれ、２８．９３ＭＨｚ、３５．５１ＭＨｚ、４３．０５ＭＨｚ、４４．７ＭＨｚ、６１．９４ＭＨｚ、７５．９２ＭＨｚ、９２．０５ＭＨｚ、および１１２．４６ＭＨｚに等しい共振周波数ｆｄ_１〜ｆｄ_８を与える。したがって、すべての検知された共振周波数は、著しく異なっているすなわち７．１８ＭＨｚだけ異なるｆｄ_４を除いて、それらの公称値に等しいかまたは非常に近い。シミュレートされたこの例では、この周波数ｆｄ_４は、対応するセルにより与えられた０．４ボルトの電圧に対応する。したがって、このセルについて７ＭＨｚの閾値を定義することにより、検知された共振周波数ｆｄ_４と公称周波数ｆｎ_４間の逸脱を使用して、セルの低電圧限界に対応する閾値の超過を検知することができる。

図１０の曲線は、第４セルのみ公称動作状態に対応しているが（検知された周波数ｆｄ_４がその公称動作周波数ｆｎ_４に等しい）、その他のセルについては、検知された共振ピークの位置がそれらの公称値から非常に大きく異なる共振周波数を与えている別の状況を示す。検知されたピークは、これらのセルが、それぞれ、０．４ボルトの電圧を出力するシミュレーション状態に対応する。この例では、ｆｄ_１は２４．８７ＭＨｚに等しく、ｆｄ_２は３０．５３ＭＨｚに等しく、ｆｄ_３は３７．０４ＭＨｚに等しく、ｆｄ_５は５３．３３ＭＨｚに等しく、ｆｄ_６は６５．２６ＭＨｚに等しく、ｆｄ_７は７９．０７ＭＨｚに等しく、かつ、ｆｄ_８は９６．６ＭＨｚに等しい。検知された共振周波数のその公称値からの逸脱を測定すること、および／またはこの逸脱を低電圧限界に対応する閾値と比較することは、したがって、各セルの個々の状態を測定することを可能にする。この例では、セル４が公称値で動作しているのに対し、他のセルはすべて異常であることが分かる。２つの連続検知ピーク間の逸脱を測定すること、およびそれを公称逸脱値と比較することにより、一様でないセルの挙動の兆候が得られる。

図１１は、すべてのセルが異常であり、それらの端子に０．４ボルトのみ出力するシミュレーションに対応している。得られた曲線は全体として一様であるが、周波数が図８に対してずれている。上記のように、検知された各ピークの共振周波数を考察することによりセルのそれぞれの状態を評価すること、および／または検知されたピーク間のずれを考察することによりセルの一様または一様でない挙動を評価することができる。

最後に、図１２は、図１１における状態への中間状態を示す。この場合、各セルは、一様に０．７ボルトの電圧を出力している。この曲線は一様な変化を示しているが、周波数の逸脱は小幅であり、検知された共振周波数ｆｄ_１〜ｆｄ_８は、ここでは、それぞれ、２６．８７ＭＨｚ、３３．０１ＭＨｚ、４０．０６ＭＨｚ、４８．１９ＭＨｚ、５７．５４ＭＨｚ、７０．５２ＭＨｚ、８５．５１ＭＨｚ、および１０４．４７ＭＨｚに等しい。本発明に従って検知共振ピークの位置に基づいて行われる種々の測定は、各セルが悪いこと、および／または各セルが悪いが完全には悪くないこと（閾値を超えていない）および／またはセルの一様な挙動を示すことができる。

上述したように、これらのインピーダンス変動曲線から得た情報を特にＮ個のセルのスタックの端子の両端の電圧Ｕまたはさらには発電装置の平均温度θのような他の情報と組み合わせる準備を整えることができる。

提案する発明は、ガルバニック絶縁を容易に含むことができる。図１３に示した回路には変成器Ｔが設けられており、その２次巻線Ｂ２から共振器回路（Ｌ_ｉ、Ｄ_ｉ）に給電されている。図示の例では、２次巻線は、減結合コンデンサＣｄ’経由で共振回路のバンクの端子Ｅ_１、Ｅ_２に接続されている。減結合コンデンサＣｄ’は、図示された構成では、減結合コンデンサＣｄが各誘導素子と直列に直接接続されるので、必要である。１次巻線Ｂ１は、発生器１と測定回路２の直列組み合わせの端子に接続される。

直前に行った説明では、「可変容量」素子と並列に配置された素子は、誘導子である。これらの誘導子を共振回路で置き換える有利な着想がある。これらの共振回路は、場合により完成共振回路がより高いＱを有することを可能にするであろう。たとえば、誘導子Ｌ_ｉの代わりに水晶振動子のような素子を使用することも考えられる。

他の変形も考えられる。特に、直前に説明した実施形態は、全面的配線方法による実施を指している。

部分配線版、セルによる共振回路のバイアス印加のための配線接続、周波数励起および／または検知のための無線接続も考えられる。図１４〜１６は、それらの象徴的説明である。

図１４に示されている１つの変形として、変成器Ｔの２次巻線は、共振回路の誘導アンテナＬ_ｉにより形成される基本巻線Ｂ_２ｉにより形成されている。

検知手段が共振回路のリアクタンス素子により生成されたＡＣ信号（それは共振回路のＡＣ領域における特徴を示す）を受信するための誘導アンテナのネットワーク（変成器Ｔを形成する）を含む別の変形（図示せず）も考えられる。これらの共振回路は、周波数発生器により配線接続経由で給電される。すなわち、周波数発生器１は、共振回路のバンクの端子Ｅ_１およびＥ_２に配線により接続される。この変形は、行われる測定の品質の向上を可能にするが、基本電圧情報は依然として無線で送られる。

図１５および１６は、無線周波アンテナを使用する別の部分配線版を示す。この構成では、共振回路は、それぞれ、アンテナＡ’により励起される無線周波アンテナＡ_ｉを含む。周波数ｆ_ｇがセルに関連する共振回路の共振周波数に一致するとき、アンテナＡ’により経験される等価インピーダンスは、極値となる。この変形は、図１５および１６において記号により表示されている検知回路のアンテナまたは別のアンテナを使用することができる。

図１５の版では、各放射無線アンテナは関連共振回路の誘導子Ｌ_ｉと直列に配置され、かつ、減結合コンデンサＣｄの機能も有利に与えている。この機能は、もしこの機能がなければ誘導子Ｌ_ｉの寄生抵抗のみにより経験されるＤＣ電圧成分を抑止することを可能にしている。図１６の版では、放射無線アンテナは、誘導子Ｌ_ｉと並列に配置されている。好ましくは、この場合、図１および図２を参照して説明したように、少なくとも１つの減結合コンデンサＣｄを誘導子と直列に配置する。

図１７は、共振回路の別の変形実施形態を示している。これらの共振回路は、交互配置構成を有している。したがって、ランクｎ＝１〜ＮのＮ個のセルのスタックにおいて、ランクｎの可変容量ダイオードＤ_ｎは、ランク１〜ｎのｎ個のセルの端子の両端の電圧により直接または図示のように抵抗器Ｒｐ経由でバイアスをかけられる。可変容量ダイオードＤ_ｎに関連するランクｎの共振回路は、可変容量ダイオードＤ_ｎの両端に並列に接続されているｎ個の誘導子Ｌ_１〜Ｌ_ｎの直列バンクを含んでおり、また、各誘導子は、ｎ個のセルの１つに直列に接続されている。

したがって、ダイオードＤ_ｎは、ｎ個のセルの端子の両端に出力される電圧によりバイアスをかけられ、そして、関連ランクｎの共振回路は、ランク１〜ｎのｎ個のセルの端子の両端の電圧Ｕ１＋Ｕ２＋．．．Ｕｎの監視を可能にする。これらの可変容量ダイオードは、すべて、種々の電圧によりバイアスをかけられるので、それぞれのダイオードは、監視される異なる電圧範囲に対応するように選ばなければならない。

対照的に、この構成は、同一インダクタンスを有するＮ個の誘導子の使用を可能にする。

検知された共振ピークの位置を利用して各基本セルの状態を測定することは、それらが共振回路と交互配置されるために、実行上、より複雑である。

ここで注目すべきは、図１７が、全面的配線式の実現および隣接共振回路と共有されている直列減結合コンデンサの存在を示していることである。記述されたすべての変形は、特にそれが減結合コンデンサまたは部分配線版のいずれに関するものであれ、共振回路の交互配置構造に適用することができる。最後に、交互配置構造では、図示したように、可変容量ダイオードを交互配置することもできる。それは、誘導子、または可変容量ダイオードと誘導子さえ交互配置することができる。

図１８および１９は、並列ではなく直列のＬＣ共振回路を使用する本発明の別の実現を示している。この場合、共振ピークは、図１９に示すように、インピーダンス極小に対応する。曲線｜Ｚ｜＝ｇ（ｆ_ｇ）を利用する原理は、並列ＬＣ共振回路について説明した原理と同じである。

ここで注目すべきは、一定の応用、特に電源応用は、１つの一体型スタックに結合されるか、またはＮ個の連続セルのパックに分離される非常に多くのセルを含む電気化学発電装置を必要とすることである。これらの発電装置の場合、セルの監視を要する測定頻度が低いので、ｎ個のセルのグループの監視をただ１つの励起／検知回路のみを使用して多重化方法により行う方式が完全に可能になる。この方式では、この励起／検知回路は、セルの各グループの共振回路の端子に次々に連続して接続される。

従って、前述した本発明は、スタックの各セルに関連する全面的受動局部回路を含む監視装置を提供する。これらの回路は、すべて、同一のただ１つの外部電源すなわち、連続周波数掃引によりこれらのセルの電圧の測定を可能にする可変周波数発生器により励起される。本発明は、電気化学発電装置への一体化を可能とし、かつ、配線構成において必要な測定ワイヤは電気化学発電装置スタックあたり２本のみであり、また、無線実現も可能であるので、接続条件における相当な長所をもたらす。

Claims (19)

1. Ｎが２以上の整数であり、直列に電気的に接続されるＮ個のセル（ＵＣｉ）からなる少なくとも１つのスタックを含み、かつ、これらのセルの端子間の電圧を制御する手段を備える電気化学発電装置であって、前記制御する手段が、
   − 各セル（ＵＣ_ｉ）を制御するための
   − 端子間のＤＣ電圧に応じて変化するインピーダンスを有する第１リアクタンス受動素子（Ｄ_ｉ）であって、制御される前記セル（ＵＣ_ｉ）または制御される前記セルを含む直列セルのグループにより出力される電圧によりバイアスをかけられる、第１リアクタンス受動素子（Ｄ_ｉ）と、
   − 前記第１リアクタンス受動素子とともに、前記セルまたは前記セルのグループにより出力される公称バイアス電圧に関わる事前設定公称共振周波数（ｆｎ_ｉ）を有する直列または並列共振回路を形成する少なくとも１つの第２リアクタンス受動素子（Ｌ_ｉ）と、
   − Ｎ個の共振回路のバンクに給電する可変周波数（ｆ_ｇ）信号発生器（１）と、
   − このように給電された前記バンクの共振ピークの位置を検知する手段（２）であって、検知されたピークに対応する共振周波数（ｆｄ_ｉ）と公称共振周波数（ｆｎ_ｉ）間の逸脱の兆候を与える手段と
   を含むことを特徴とする電気化学発電装置。
2. 前記共振回路が直列に配置され、各共振回路の前記第１リアクタンス受動素子が直接または抵抗器（Ｒｐ）経由で被制御セル（ＵＣ_ｉ）の電圧を供給される請求項１に記載の電気化学発電装置。
3. 前記第１リアクタンス受動素子が可変容量ダイオードであり、かつ、前記第２リアクタンス受動素子が誘導子であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学発電装置。
4. 前記第１リアクタンス受動素子が可変容量ダイオードであり、かつ、前記第２リアクタンス受動素子が水晶振動子であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学発電装置。
5. 前記Ｎ個の共振回路がそれぞれ互いに異なる公称共振周波数を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気化学発電装置。
6. 前記Ｎ個の共振回路が同一の公称共振周波数を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気化学発電装置。
7. 前記共振ピークの位置を検知する前記手段が、検知された共振ピークの位置と共振回路の前記公称共振周波数に対応する公称位置と呼ばれるものとの間の逸脱の兆候を与える請求項５または６に記載の電気化学発電装置。
8. 前記共振ピークの位置を検知する前記手段が、検知された共振ピークの位置とその公称位置との間の逸脱の閾値超過の兆候を与える請求項７に記載の電気化学発電装置。
9. 前記共振ピークの位置を検知する前記手段が、共振ピーク間の相対的ずれを分析することによりセルの前記バンクの一様性の数量的兆候を与える請求項５または６に記載の電気化学発電装置。
10. 前記共振ピークの位置を検知する前記手段が共振回路の前記公称共振周波数に等しい発生器周波数（ｆ_ｇ）におけるＮ個の共振回路のバンクの端子（Ｅ_１、Ｅ_２）両端間で検知されたインピーダンス・レベルと、同一の周波数および対応するセルにより与えられる公称電圧に関わる公称インピーダンス・レベルと呼ばれるものとの間の逸脱の兆候を与える請求項５または６に記載の電気化学発電装置。
11. 前記共振ピークの位置を検知する前記手段が、検知された前記インピーダンス・レベルと前記公称インピーダンス・レベルとの間の逸脱の閾値超過の兆候を与える請求項１０に記載の電気化学発電装置。
12. 前記共振回路が前記可変周波数信号発生器（１）により共振回路の前記バンクの端子（Ｅ_１、Ｅ_２）への配線接続経由で励起される請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電気化学発電装置。
13. 前記共振回路が前記可変周波数信号発生器（１）により前記共振回路を励起する２次巻線（Ｂ２）を有する変成器（Ｔ）経由で給電される請求項１２に記載の電気化学発電装置。
14. 前記共振回路が前記可変周波数信号発生器（１）により前記共振回路の前記第２リアクタンス受動素子（Ｌ _ｉ ）により形成される２次巻線（Ｂ_２１、Ｂ_２Ｎ）を含む変成器（Ｔ）経由で励起される請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電気化学発電装置。
15. 前記共振ピークの位置を検知する前記手段（２）が前記共振回路のＡＣ領域における特徴を受信するための変成器を含む請求項１２に記載の電気化学発電装置。
16. 前記共振ピークの位置を検知する前記手段（２）が前記共振回路のＡＣ領域における特徴を受信するための誘導アンテナの配列を含む請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電気化学発電装置。
17. 前記共振回路が、それぞれ、前記共振回路の前記誘導子（Ｌ_ｉ）のそれぞれと直列または並列に配置されて対応共振回路の前記共振周波数の信号を発射するアンテナ（Ａ_ｉ）を含み、かつ、前記共振ピークの位置を検知する前記手段が前記共振回路の前記アンテナにより発射される前記信号を受信する無線周波数アンテナ（Ａ’）を含む請求項３に記載の電気化学発電装置。
18. 前記共振回路の前記アンテナ（Ａ_ｉ）が前記誘導子（Ｌ_ｉ）と直列に接続され、かつ、これらの誘導子中のＤＣ電圧成分を除去するために減結合要素として働く請求項１７に記載の電気化学発電装置。
19. 請求項１〜１８のいずれか一項に記載の電気化学発電装置であって、前記セルの端子間の電圧を制御する手段が、前記共振ピークの位置を検知する前記手段からの兆候と電気化学発電装置の出力端子両端の合計電圧（Ｕ）の測定値または局部温度測定値とを相関させる電気化学発電装置。

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