JP3936187B2

JP3936187B2 - Voltage measuring apparatus and method, and battery pack system

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Publication number: JP3936187B2
Application number: JP2001398114A
Authority: JP
Inventors: 裕文湯田平
Original assignee: パナソニック・イーブイ・エナジー株式会社
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003197273A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電気自動車（ＰＥＶ）やハイブリッド車両（ＨＥＶ）等に用いられ、二次電池の電圧レベルを測定する電圧測定装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＨＥＶでは、走行に必要な動力に対してエンジンからの出力が大きい場合には、余剰の動力で発電機を駆動して二次電池の充電が行われる。逆に、エンジンからの出力が小さい場合には、二次電池の電力を用いてモータを駆動して不足の動力を出力する。この場合、二次電池の放電が行われる。かかる充放電等を制御して適正な動作状態に維持することが、二次電池をＨＥＶ等に搭載する場合に要求される。
【０００３】
そのために、電池の電圧等を測定して、その電圧レベルに基づいて、二次電池の電圧低下を判断したり、二次電池の残存容量を演算により推定し、充放電等を制御している。
【０００４】
図６は、従来のサンプルホールド方式による電圧測定装置の一構成例を示す回路ブロック図である。図６において、１０は直列に接続された複数の二次電池（例えば、Ｎｉ−ＭＨ二次電池）で構成された電池パックで、２０は電圧検出部で、３０’はマイクロコンピュータ等で構成される電池用の電子制御ユニット（以下、電池ＥＣＵと略称する）である。
【０００５】
電圧検出部２０は、電池パック１０からの電流を制限する抵抗素子２０１および２０２と、サンプルホールド用のスイッチとして機能するリレー（ＲＬ１）２０３と、リレー２０３のオン時に抵抗素子２０１、２０２を介して充電され、リレー２０３のオフ時に充電電圧を保持する容量素子２０４と、容量素子２０４に充電された電荷を放電するためのリレー（ＲＬ２）２０５とで構成される。
【０００６】
電池ＥＣＵ３０’には、電圧測定部３０１’が含まれ、電圧測定部３０１’は、リレー２０３をオン状態且つリレー２０５をオフ状態に制御して、容量素子２０４に保持された電圧（Ｖｃ）を電池電圧（Ｖｂ）として測定する。
【０００７】
次に、このように構成された従来の電圧測定装置の動作について、図７および図８を参照して説明する。
【０００８】
図７は、リレー２０３がオンになってから容量素子２０４に充電される電圧Ｖｃの充電時間ｔに対する変化を示すグラフで、図８は、従来の電圧測定ルーチンにおける処理手順を示すフローチャートである。
【０００９】
図７において、電圧Ｖｃは以下の式（１）で表される。
【００１０】
Ｖｃ＝Ｖｂ［１−ｅ^{-(t-ton+toff)/(R1+R2)C}］ …（１）
ここで、ｔｏｎ、ｔｏｆｆはそれぞれリレー２０３のターンオン時間、ターンオフ時間、Ｒ１は抵抗素子２０１の抵抗値、Ｒ２は抵抗素子２０２の抵抗値、Ｃは容量素子２０４の容量値である。
【００１１】
図８において、まず、電圧測定部３０１’がリレー２０３（ＲＬ１）をオン状態に制御して（Ｓ８０１）、電池パック１０から容量素子２０４への充電を開始させる。これにより、電圧Ｖｃが図７に示す充電カーブで上昇していき、充電時間ｔが、電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂにほぼ等しくなる（例えば、Ｖｃ０＝０．９９９Ｖｂ）時間ｔ０に達したか否かを判断する（Ｓ８０２）。この時間ｔ０は、上記式（１）に示すように、初期状態における回路パラメータであるｔｏｎ、ｔｏｆｆ、Ｒ１、Ｒ２、Ｃの値に基づいて予め設定される。
【００１２】
ステップＳ８０２の判断で、充電時間ｔがｔ０に達した場合（Ｙｅｓ）、電圧測定部３０１’は、その時の電圧ＶｃであるＶｃ０を電池電圧Ｖｂとして取得し（Ｓ８０３）、リレー２０３（ＲＬ１）をオフ状態、リレー２０５（ＲＬ２）をオン状態に制御して（Ｓ８０４）、容量素子２０４に充電された電荷の放電が完了すると、ＲＬ２をオフ状態にする（Ｓ８０５）。
【００１３】
以上のような動作により、電池電圧Ｖｂが測定される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の電圧測定装置では、容量素子２０４への充電がほぼ１００％（例えば、９９．９％）になるまでリレー２０３をオン状態にし続けるので、電圧測定に要する時間が長くなってしまう。
【００１５】
また、電池パック１０に接続される高電圧回路として、例えば交流モータを駆動制御するインバータ等からのスイッチングノイズの影響を低減するために、電圧検出部２０の抵抗素子２０１、２０２の抵抗値および容量素子２０４の容量値は大きいほど良い。しかし、抵抗素子２０１、２０２の抵抗値および容量素子２０４の容量値を大きくすると、電圧測定に要する時間がさらに長くなる、という問題があった。
【００１６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次電池の電圧測定に要する時間を短縮し、かつ耐ノイズ性も向上させた電圧測定装置および方法、並びにかかる装置および方法を用いた電池パックシステムを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第１の電圧測定装置は、スイッチ素子のオン動作により、二次電池から抵抗素子を介して容量素子に充電された電圧を検出する電圧検出部を有し、電圧検出部により検出された電圧に基づいて二次電池の電圧を測定する電圧測定装置であって、二次電池の電圧測定に必要な情報を格納する記憶部と、記憶部に格納された情報を用いて、電圧検出部により検出された電圧に所定の演算を施すことにより、二次電池の電圧を求める電圧算出部とを備え、記憶部は、情報として、容量素子に充電される電圧が二次電池の電圧にほぼ達した第１の充電時間で電圧検出部により検出された第１の電圧値と、第１の充電時間よりも短い第２の充電時間で電圧検出部により検出された第２の電圧値とに基づいた演算係数を予め格納しており、電圧算出部は、第２の充電時間で電圧検出部により検出された第３の電圧値に演算係数を乗算して、二次電池の電圧を求めることを特徴とする。
【００１８】
第１の電圧測定装置において、第１の電圧値をＶｃ０、第２の電圧値をＶｃ１とした場合、演算係数は、Ｖｃ０／Ｖｃ１で表されることを特徴とする。
【００１９】
上記第１の電圧測定装置によれば、初期設定時（１回目の電圧測定時）に、非常に長い充電時間に相当する第１の充電時間（ｔ０）で検出された、電池電圧Ｖｂにほぼ等しい第１の電圧値Ｖｃ０（例えば、０．９９９Ｖｂ）と、非常に短い充電時間に相当する第２の充電時間（ｔ１）で検出された第２の電圧値Ｖｃ１とから求めた演算係数Ｖｃ０／Ｖｃ１を予め格納することで、２回目以降の電圧測定時には、第２の充電時間（ｔ１）で検出された第３の電圧値（Ｖｃ１’）に演算係数Ｖｃ０／Ｖｃ１を乗算するだけで、電池電圧Ｖｂを短時間で測定することができる。
【００２０】
この短時間で電池電圧Ｖｂの測定が可能になるという利点のため、充電時定数を決定する抵抗素子の抵抗値および容量素子の容量値を大きくすることができ、例えば二次電池が高電圧バッテリとしてＨＥＶ等に塔載される場合、高電圧バッテリ、インバータ、モータ等を含む高電圧回路からのノイズの影響を低減して、耐ノイズ性を向上させることが可能になる。
【００２１】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第２の電圧測定装置は、スイッチ素子のオン動作により、二次電池から抵抗素子を介して容量素子に充電された電圧を検出する電圧検出部を有し、電圧検出部により検出された電圧に基づいて二次電池の電圧を測定する電圧測定装置であって、二次電池の電圧測定に必要な情報を格納する記憶部と、記憶部に格納された情報を用いて、電圧検出部により検出された電圧に所定の演算を施すことにより、二次電池の電圧を求める電圧算出部とを備え、電圧算出部は、容量素子への充電が開始された直後の第１の充電時間で電圧検出部により検出された第１の電圧値と、第１の充電時間が経過した直後の第２の充電時間で電圧検出部により検出された第２の電圧値とに、記憶部に予め格納されている所定の演算情報を用いた演算を施すことにより、二次電池の電圧を求めることを特徴とする。
【００２２】
第２の電圧測定装置において、第１の充電時間をｔ１、第１の電圧値をＶｃ１、第２の充電時間をｔ２、第２の電圧値をＶｃ２、抵抗素子と容量素子で決まる時定数をＴ、二次電池の電圧をＶｂとした場合、演算情報は、
Ｖｂ＝（Ｖｃ１−Ｖｃ２・ｅ^-(t1-t2)/T）／（１−ｅ^-(t1-t2)/T）
という関係式で表される。
【００２３】
上記第２の電圧測定装置によれば、第１の電圧測定装置のように、初期設定時に、非常に長い充電時間に相当する第１の充電時間で、電池電圧Ｖｂにほぼ等しい第１の電圧値Ｖｃ０を予め検出する必要がなくなる。
【００２４】
また、上記演算情報にはスイッチ素子のターンオン時間ｔｏｎおよびターンオフ時間ｔｏｆｆのパラメータが含まれないので、環境温度や使用電圧の変動の影響を受けるスイッチング時間の要因を削除することができ、高速および高精度な電圧測定が可能になる。特に、二次電池が高電圧バッテリとしてＨＥＶ等に塔載される場合、高電圧バッテリ、インバータ、モータ等を含む高電圧回路と、低電圧バッテリ、制御回路、音響機器等を含む低電圧回路との間の絶縁を十分にとるために、スイッチ素子として例えばフォトＭＯＳリレーが用いられる。この場合、電気信号から光信号、光信号から電気信号への変換を要するため、スイッチング時間が大きくなるが、電池電圧Ｖｂの算出にスイッチング時間の要因が含まれないので、特に効果的となる。
【００２５】
また、さらに短時間で電池電圧Ｖｂの測定が可能になるという利点のため、充電時定数を決定する抵抗素子の抵抗値および容量素子の容量値を大きくすることができ、高電圧回路からのノイズの影響を低減して、耐ノイズ性を向上させることが可能になる。
【００２６】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第１の電池パックシステムは、第１または第２の電圧測定装置と、二次電池とを備え、電圧測定装置はコンピュータシステムの一部として構成されることを特徴とする。
【００２７】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第１の電圧測定方法は、スイッチ素子のオン動作により、二次電池から抵抗素子を介して容量素子に充電される電圧に基づいて、二次電池の電圧を測定する電圧測定方法であって、容量素子に充電される電圧が二次電池の電圧にほぼ達した第１の充電時間での容量素子の充電電圧である第１の電圧値と、第１の充電時間よりも短い第２の充電時間での容量素子の充電電圧である第２の電圧値とに基づいた演算係数を予め格納する工程と、第２の充電時間での容量素子の充電電圧を第３の電圧値として検出する工程と、検出された第３の電圧値に演算係数を乗算して、二次電池の電圧を求める工程とを含むことを特徴とする。
【００２８】
第１の電圧測定方法において、第１の電圧値をＶｃ０、第２の電圧値をＶｃ１とした場合、演算係数は、Ｖｃ０／Ｖｃ１で表される。
【００２９】
上記第１の電圧測定方法によれば、初期設定時（１回目の電圧測定時）に、非常に長い充電時間に相当する第１の充電時間（ｔ０）で検出された、電池電圧Ｖｂにほぼ等しい第１の電圧値Ｖｃ０（例えば、０．９９９Ｖｂ）と、非常に短い充電時間に相当する第２の充電時間（ｔ１）で検出された第２の電圧値Ｖｃ１とから求めた演算係数Ｖｃ０／Ｖｃ１を予め格納することで、２回目以降の電圧測定時には、第２の充電時間（ｔ１）で検出された第３の電圧値（Ｖｃ１’）に演算係数Ｖｃ０／Ｖｃ１を乗算するだけで、電池電圧Ｖｂを短時間で測定することができる。
【００３０】
この短時間で電池電圧Ｖｂの測定が可能になるという利点のため、充電時定数を決定する抵抗素子の抵抗値および容量素子の容量値を大きくすることができ、例えば二次電池が高電圧バッテリとしてＨＥＶ等に塔載される場合、高電圧バッテリ、インバータ、モータ等を含む高電圧回路からのノイズの影響を低減して、耐ノイズ性を向上させることが可能になる。
【００３１】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第２の電圧測定方法は、スイッチ素子のオン動作により、二次電池から抵抗素子を介して容量素子に充電される電圧に基づいて、二次電池の電圧を測定する電圧測定方法であって、容量素子への充電が開始された直後の第１の充電時間での容量素子の充電電圧を第１の電圧値として検出し格納する工程と、第１の充電時間が経過した直後の第２の充電時間での容量素子の充電電圧を第２の電圧値として検出し格納する工程と、格納された第１および第２の電圧値に所定の演算情報を用いた演算を施すことにより、二次電池の電圧を求める工程とを含むことを特徴とする。
【００３２】
第２の電圧測定方法において、第１の充電時間をｔ１、第１の電圧値をＶｃ１、第２の充電時間をｔ２、第２の電圧値をＶｃ２、抵抗素子と容量素子で決まる時定数をＴ、二次電池の電圧をＶｂとした場合、演算情報は、
Ｖｂ＝（Ｖｃ１−Ｖｃ２・ｅ^-(t1-t2)/T）／（１−ｅ^-(t1-t2)/T）
という関係式で表される。
【００３３】
上記第２の電圧測定方法によれば、第１の電圧測定方法のように、初期設定時に、非常に長い充電時間に相当する第１の充電時間で、電池電圧Ｖｂにほぼ等しい第１の電圧値Ｖｃ０を予め検出する必要がなくなる。
【００３４】
また、上記演算情報にはスイッチ素子のターンオン時間ｔｏｎおよびターンオフ時間ｔｏｆｆのパラメータが含まれないので、環境温度や使用電圧の変動の影響を受けるスイッチング時間の要因を削除することができ、高速および高精度な電圧測定が可能になる。特に、二次電池が高電圧バッテリとしてＨＥＶ等に塔載される場合、高電圧バッテリ、インバータ、モータ等を含む高電圧回路と、低電圧バッテリ、制御回路、音響機器等を含む低電圧回路との間の絶縁を十分にとるために、スイッチ素子として例えばフォトＭＯＳリレーが用いられる。この場合、電気信号から光信号、光信号から電気信号への変換を要するため、スイッチング時間が大きくなるが、電池電圧Ｖｂの算出にスイッチング時間の要因が含まれないので、特に効果的となる。
【００３５】
また、さらに短時間で電池電圧Ｖｂの測定が可能になるという利点のため、充電時定数を決定する抵抗素子の抵抗値および容量素子の容量値を大きくすることができ、高電圧回路からのノイズの影響を低減して、耐ノイズ性を向上させることが可能になる。
【００３６】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第２の電池パックシステムは、第１または第２の電圧測定方法が実施されるコンピュータシステムと、二次電池とを備えたことを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電圧測定装置の一構成例を示す回路ブロック図である。なお、図１において、従来例を示す図６と同じ構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
本実施形態が従来例と異なるのは、電池ＥＣＵ３０に、電圧測定部３０１’の代わりに、電圧検出部２０により検出された電圧Ｖｃに基づいて、演算により、電池電圧Ｖｂを算出する電圧算出部３０１と、電池電圧Ｖｂの算出に必要な情報を格納する記憶部３０２とを設けた点にある。
【００４０】
記憶部３０２には、初期設定時に、電池電圧Ｖｂの算出に必要な情報として演算係数（Ａ）が格納される参照テーブル（ＬＵＴ）３０２１が含まれる。電圧算出部３０１は、電圧測定時に、検出された電圧Ｖｃに、ＬＵＴ３０２１からの演算係数Ａを乗算して、電池電圧Ｖｂを算出する。
【００４１】
次に、このように構成された電圧測定装置の動作について、図２および図３を参照して説明する。
【００４２】
図２は、本実施形態による電池電圧Ｖｂの測定方法を説明するための電圧Ｖｃの充電時間ｔに対する変化を示すグラフで、図３は、本実施形態の初期設定ルーチンおよび電圧測定ルーチンにおける処理手順を示すフローチャートである。
【００４３】
図２において、電圧Ｖｃは、従来例で説明した式（１）で表され、実線の曲線は、電池パック１０の初期状態（電池電圧Ｖｂ）における容量素子に充電される充電カーブを示し、破線の曲線は、電池パック１０の放電により電池電圧Ｖｂが低下した状態（電池電圧Ｖｂ’）における充電カーブを示している。
【００４４】
図３の初期設定ルーチンにおいて、まず、電圧算出部３０１がリレー２０３（ＲＬ１）をオン状態に制御して（Ｓ３０１）、電池パック１０から容量素子２０４への充電を開始させる。これにより、電圧Ｖｃが図２の実線に示す充電カーブで上昇していき、充電時間ｔが、電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂにほぼ等しくなる（例えば、Ｖｃ０＝０．９９９Ｖｂ）時間ｔ０に達したか否かを判断する（Ｓ３０２）。この時間ｔ０は、上記式（１）に示すように、初期状態における回路パラメータであるｔｏｎ、ｔｏｆｆ、Ｒ１、Ｒ２、Ｃの値に基づいて予め設定される。
【００４５】
ステップＳ３０２の判断で、充電時間ｔがｔ０に達した場合（Ｙｅｓ）、電圧算出部３０１は、その時の電圧ＶｃであるＶｃ０を電池電圧Ｖｂとして取得し（Ｓ３０３）、リレー２０３（ＲＬ１）をオフ状態、リレー２０５（ＲＬ２）をオン状態に制御して（Ｓ３０４）、容量素子２０４に充電された電荷の放電が完了すると、ＲＬ２をオフ状態、ＲＬ１をオン状態に制御する（Ｓ３０５）。
【００４６】
これにより、電池パック１０から容量素子２０４への充電が再開し、電圧Ｖｃがやはり図２の実線に示す充電カーブで上昇していき、充電時間ｔが、時間ｔ０に比べて非常に短い時間ｔ１に達したか否かを判断する（Ｓ３０６）。この時間ｔ１は、電圧算出部３０１がその時の電圧Ｖｃ１を安定して取得できる時間（電池ＥＣＵのクロックレート等に依存）として予め設定される。
【００４７】
ステップＳ３０６の判断で、充電時間ｔがｔ１に達した場合（Ｙｅｓ）、電圧算出部３０１は、その時の電圧Ｖｃ１と、ステップＳ３０３で電池電圧Ｖｂとして取得した電圧Ｖｃ０とから、演算係数Ａを
Ａ＝Ｖｃ０／Ｖｃ１ …（２）
で表される式（２）により求め、記憶部３０２のＬＵＴ３０２１に格納する（Ｓ３０７）。
【００４８】
なお、この式（２）は、上記式（１）において、Ｖｂ＝Ｖｃ０、ｔ＝ｔ１として、式（１）を変形した場合の、
［１−ｅ^{-(t1-ton+toff)/(R1+R2)C}］^-1＝Ｖｃ０／Ｖｃ１ …（３）
で表される式（３）から導かれる。
【００４９】
次に、リレー２０３（ＲＬ１）をオフ状態、リレー２０５（ＲＬ２）をオン状態に制御して（Ｓ３０８）、容量素子２０４に充電された電荷の放電が完了すると、ＲＬ２をオフ状態に制御する（Ｓ３０９）。
【００５０】
以上のようにして、演算係数Ａを求める初期設定ルーチンが終了する。
【００５１】
次に、電池電圧Ｖｂを測定するタイミングになると、図３の電圧測定ルーチンに入る。電圧測定ルーチンにおいて、まず、電圧算出部３０１がリレー２０３（ＲＬ１）をオン状態に制御して（Ｓ３１０）、電池パック１０から容量素子２０４への充電を開始させる。これにより、今度は、電池電圧ＶｂがＶｂ’に低下しているため、電圧Ｖｃが図２の破線に示す充電カーブで上昇していき、充電時間ｔが、初期設定ルーチンのステップ３０６における設定時間ｔ１に達したか否かを判断する（Ｓ３１１）。
【００５２】
ステップＳ３１１の判断で、充電時間ｔがｔ１に達した場合（Ｙｅｓ）、電圧算出部３０１は、その時の電圧Ｖｃ１’を取得し、電圧Ｖｃ１’に、初期設定ルーチンのステップＳ３０７で格納した演算係数Ａを乗算して、電池電圧Ｖｂ’を算出する（Ｓ３１２）。この演算は、初期状態で電圧Ｖｃ１を取得した時間と、電池電圧ＶｂがＶｂ’に低下している状態で電圧Ｖｃ１’取得した時間とを同じ充電時間ｔ１に設定することで、Ｖｃ１とＶｃ１’との比例関係がＶｂ（Ｖｃ０）とＶｂ’との比例関係に等しいということに基づいている。
【００５３】
次に、リレー２０３（ＲＬ１）をオフ状態、リレー２０５（ＲＬ２）をオン状態に制御して（Ｓ３１３）、容量素子２０４に充電された電荷の放電が完了すると、ＲＬ２をオフ状態に制御する（Ｓ３１４）。
【００５４】
このようにして、電池電圧Ｖｂ’を演算により推定することができる。
【００５５】
以上のように、本実施形態によれば、初期設定時（１回目の電圧測定時）に、非常に長い充電時間に相当する第１の充電時間ｔ０で検出された、電池電圧Ｖｂにほぼ等しい第１の電圧値Ｖｃ０（例えば、０．９９９Ｖｂ）と、非常に短い充電時間に相当する第２の充電時間ｔ１で検出された第２の電圧値Ｖｃ１とから求めた演算係数Ｖｃ０／Ｖｃ１を予め格納することで、２回目以降の電圧測定時には、第２の充電時間ｔ１で検出された第３の電圧値Ｖｃ１’に演算係数Ｖｃ０／Ｖｃ１を乗算するだけで、電池電圧Ｖｂを短時間で測定することができる。
【００５６】
この短時間で電池電圧Ｖｂの測定が可能になるという利点のため、充電時定数を決定する抵抗素子２０１、２０２の抵抗値および容量素子２０４の容量値を大きくすることができ、例えば電池パック１０が高電圧バッテリとしてＨＥＶ等に塔載される場合、電池パック１０、インバータ、モータ等を含む高電圧回路からのノイズの影響を低減して、耐ノイズ性を向上させることが可能になる。
【００５７】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、図３の初期設定ルーチンで、電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂにほぼ等しくなる非常に長い時間ｔ０まで充電を続ける必要があったが、本発明の第２の実施形態は、この非常に長い時間ｔ０まで充電を続ける必要性をなくすものである。
【００５８】
なお、第２の実施形態に係る電圧測定装置の構成は、図１に示す第１の実施形態の構成と同じであるが、電圧算出部３０１の機能と記憶部３０２に格納される演算情報が異なる。よって、以下では、本実施形態による電圧測定動作について、図４および図５を参照して説明する。
【００５９】
図４は、本実施形態による電池電圧Ｖｂの測定方法を説明するための電圧Ｖｃの充電時間ｔに対する変化を示すグラフで、図５は、本実施形態の電圧測定ルーチンにおける処理手順を示すフローチャートである。
【００６０】
図４において、電圧Ｖｃは、やはり従来例で説明した式（１）で表され、実線の曲線は、電池パック１０の電池電圧がＶｂである状態における充電カーブを示し、破線の曲線は、電池パック１０の放電により電池電圧ＶｂがＶｂ’に低下した状態における充電カーブを示している。
【００６１】
図５において、まず、電圧算出部３０１がリレー２０３（ＲＬ１）をオン状態に制御して（Ｓ５０１）、電池パック１０から容量素子２０４への充電を開始させる。これにより、電圧Ｖｃが図４の実線に示す充電カーブで上昇するが、電圧算出部３０１は、充電開始直後において、充電時間ｔが、時間ｔ１に達したか否かを判断する（Ｓ５０２）。この時間ｔ１は、電圧算出部３０１がその時の電圧Ｖｃ１を安定して取得できる時間（電池ＥＣＵのクロックレート等に起因した処理時間に依存）として予め設定される。
【００６２】
ステップＳ５０２の判断で、充電時間ｔがｔ１に達した場合（Ｙｅｓ）、電圧算出部３０１は、その時の電圧Ｖｃ１を取得する（Ｓ５０３）。
【００６３】
次に、電圧算出部３０１は、充電時間ｔが、時間ｔ１を経過した直後の時間ｔ２に達したか否かを判断する（Ｓ５０４）。ここで、時間ｔ１と時間ｔ２との間の時間間隔は、電池ＥＣＵのクロックレート等に起因した処理時間に間に合うように予め設定される。
【００６４】
ステップＳ５０４の判断で、充電時間ｔがｔ２に達した場合（Ｙｅｓ）、電圧算出部３０１は、その時の電圧Ｖｃ２を取得する（Ｓ５０５）。
【００６５】
次に、電圧算出部３０１は、記憶部３０２のＬＵＴ３０２１に予め格納されている、
Ｖｂ＝（Ｖｃ１−Ｖｃ２・ｅ^-(t1-t2)/T）／（１−ｅ^-(t1-t2)/T）
（ここで、Ｔ＝（Ｒ１＋Ｒ２）Ｃ） …（４）
で表される式（４）を演算情報として用いて、ステップＳ５０３で取得したＶｃ１と、ステップＳ５０５で取得したＶｃ２とから、電池電圧Ｖｂを算出する（Ｓ５０６）。この演算式（４）は、上記式（１）において、Ｖｃ＝Ｖｃ１、ｔ＝ｔ１とした、
Ｖｃ１＝Ｖｂ［１−ｅ^{-(t1-ton+toff)/(R1+R2)C}］ …（５）
で表される式（５）と、
上記式（１）において、Ｖｃ＝Ｖｃ２、ｔ＝ｔ２とした、
Ｖｃ２＝Ｖｂ［１−ｅ^{-(t2-ton+toff)/(R1+R2)C}］ …（６）
で表される式（６）とに基づいて導かれる。
【００６６】
次に、リレー２０３（ＲＬ１）をオフ状態、リレー２０５（ＲＬ２）をオン状態に制御して（Ｓ５０７）、容量素子２０４に充電された電荷の放電が完了すると、ＲＬ２をオフ状態に制御する（Ｓ５０８）。
【００６７】
以上のようにして、ある電圧測定タイミングにおいて、電池電圧Ｖｂを演算により推定することができる。
【００６８】
次の電圧測定タイミングにおいて、電池電圧ＶｂがＶｂ’に低下していた場合、電圧Ｖｃは図４の破線に示す充電カーブを辿ることになり、ステップＳ５０３で電圧Ｖｃ１’を取得し、ステップＳ５０５で電圧Ｖｃ２’を取得し、ステップ５０６において、電圧Ｖｃ１’と電圧Ｖｃ２’から、上記演算式（４）を用いて、電池電圧Ｖｂ’を算出する。
【００６９】
以上のように、本実施形態によれば、第１の実施形態のように、初期設定時（１回目の電圧測定時）に、非常に長い充電時間ｔ０で、電池電圧Ｖｂにほぼ等しい第１の電圧値Ｖｃ０を予め検出する必要がなくなる。
【００７０】
また、上記演算式（４）にはスイッチ素子のターンオン時間ｔｏｎおよびターンオフ時間ｔｏｆｆのパラメータが含まれないので、環境温度や使用電圧の変動の影響を受けるスイッチング時間の要因を削除することができ、高速および高精度な電圧測定が可能になる。特に、電池パック１０が高電圧バッテリとしてＨＥＶ等に塔載される場合、電池パック１０、インバータ、モータ等を含む高電圧回路と、低電圧バッテリ、電池ＥＣＵ３０、音響機器等を含む低電圧回路との間の絶縁を十分にとるために、リレー２０３として例えばフォトＭＯＳリレーが用いられる。この場合、電気信号から光信号、光信号から電気信号への変換を要するため、スイッチング時間が大きくなるが、電池電圧Ｖｂの算出にスイッチング時間の要因が含まれないので、特に効果的となる。
【００７１】
また、さらに短時間で電池電圧Ｖｂの測定が可能になるという利点のため、充電時定数を決定する抵抗素子２０１、２０２の抵抗値および容量素子２０４の容量値を大きくすることができ、高電圧回路からのノイズの影響を低減して、耐ノイズ性を向上させることが可能になる。
【００７２】
なお、本実施形態において、上記演算式（４）には、充電時定数Ｔを決める、抵抗素子２０１の抵抗値Ｒ１、抵抗素子２０２の抵抗値Ｒ２、および容量素子２０４の容量値Ｃが回路パラメータとして含まれているため、電池電圧Ｖｂを高精度に測定するには、初期精度が高く、かつ温度変化率が低い素子を使用する必要があり、装置のコストが高くなる。
【００７３】
しかし、本実施形態の電圧測定装置と電池パック１０を含めた電池パックシステムを工場から出荷する際の評価・試験時に、電池パック１０を取り除いて、電圧測定装置に外部の計測器から既知の電圧（電池電圧Ｖｂに相当）を印加し、環境温度を変化させて電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２を取得することで、電池ＥＣＵ３０は、上記の演算式（４）から、各温度における充電時定数Ｔ（＝（Ｒ１＋Ｒ２）Ｃ）を知ることができる。そして、この結果をＬＵＴ３０２１にフィードバックすることで、初期精度が悪く、温度変化率の高い、安価な抵抗素子２０１、２０２および容量素子２０３を使用することが可能になる。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、二次電池の電圧測定に要する時間を短縮し、かつ耐ノイズ性も向上させた電圧測定装置および方法、並びにかかる装置および方法を用いた電池パックシステムを実現することが可能になる、という格別な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電圧測定装置の一構成例を示す回路ブロック図
【図２】第１の実施形態における電池電圧Ｖｂの測定方法を説明するための電圧Ｖｃの充電時間ｔに対する変化を示すグラフ
【図３】第１の実施形態の初期設定ルーチンおよび電圧測定ルーチンにおける処理手順を示すフローチャート
【図４】本発明の第２の実施形態における電池電圧Ｖｂの測定方法を説明するための電圧Ｖｃの充電時間ｔに対する変化を示すグラフ
【図５】第２の実施形態の電圧測定ルーチンにおける処理手順を示すフローチャート
【図６】従来の電圧測定装置の一構成例を示す回路ブロック図
【図７】従来の電池電圧Ｖｂの測定方法を説明するための電圧Ｖｃの充電時間ｔに対する変化を示すグラフ
【図８】従来の電圧測定ルーチンにおける処理手順を示すフローチャート
【符号の説明】
１０電池パック
２０電圧検出部
２０１、２０２抵抗素子
２０３リレー（ＲＬ１）
２０４容量素子
２０５リレー（ＲＬ２）
３０電池ＥＣＵ
３０１電圧測定部
３０２記憶部
３０２１参照テーブル（ＬＵＴ）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a voltage measuring apparatus and method for measuring a voltage level of a secondary battery, for example, used in an electric vehicle (PEV), a hybrid vehicle (HEV), and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in HEV, when the output from the engine is larger than the power required for traveling, the generator is driven by surplus power to charge the secondary battery. Conversely, when the output from the engine is small, the motor is driven using the power of the secondary battery to output insufficient power. In this case, the secondary battery is discharged. Controlling such charge / discharge and the like to maintain an appropriate operating state is required when a secondary battery is mounted on an HEV or the like.
[0003]
For this purpose, the voltage of the battery is measured, and based on the voltage level, the voltage drop of the secondary battery is judged, the remaining capacity of the secondary battery is estimated by calculation, and charge / discharge etc. are controlled. .
[0004]
FIG. 6 is a circuit block diagram showing an example of the configuration of a conventional voltage measuring apparatus using the sample and hold method. In FIG. 6, 10 is a battery pack composed of a plurality of secondary batteries (for example, Ni-MH secondary batteries) connected in series, 20 is a voltage detector, and 30 'is composed of a microcomputer or the like. An electronic control unit for a battery (hereinafter abbreviated as a battery ECU).
[0005]
The voltage detection unit 20 includes resistance elements 201 and 202 that limit current from the battery pack 10, a relay (RL1) 203 that functions as a sample-hold switch, and the resistance elements 201 and 202 when the relay 203 is turned on. The capacitor 204 is charged and holds a charging voltage when the relay 203 is turned off, and the relay (RL2) 205 for discharging the charge charged in the capacitor 204.
[0006]
The battery ECU 30 ′ includes a voltage measurement unit 301 ′, which controls the relay 203 to be in an on state and the relay 205 to be in an off state, so that the voltage (Vc) held in the capacitive element 204 is controlled. Measured as battery voltage (Vb).
[0007]
Next, the operation of the conventional voltage measuring apparatus configured as described above will be described with reference to FIGS.
[0008]
FIG. 7 is a graph showing a change of the voltage Vc charged in the capacitive element 204 after the relay 203 is turned on with respect to the charging time t, and FIG. 8 is a flowchart showing a processing procedure in the conventional voltage measurement routine.
[0009]
In FIG. 7, the voltage Vc is represented by the following formula (1).
[0010]
Vc = Vb [1-e ^{-(t-ton + toff) / (R1 + R2) C} ] (1)
Here, ton and toff are the turn-on time and turn-off time of the relay 203, R1 is the resistance value of the resistance element 201, R2 is the resistance value of the resistance element 202, and C is the capacitance value of the capacitance element 204.
[0011]
In FIG. 8, first, the voltage measurement unit 301 ′ controls the relay 203 (RL1) to be on (S801), and starts charging the battery element 10 from the battery pack 10. As a result, the voltage Vc rises along the charging curve shown in FIG. 7, and whether or not the charging time t has reached the time t0 when the voltage Vc becomes substantially equal to the battery voltage Vb (for example, Vc0 = 0.999Vb). Is determined (S802). The time t0 is set in advance based on the values of ton, toff, R1, R2, and C, which are circuit parameters in the initial state, as shown in the above equation (1).
[0012]
If the charging time t has reached t0 in the determination in step S802 (Yes), the voltage measurement unit 301 ′ acquires Vc0, which is the voltage Vc at that time, as the battery voltage Vb (S803), and turns on the relay 203 (RL1). In the off state, the relay 205 (RL2) is controlled to be in the on state (S804), and when the discharge of the charge charged in the capacitor 204 is completed, RL2 is turned off (S805).
[0013]
The battery voltage Vb is measured by the operation as described above.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional voltage measuring device, the relay 203 is kept on until the charging of the capacitive element 204 becomes almost 100% (for example, 99.9%), so the time required for voltage measurement becomes long. .
[0015]
In addition, as a high voltage circuit connected to the battery pack 10, for example, in order to reduce the influence of switching noise from an inverter or the like that drives and controls an AC motor, the resistance values and capacities of the resistance elements 201 and 202 of the voltage detection unit 20 The larger the capacitance value of the element 204, the better. However, when the resistance values of the resistance elements 201 and 202 and the capacitance value of the capacitance element 204 are increased, the time required for voltage measurement is further increased.
[0016]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a voltage measuring apparatus and method that can reduce the time required for measuring the voltage of a secondary battery and improve noise resistance, and the method. An object of the present invention is to provide a battery pack system using the apparatus and method.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first voltage measurement device according to the present invention includes a voltage detection unit that detects a voltage charged in a capacitor element from a secondary battery via a resistance element by an on operation of a switch element. A voltage measuring device that measures the voltage of the secondary battery based on the voltage detected by the voltage detection unit, the storage unit storing information necessary for measuring the voltage of the secondary battery, and the storage unit A voltage calculation unit that obtains the voltage of the secondary battery by performing a predetermined calculation on the voltage detected by the voltage detection unit using the detected information, and the storage unit is charged as information to the capacitive element. The first voltage value detected by the voltage detection unit during the first charging time when the voltage reaches the voltage of the secondary battery and the voltage detection unit during the second charging time shorter than the first charging time. Calculation based on the detected second voltage value The voltage calculation unit obtains the voltage of the secondary battery by multiplying the third voltage value detected by the voltage detection unit during the second charging time by an arithmetic coefficient. To do.
[0018]
In the first voltage measurement device, when the first voltage value is Vc0 and the second voltage value is Vc1, the operation coefficient is represented by Vc0 / Vc1.
[0019]
According to the first voltage measuring device, the battery voltage Vb detected at the first charging time (t0) corresponding to a very long charging time at the time of initial setting (during the first voltage measurement) is almost equal to the battery voltage Vb. The calculation coefficient Vc0 / calculated from the equal first voltage value Vc0 (for example, 0.999Vb) and the second voltage value Vc1 detected in the second charging time (t1) corresponding to a very short charging time. By storing Vc1 in advance, when the voltage is measured for the second and subsequent times, the battery can be obtained by simply multiplying the third voltage value (Vc1 ′) detected during the second charging time (t1) by the calculation coefficient Vc0 / Vc1. The voltage Vb can be measured in a short time.
[0020]
Because of the advantage that the battery voltage Vb can be measured in a short time, the resistance value of the resistance element that determines the charging time constant and the capacitance value of the capacitance element can be increased. For example, the secondary battery is a high-voltage battery. As a result, noise resistance from a high voltage circuit including a high voltage battery, an inverter, a motor, and the like can be reduced and noise resistance can be improved.
[0021]
In order to achieve the above object, a second voltage measurement device according to the present invention includes a voltage detection unit that detects a voltage charged in a capacitor element from a secondary battery via a resistance element by an on operation of a switch element. A voltage measuring device that measures the voltage of the secondary battery based on the voltage detected by the voltage detection unit, the storage unit storing information necessary for measuring the voltage of the secondary battery, and the storage unit A voltage calculation unit that obtains the voltage of the secondary battery by performing a predetermined calculation on the voltage detected by the voltage detection unit using the detected information, and the voltage calculation unit starts charging the capacitive element The first voltage value detected by the voltage detection unit in the first charging time immediately after being performed and the second voltage value detected by the voltage detection unit in the second charging time immediately after the first charging time has elapsed A predetermined voltage value stored in advance in the storage unit By performing calculation using the calculation information, and obtains the voltage of the secondary battery.
[0022]
In the second voltage measuring device, the first charging time is t1, the first voltage value is Vc1, the second charging time is t2, the second voltage value is Vc2, and the time constant determined by the resistance element and the capacitance element is When T and the voltage of the secondary battery are Vb, the calculation information is
Vb = (Vc1-Vc2 · e ^{-(t1-t2) / T} ) / (1-e ^{-(t1-t2) / T} )
It is expressed by the relational expression.
[0023]
According to the second voltage measuring device, like the first voltage measuring device, the first voltage that is substantially equal to the battery voltage Vb in the first charging time corresponding to a very long charging time at the time of initial setting. There is no need to detect the value Vc0 in advance.
[0024]
Further, since the above calculation information does not include the parameters of the turn-on time ton and the turn-off time toff of the switch element, it is possible to eliminate the factor of the switching time that is affected by the fluctuation of the environmental temperature and the operating voltage, and the high speed and high speed. Accurate voltage measurement is possible. In particular, when the secondary battery is mounted on a HEV or the like as a high voltage battery, a high voltage circuit including a high voltage battery, an inverter, a motor, etc., and a low voltage circuit including a low voltage battery, a control circuit, an acoustic device, etc. For example, a photo MOS relay is used as a switch element in order to obtain sufficient insulation between the two. In this case, since the conversion from the electrical signal to the optical signal and from the optical signal to the electrical signal is required, the switching time becomes long. However, since the factor of the switching time is not included in the calculation of the battery voltage Vb, it is particularly effective.
[0025]
In addition, because the battery voltage Vb can be measured in a shorter time, the resistance value of the resistance element that determines the charging time constant and the capacitance value of the capacitance element can be increased, and noise from the high voltage circuit can be increased. It is possible to improve the noise resistance by reducing the influence of noise.
[0026]
To achieve the above object, a first battery pack system according to the present invention includes a first or second voltage measuring device and a secondary battery, and the voltage measuring device is configured as a part of a computer system. It is characterized by that.
[0027]
In order to achieve the above object, a first voltage measurement method according to the present invention is based on a voltage charged in a capacitor element from a secondary battery through a resistance element by an ON operation of a switch element. A first voltage value that is a charging voltage of the capacitive element at a first charging time when the voltage charged to the capacitive element substantially reaches the voltage of the secondary battery; Storing in advance a calculation coefficient based on a second voltage value, which is a charging voltage of the capacitive element in a second charging time shorter than the first charging time, and the capacity element in the second charging time The method includes a step of detecting the charging voltage as a third voltage value, and a step of multiplying the detected third voltage value by an arithmetic coefficient to obtain a voltage of the secondary battery.
[0028]
In the first voltage measurement method, when the first voltage value is Vc0 and the second voltage value is Vc1, the calculation coefficient is represented by Vc0 / Vc1.
[0029]
According to the first voltage measurement method, the battery voltage Vb detected at the first charge time (t0) corresponding to a very long charge time at the initial setting (during the first voltage measurement) is approximately equal to the battery voltage Vb. The calculation coefficient Vc0 / calculated from the equal first voltage value Vc0 (for example, 0.999Vb) and the second voltage value Vc1 detected in the second charging time (t1) corresponding to a very short charging time. By storing Vc1 in advance, when the voltage is measured for the second and subsequent times, the battery can be obtained by simply multiplying the third voltage value (Vc1 ′) detected during the second charging time (t1) by the calculation coefficient Vc0 / Vc1. The voltage Vb can be measured in a short time.
[0030]
Because of the advantage that the battery voltage Vb can be measured in a short time, the resistance value of the resistance element that determines the charging time constant and the capacitance value of the capacitance element can be increased. For example, the secondary battery is a high-voltage battery. As a result, noise resistance from a high voltage circuit including a high voltage battery, an inverter, a motor, and the like can be reduced and noise resistance can be improved.
[0031]
In order to achieve the above object, the second voltage measuring method according to the present invention is based on the voltage charged in the capacitive element from the secondary battery through the resistance element by the ON operation of the switch element. A voltage measuring method for measuring the voltage of the capacitor element, the step of detecting and storing the charge voltage of the capacitor element in the first charging time immediately after the charging of the capacitor element is started as a first voltage value; A step of detecting and storing the charging voltage of the capacitive element in the second charging time immediately after the lapse of one charging time as the second voltage value, and a predetermined calculation on the stored first and second voltage values A step of obtaining a voltage of the secondary battery by performing an operation using information.
[0032]
In the second voltage measurement method, the first charging time is t1, the first voltage value is Vc1, the second charging time is t2, the second voltage value is Vc2, and the time constant determined by the resistance element and the capacitance element is When T and the voltage of the secondary battery are Vb, the calculation information is
Vb = (Vc1-Vc2 · e ^{-(t1-t2) / T} ) / (1-e ^{-(t1-t2) / T} )
It is expressed by the relational expression.
[0033]
According to the second voltage measuring method, as in the first voltage measuring method, the first voltage that is substantially equal to the battery voltage Vb in the first charging time corresponding to a very long charging time at the time of initial setting. There is no need to detect the value Vc0 in advance.
[0034]
Further, since the above calculation information does not include the parameters of the turn-on time ton and the turn-off time toff of the switch element, it is possible to eliminate the factor of the switching time that is affected by the fluctuation of the environmental temperature and the operating voltage, and the high speed and high speed. Accurate voltage measurement is possible. In particular, when the secondary battery is mounted on a HEV or the like as a high voltage battery, a high voltage circuit including a high voltage battery, an inverter, a motor, etc., and a low voltage circuit including a low voltage battery, a control circuit, an acoustic device, etc. For example, a photo MOS relay is used as a switch element in order to obtain sufficient insulation between the two. In this case, since the conversion from the electrical signal to the optical signal and from the optical signal to the electrical signal is required, the switching time becomes long. However, since the factor of the switching time is not included in the calculation of the battery voltage Vb, it is particularly effective.
[0035]
In addition, because the battery voltage Vb can be measured in a shorter time, the resistance value of the resistance element that determines the charging time constant and the capacitance value of the capacitance element can be increased, and noise from the high voltage circuit can be increased. It is possible to improve the noise resistance by reducing the influence of noise.
[0036]
In order to achieve the above object, a second battery pack system according to the present invention includes a computer system in which the first or second voltage measurement method is implemented, and a secondary battery.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
[0038]
(First embodiment)
FIG. 1 is a circuit block diagram showing a configuration example of a voltage measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the same components as those in FIG. 6 showing the conventional example are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0039]
The present embodiment differs from the conventional example in that the battery ECU 30 calculates a battery voltage Vb by calculation based on the voltage Vc detected by the voltage detection unit 20 instead of the voltage measurement unit 301 ′. 301 and a storage unit 302 that stores information necessary for calculating the battery voltage Vb.
[0040]
The storage unit 302 includes a reference table (LUT) 3021 that stores a calculation coefficient (A) as information necessary for calculating the battery voltage Vb at the time of initial setting. The voltage calculation unit 301 calculates the battery voltage Vb by multiplying the detected voltage Vc by the calculation coefficient A from the LUT 3021 during voltage measurement.
[0041]
Next, the operation of the voltage measuring apparatus configured as described above will be described with reference to FIGS.
[0042]
FIG. 2 is a graph showing the change of the voltage Vc with respect to the charging time t for explaining the method of measuring the battery voltage Vb according to the present embodiment. FIG. 3 is a processing procedure in the initial setting routine and the voltage measurement routine of the present embodiment. It is a flowchart which shows.
[0043]
In FIG. 2, the voltage Vc is expressed by the formula (1) described in the conventional example, and the solid curve indicates a charging curve for charging the capacitive element in the initial state (battery voltage Vb) of the battery pack 10, and is a broken line. This curve shows a charging curve in a state where the battery voltage Vb is lowered (battery voltage Vb ′) due to the discharge of the battery pack 10.
[0044]
In the initial setting routine of FIG. 3, first, the voltage calculation unit 301 controls the relay 203 (RL1) to be turned on (S301), and starts charging the battery element 10 from the battery pack 10. As a result, the voltage Vc rises along the charging curve shown by the solid line in FIG. 2, and whether the charging time t has reached the time t0 when the voltage Vc becomes substantially equal to the battery voltage Vb (for example, Vc0 = 0.999Vb). It is determined whether or not (S302). This time t0 is preset based on the values of ton, toff, R1, R2, and C, which are circuit parameters in the initial state, as shown in the above equation (1).
[0045]
If the charging time t has reached t0 as determined in step S302 (Yes), the voltage calculation unit 301 acquires Vc0, which is the voltage Vc at that time, as the battery voltage Vb (S303), and turns off the relay 203 (RL1). In this state, the relay 205 (RL2) is controlled to be in an on state (S304), and when discharging of the charge charged in the capacitor 204 is completed, RL2 is controlled to be in an off state and RL1 is controlled to be in an on state (S305).
[0046]
As a result, the charging from the battery pack 10 to the capacitive element 204 is resumed, the voltage Vc also rises along the charging curve shown by the solid line in FIG. 2, and the charging time t is much shorter than the time t0. Is determined (S306). This time t1 is set in advance as a time during which the voltage calculation unit 301 can stably acquire the voltage Vc1 at that time (depending on the clock rate or the like of the battery ECU).
[0047]
If the charging time t has reached t1 in the determination in step S306 (Yes), the voltage calculation unit 301 calculates the calculation coefficient A from the voltage Vc1 at that time and the voltage Vc0 acquired as the battery voltage Vb in step S303.
A = Vc0 / Vc1 (2)
And is stored in the LUT 3021 of the storage unit 302 (S307).
[0048]
This equation (2) is obtained by modifying equation (1) with Vb = Vc0 and t = t1 in the above equation (1).
[1-e ^{-(t1-ton + toff) / (R1 + R2) C} ] ^-1 = Vc0 / Vc1 (3)
It is derived from the formula (3) represented by
[0049]
Next, the relay 203 (RL1) is controlled to be in an off state and the relay 205 (RL2) is controlled to be in an on state (S308). When the discharge of the charge charged in the capacitor 204 is completed, RL2 is controlled to be in an off state ( S309).
[0050]
As described above, the initial setting routine for calculating the calculation coefficient A is completed.
[0051]
Next, when it is time to measure the battery voltage Vb, the voltage measurement routine of FIG. 3 is entered. In the voltage measurement routine, first, the voltage calculation unit 301 controls the relay 203 (RL1) to be in an ON state (S310), and starts charging the battery element 10 from the battery pack 10. As a result, since the battery voltage Vb has decreased to Vb ′ this time, the voltage Vc increases along the charging curve shown by the broken line in FIG. 2, and the charging time t becomes the set time in step 306 of the initial setting routine. It is determined whether or not t1 has been reached (S311).
[0052]
If the charging time t has reached t1 as determined in step S311, the voltage calculation unit 301 acquires the voltage Vc1 ′ at that time, and stores the operation coefficient stored in step S307 of the initial setting routine in the voltage Vc1 ′. The battery voltage Vb ′ is calculated by multiplying A (S312). This calculation sets Vc1 and Vc1 ′ by setting the time when the voltage Vc1 is acquired in the initial state and the time when the voltage Vc1 ′ is acquired when the battery voltage Vb is reduced to Vb ′ to the same charging time t1. Is proportional to the proportional relationship between Vb (Vc0) and Vb ′.
[0053]
Next, the relay 203 (RL1) is controlled to be in an off state and the relay 205 (RL2) is controlled to be in an on state (S313). When the discharge of the charge charged in the capacitor 204 is completed, the RL2 is controlled to be in an off state ( S314).
[0054]
In this way, the battery voltage Vb ′ can be estimated by calculation.
[0055]
As described above, according to the present embodiment, at the initial setting (at the time of the first voltage measurement), it is substantially equal to the battery voltage Vb detected at the first charging time t0 corresponding to a very long charging time. A calculation coefficient Vc0 / Vc1 obtained in advance from a first voltage value Vc0 (for example, 0.999 Vb) and a second voltage value Vc1 detected at a second charging time t1 corresponding to a very short charging time is obtained in advance. By storing, the battery voltage Vb can be measured in a short time only by multiplying the third voltage value Vc1 ′ detected at the second charging time t1 by the calculation coefficient Vc0 / Vc1 at the second and subsequent voltage measurements. can do.
[0056]
Due to the advantage that the battery voltage Vb can be measured in a short time, the resistance values of the resistance elements 201 and 202 that determine the charging time constant and the capacitance value of the capacitance element 204 can be increased. Is mounted on a HEV or the like as a high-voltage battery, it is possible to reduce the influence of noise from a high-voltage circuit including the battery pack 10, inverter, motor, etc., and improve noise resistance.
[0057]
(Second Embodiment)
In the first embodiment, in the initial setting routine of FIG. 3, it was necessary to continue charging until a very long time t0 when the voltage Vc is substantially equal to the battery voltage Vb. However, in the second embodiment of the present invention, This eliminates the need to continue charging until this very long time t0.
[0058]
Note that the configuration of the voltage measurement device according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, but the function of the voltage calculation unit 301 and the calculation information stored in the storage unit 302 are the same. Different. Therefore, in the following, the voltage measurement operation according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 4 and FIG.
[0059]
FIG. 4 is a graph showing a change of the voltage Vc with respect to the charging time t for explaining the method of measuring the battery voltage Vb according to the present embodiment, and FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure in the voltage measurement routine of the present embodiment. is there.
[0060]
In FIG. 4, the voltage Vc is also expressed by the formula (1) described in the conventional example, the solid curve indicates a charging curve in a state where the battery voltage of the battery pack 10 is Vb, and the broken curve indicates the battery. The charge curve in the state in which battery voltage Vb fell to Vb 'by discharge of the pack 10 is shown.
[0061]
In FIG. 5, first, the voltage calculation unit 301 controls the relay 203 (RL1) to be in an on state (S501), and starts charging the battery element 10 from the battery pack 10. As a result, the voltage Vc rises along the charging curve indicated by the solid line in FIG. 4, but the voltage calculation unit 301 determines whether or not the charging time t has reached the time t1 immediately after the start of charging (S502). This time t1 is set in advance as a time during which the voltage calculation unit 301 can stably acquire the voltage Vc1 at that time (depending on the processing time due to the clock rate of the battery ECU).
[0062]
If it is determined in step S502 that the charging time t has reached t1 (Yes), the voltage calculation unit 301 acquires the voltage Vc1 at that time (S503).
[0063]
Next, the voltage calculation unit 301 determines whether or not the charging time t has reached a time t2 immediately after the time t1 has elapsed (S504). Here, the time interval between the time t1 and the time t2 is set in advance so as to be in time for the processing time caused by the clock rate of the battery ECU or the like.
[0064]
If it is determined in step S504 that the charging time t has reached t2 (Yes), the voltage calculation unit 301 acquires the voltage Vc2 at that time (S505).
[0065]
Next, the voltage calculation unit 301 is stored in advance in the LUT 3021 of the storage unit 302.
Vb = (Vc1-Vc2 · e ^{-(t1-t2) / T} ) / (1-e ^{-(t1-t2) / T} )
(Where T = (R1 + R2) C) (4)
The battery voltage Vb is calculated from the Vc1 acquired in step S503 and the Vc2 acquired in step S505 (S506) using the expression (4) expressed by This calculation formula (4) is obtained by setting Vc = Vc1 and t = t1 in the above formula (1).
Vc1 = Vb [1-e ^{-(t1-ton + toff) / (R1 + R2) C} ] (5)
Formula (5) represented by:
In the above formula (1), Vc = Vc2, t = t2,
Vc2 = Vb [1-e ^{-(t2-ton + toff) / (R1 + R2) C} ] (6)
It is derived based on the formula (6) expressed by
[0066]
Next, the relay 203 (RL1) is controlled to be in an off state and the relay 205 (RL2) is controlled to be in an on state (S507). When discharging of the charge charged in the capacitor 204 is completed, RL2 is controlled to be in an off state ( S508).
[0067]
As described above, the battery voltage Vb can be estimated by calculation at a certain voltage measurement timing.
[0068]
In the next voltage measurement timing, when the battery voltage Vb has decreased to Vb ′, the voltage Vc follows the charging curve shown by the broken line in FIG. 4, acquires the voltage Vc1 ′ in step S503, and in step S505. The voltage Vc2 ′ is acquired, and in step 506, the battery voltage Vb ′ is calculated from the voltage Vc1 ′ and the voltage Vc2 ′ by using the arithmetic expression (4).
[0069]
As described above, according to the present embodiment, as in the first embodiment, at the initial setting (at the time of the first voltage measurement), the first time which is substantially equal to the battery voltage Vb with a very long charging time t0. This eliminates the need to previously detect the voltage value Vc0.
[0070]
In addition, since the equation (4) does not include the parameters of the turn-on time ton and the turn-off time toff of the switch element, the factor of the switching time that is affected by the fluctuation of the environmental temperature and the operating voltage can be deleted. High-speed and high-accuracy voltage measurement is possible. In particular, when the battery pack 10 is mounted on a HEV or the like as a high-voltage battery, a high-voltage circuit including the battery pack 10, an inverter, a motor, and the like, and a low-voltage circuit including a low-voltage battery, the battery ECU 30, an acoustic device, and the like For example, a photo MOS relay is used as the relay 203 in order to obtain sufficient insulation between the two. In this case, since the conversion from the electrical signal to the optical signal and from the optical signal to the electrical signal is required, the switching time becomes long. However, since the factor of the switching time is not included in the calculation of the battery voltage Vb, it is particularly effective.
[0071]
Further, because of the advantage that the battery voltage Vb can be measured in a shorter time, the resistance values of the resistance elements 201 and 202 that determine the charging time constant and the capacitance value of the capacitance element 204 can be increased. It is possible to improve noise resistance by reducing the influence of noise from the circuit.
[0072]
In the present embodiment, the arithmetic expression (4) includes the circuit parameter including the resistance value R1 of the resistance element 201, the resistance value R2 of the resistance element 202, and the capacitance value C of the capacitance element 204 that determine the charging time constant T. Therefore, in order to measure the battery voltage Vb with high accuracy, it is necessary to use an element with high initial accuracy and a low temperature change rate, which increases the cost of the apparatus.
[0073]
However, when the battery pack system including the voltage measuring device and the battery pack 10 of this embodiment is shipped from the factory, the battery pack 10 is removed, and the voltage measuring device has a known voltage from an external measuring instrument. By applying (corresponding to the battery voltage Vb) and obtaining the voltages Vc1 and Vc2 by changing the environmental temperature, the battery ECU 30 obtains the charging time constant T (= (( R1 + R2) C). By feeding this result back to the LUT 3021, it is possible to use the inexpensive resistance elements 201 and 202 and the capacitor element 203 with low initial accuracy and high temperature change rate.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a voltage measuring apparatus and method that shortens the time required for measuring the voltage of the secondary battery and also improves noise resistance, and a battery pack system using the apparatus and method. It is possible to achieve a special effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit block diagram showing a configuration example of a voltage measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a change of a voltage Vc with respect to a charging time t for explaining a method of measuring a battery voltage Vb in the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure in an initial setting routine and a voltage measurement routine of the first embodiment.
FIG. 4 is a graph showing a change of voltage Vc with respect to charging time t for explaining a method of measuring battery voltage Vb in the second embodiment of the present invention
FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure in a voltage measurement routine of the second embodiment.
FIG. 6 is a circuit block diagram showing a configuration example of a conventional voltage measuring apparatus.
FIG. 7 is a graph showing a change of voltage Vc with respect to charging time t for explaining a conventional method of measuring battery voltage Vb.
FIG. 8 is a flowchart showing a processing procedure in a conventional voltage measurement routine.
[Explanation of symbols]
10 Battery pack
20 Voltage detector
201, 202 Resistance element
203 Relay (RL1)
204 Capacitance element
205 Relay (RL2)
30 Battery ECU
301 Voltage measurement unit
302 storage unit
3021 Lookup table (LUT)

Claims

A voltage detection unit that detects a voltage charged in the capacitor element from the secondary battery via the resistance element by the ON operation of the switch element, and based on the voltage detected by the voltage detection unit, A voltage measuring device for measuring a voltage,
A storage unit for storing information necessary for voltage measurement of the secondary battery;
A voltage calculation unit that obtains the voltage of the secondary battery by performing a predetermined calculation on the voltage detected by the voltage detection unit using the information stored in the storage unit;
The storage unit has, as the information, a first voltage value detected by the voltage detection unit during a first charging time when a voltage charged in the capacitor element has substantially reached a voltage of the secondary battery, and An arithmetic coefficient based on the second voltage value detected by the voltage detection unit in a second charging time shorter than the first charging time is stored in advance,
The voltage calculation unit obtains the voltage of the secondary battery by multiplying the third voltage value detected by the voltage detection unit during the second charging time by the calculation coefficient. apparatus.

2. The voltage measuring apparatus according to claim 1, wherein when the first voltage value is Vc0 and the second voltage value is Vc1, the calculation coefficient is represented by Vc0 / Vc1.

A voltage detection unit that detects a voltage charged in the capacitor element from the secondary battery via the resistance element by the ON operation of the switch element, and based on the voltage detected by the voltage detection unit, A voltage measuring device for measuring a voltage,
A storage unit for storing information necessary for voltage measurement of the secondary battery;
A voltage calculation unit that obtains the voltage of the secondary battery by performing a predetermined calculation on the voltage detected by the voltage detection unit using the information stored in the storage unit;
The voltage calculation unit includes a first voltage value detected by the voltage detection unit during a first charging time immediately after charging of the capacitive element and a time immediately after the first charging time has elapsed. By applying a calculation using predetermined calculation information stored in advance in the storage unit to the second voltage value detected by the voltage detection unit in a second charging time, the voltage of the secondary battery A voltage measuring device characterized by:

The first charging time is t1, the first voltage value is Vc1, the second charging time is t2, the second voltage value is Vc2, and the time constant determined by the resistance element and the capacitive element is T, When the voltage of the secondary battery is Vb, the calculation information is
Vb = (Vc1-Vc2.e- ^{(t1-t2) / T} ) / (1-e- ^{(t1-t2) / T} )
The voltage measuring device according to claim 3, wherein the voltage measuring device is expressed by the relational expression:

A voltage measuring device according to any one of claims 1 to 4,
A battery pack system comprising the secondary battery.

6. The battery pack system according to claim 5, wherein the voltage measuring device is configured as a part of a computer system.

A voltage measuring method for measuring the voltage of the secondary battery based on a voltage charged to the capacitor element from the secondary battery via the resistance element by the ON operation of the switch element,
The voltage charged in the capacitor element is shorter than the first voltage value, which is the first voltage value that is the charge voltage of the capacitor element during the first charging time when the voltage of the secondary battery has substantially reached. Storing in advance a calculation coefficient based on a second voltage value that is a charging voltage of the capacitive element at a second charging time;
Detecting a charging voltage of the capacitive element in the second charging time as a third voltage value;
And a step of multiplying the detected third voltage value by the arithmetic coefficient to obtain the voltage of the secondary battery.

8. The voltage measurement method according to claim 7, wherein when the first voltage value is Vc0 and the second voltage value is Vc1, the calculation coefficient is represented by Vc0 / Vc1.

A voltage measuring method for measuring the voltage of the secondary battery based on a voltage charged to the capacitor element from the secondary battery via the resistance element by the ON operation of the switch element,
Detecting and storing a charging voltage of the capacitive element at a first charging time immediately after the charging of the capacitive element is started as a first voltage value;
Detecting and storing a charging voltage of the capacitive element at a second charging time immediately after the first charging time has passed as a second voltage value;
And a step of obtaining a voltage of the secondary battery by performing a calculation using predetermined calculation information on the stored first and second voltage values.

The first charging time is t1, the first voltage value is Vc1, the second charging time is t2, the second voltage value is Vc2, and the time constant determined by the resistance element and the capacitive element is T, When the voltage of the secondary battery is Vb, the calculation information is
Vb = (Vc1-Vc2.e- ^{(t1-t2) / T} ) / (1-e- ^{(t1-t2) / T} )
The voltage measurement method according to claim 9, represented by the relational expression:

A computer system for executing the voltage measurement method according to any one of claims 7 to 9,
A battery pack system comprising the secondary battery.