DE10051984A1

DE10051984A1 - Batteriespannungs-Messvorrichtung

Info

Publication number: DE10051984A1
Application number: DE10051984A
Authority: DE
Inventors: Takafumi Tsurumi; Tomohiko Maeda; Kouji Sakai; Naoki Ohsawa; Kazunori Sato
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2020-10-21
Also published as: US6437538B1; JP3430083B2; DE10051984C2; JP2001116777A

Abstract

Es wird eine Batteriespannungs-Messvorrichtung vorgeschlagen, die eine Batteriespannung mit hoher Genauigkeit erfassen kann und die bei reduzierten Kosten und reduziertem Rauschen miniaturisiert werden kann. Die Vorrichtung umfasst: einen Kondensator (101), der auf die Spannung jedes Moduls (10-1, 10-2, 10-N) geladen wird, Schalter (201 und 202), die diesen Kondensator und das Modul verbinden und trennen, einen Spannungsfolger (301), der die Spannung über dem Kondensator (101) ausgibt, sowie Schalter (203 und 204), die den Spannungsfolger (301) und den Kondensator (101) verbinden und trennen. Für diese Schalter (201 bis 204) werden Foto-MOSFETs benutzt. Ferner ist ein Spannungsfolger (301) installiert, um eine Entladung des Kondensators (101) zu verhindern. Daher lässt sich mittels einer unkomplizierten Schaltung mit billigen und einfachen Elementen eine kostengünstige und miniaturisierte Batteriespannungs-Messvorrichtung realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Batteriespannung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Vorrichtung zum Messen einer Batteriespannung, die, wenn eine Batteriezelle aus einer Mehrzahl von seriell verbundenen Sekundärbatterien zusammengesetzt ist und eine Mehrzahl dieser Batteriezellen in Gruppen einer zur Modularisierung geeigneten Anzahl unterteilt ist, die Batteriespannung jedes Moduls genau erfasst.

Es ist ein Hybridfahrzeug bekannt, welches zusätzlich zu einer Brenn kraftmaschine einen Elektromotor als Antriebsquelle zum Fahren des Fahrzeugs aufweist.

Eine Bauart dieses Hybridfahrzeugs ist ein Parallel-Hybridfahrzeug, bei dem der Motor die Ausgabe von der Maschine unterstützt. Bei diesem Parallel- Hybridfahrzeug wird, beispielsweise während der Beschleunigung, die Ausgabe von der Maschine durch den Motor unterstützt, während bei der Verzögerung veschiedene Steuerungen durchgeführt werden, wie etwa eine Batterie durch Verzögerungs-Regenerierung zu laden, so dass die Restbatte rieladung (der Ladezustand) beibehalten werden kann, während die Anforderungen des Fahrers erfüllt werden. Da eine hohe Spannung erforderlich ist, ist hier die Batterie normalerweise aus einer Mehrzahl von in Serie verbundenen Batteriezellen zusammengesetzt.

Bei der Spannungserfassung dieser Batterie wird bislang eine Mehrzahl von seriell verbundenen Batteriezellen der Batterie in Gruppen einer zur Modularisierung geeigneten Anzahl unterteilt, die Spannung jedes Moduls wird erfasst, und die Summe der erfassten Spannungen bildet die Spannung der Batterie.

Für die Erfassungsschaltung zum Erfassen dieser Spannung wurde beispielsweise eine Schaltung benutzt, bei der ein Differenzverstärker mit einem Isolations-Gleichspannungs/Gleichspannungs(DC/DC)-Wandler kombiniert ist (ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. Hei 11-113182).

Jedoch ist bei einer Vorrichtung zum Messen der Batteriespannung, die unter Verwendung eines Differenzverstärkers und eines Isolations-DC/DC- Wandlers realisiert wird, der Verstärkungsfaktor durch den Gleichtakt- Eingangsspannungsbereich des benutzten Verstärkers beschränkt, und jeder Fehler im benutzten Widerstand hat einen großen Einfluss auf die Genau igkeit des gesamten Verstärkers. Nachteilig ist hierbei, dass sich eine hohe Genauigkeit nur schwer erreichen lässt.

Ferner ist bei der Konstruktion davon der für den Differenzverstärker benutzte Verstärker sehr teuer, und zusätzlich sind mehrere Isolations- DC/DC-Wandler als Stromquelle erforderlich. Dies hat die Nachteile hoher Kosten und Schwierigkeiten bei der Miniaturisierung.

Falls eine Spannungsmessleitung der Batterie kontinuierlich mit der Batteriespannungsmessschaltung verbunden ist, muss, da ein Dunkelstrom der Schaltung der Entladung der elektrischen Ladung der Batterie zu geordnet ist, die Schaltung so ausgeführt sein, dass der Dunkelstrom minimiert wird. Daher gibt es viele konstruktive Einschränkungen bei der Realisierung einer hochgenauen Vorrichtung zur Spannungsmessung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Messen der Batteriespannung anzugeben, die eine Batteriespannung mit hoher Genauigkeit erfassen kann und die bei reduzierten Kosten und reduziertem Rauschen miniaturisiert werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Messen der Batteriespannung anzugeben, die auch dann einen geringeren Dunkelstrom hat, wenn sie kontinuierlich mit der Sekundärbatterie verbunden ist und daher die Spannungsabnahme der Sekundärbatterie minimieren kann, auch nachdem die Sekundärbatterie über eine lange Zeitdauer ungenutzt geblieben ist.

Zur Lösung zumindest einer dieser Aufgaben wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Messen der Batteriespannung vorgeschlagen, die eine Mehrzahl von in Serie verbundenen Batterien oder Sekundärbatterien in eine Mehrzahl von zumindest eine Batterie aufweisenden Blöcken oder Modulen unterteilt und die Spannung der Blöcke misst. Die Vorrichtung ist gekenn zeichnet durch ein Energiespeicherelement oder einen Kondensator, das bzw. der parallel für jeden der Blöcke installiert ist; eine Spannungs akquisitionsschaltung oder einen Spannungsfolger zum Erhalt einer Ausgangsspannung entsprechend der Spannung über dem Energiespeicher element; eine erste Schaltelementgruppe, die eine Mehrzahl von Schalt elementen aufweist und die zwischen dem Energiespeicherelement und dem Block eingesetzt ist, um das Energiespeicherelement und den Block parallel zu verbinden; eine zweite Schaltelementgruppe, die eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweist und die zwischen das Energiespeicherelement und die Spannungsakquisitionsschaltung eingesetzt ist, um das Energiespeicher element mit der Spannungsakquisitionsschaltung zu verbinden; sowie einen Treiber oder eine zentrale Prozessoreinheit zum abwechselnden Schalten der ersten Schaltelementgruppe und der zweiten Schaltelementgruppe.

Bei dieser Konstruktion ist zur Erfassung der Spannung eines Blocks kein teures Element erforderlich. Daher ist es möglich, eine Vorrichtung zum Messen der Batteriespannung zu realisieren, die bei geringen Kosten miniaturisiert werden kann. Ferner wird die Spannung des Blocks, nachdem sie den Kondensator geladen hat, anschließend über eine Spannungs akquisitionsschaltung bzw. den Spannungsfolger einem Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler zugeführt, um hierdurch eine hochgenaue Spannungserfassung zu ermöglichen.

Wenn darüber hinaus ein Kondensator auf das gleiche elektrische Potential wie der entsprechende Block geladen wird, fließt angenähert kein Strom. Daher kann der Dunkelstrom auch dann reduziert werden, wenn eine Spannungsmessleitung der Batterie kontinuierlich mit der Batteriespannungs messschaltung verbunden ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine Ladungsabnahme der Batterie zu minimieren, auch wenn die Batterie über eine lange Zeitdauer unbenutzt bleibt.

Bevorzugt schaltet der erfindungsgemäße Treiber beim Schalten der ersten Schaltelementgruppe und der zweiten Schaltelementgruppe, nachdem er eine bislang eingeschaltete Schaltelementgruppe ausgeschaltet hat, die andere Schaltelementgruppe ein, und schaltet ferner, wenn die erste Schaltelementgruppe eingeschaltet ist, nachdem die Spannung des Energiespeicherelements die gleiche Spannung wie der Block erreicht hat, die erste Schaltelementgruppe aus.

Durch diesen Betrieb der Schaltelemente, d. h. durch Setzen einer Periode oder Zeitdauer, wenn alle Schaltelemente ausgeschaltet sind, lässt sich eine Situation vermeiden, in der alle Schaltelemente aufgrund eines Faktors, wie etwa einer Schwankung der Ansprechgeschwindigkeit, gleichzeitig eingeschaltet sind. Im Ergebnis ist es möglich, die Spannung des Blocks entsprechend dem vorbestimmten Timing genau zu erfassen. Hier muss eine Zeitdauer gesetzt werden, wenn alle Schaltelemente ausgeschaltet sind, die länger ist als die Ansprechgeschwindigkeit der benutzten Schaltelemente.

Bevorzugt ist eine Eingangsimpedanz der Spannungsakquisitionsschaltung unendlich. Hierdurch ist es mit einfachen und miniaturisierten Elementen möglich, eine Spannung mit der kleinstmöglichen Entladung der elektrischen Ladung aus dem Kondensator zu erfassen. Auf diese Weise ist es möglich, die zu messende Spannung noch genauer zu messen. Im Ergebnis kann eine billige miniaturisierte und hochgenaue Vorrichtung zum Messen der Batteriespannung realisiert werden.

Bevorzugt sind die Schaltelemente bidirektional und von einer Stromquelle zum Betrieb der Schaltelemente isoliert.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der Batteriespannung wird die Spannung über dem Block, nach Laden des Kondensators, über den Spannungsfolger dem dahinter installierten A/D-Wandler etc. zugeführt. Da hier die Eingangsimpedanz der Spannungsakquisitionsschaltung unendlich ist, wird die in dem Kondensator gespeicherte elektrische Ladung nicht entladen. Daher wird, bis der Kondensator wieder mit dem Block verbunden wird, die elektrische Ladung entsprechend der vorherigen Spannung des Blocks durch den Kondensator gespeichert. Daher kann in Abhängigkeit von dem elektrischen Potential des Blocks und der elektrischen Ladung, die der Kondensator hält, der Kondensator geladen oder entladen werden. Im Ergebnis ist für ein Schaltelement zum Verbinden des Blocks und des Kondensators ein bidirektionales Schaltelement erforderlich.

Ferner muss bei der Erfassung der Spannung einer Hochspannungssystem- Stromversorgungseinheit ein Spannungsleck vermieden werden, da eine hohe Spannung gemessen werden soll. Unter Verwendung von Schalt elementen, durch die das Stromversorgungssystem zum Betrieb der Schaltelemente, und das Schaltkreissystem, mit dem die Schaltelemente verbunden sind, isoliert sind, ist es daher möglich, das Schaltungssystem und das Treibersystem der Schaltelemente leicht zu isolieren.

Bevorzugt sind die Schaltelemente durch Foto-MOSFETs gebildet (Metall oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren). Hier sind Foto-MOSFETs Kom ponenten, die von dem Stromversorgungssystem, welches die Foto- MOSFETs betreibt, elektrisch isoliert sind. Daher ist es möglich, das Stromversorgungssystem, welches die Schaltelemente betreibt, und das Hochspannungssystem, etwa eine Batterie, zu isolieren. Beispielsweise wurde bislang im Falle der Anwendung bei einem Elektrofahrzeug oder dergleichen ein Isolations-DC/DC-Wandler etc. benutzt, um das 12 V- Batteriesystem, welches eine Stromquelle zum Betreiben der Foto-MOSFETs bildet, und das Batteriesystem für das Hochspannungssystem, das aus zu messenden Batterien aufgebaut ist, zu isolieren. Durch die Verwendung eines Foto-MOSFETs anstelle dieses DC/DC-Wandlers ist es hier möglich, das Stromquellensystem und das Batteriespannungssystem mit einem billigen und miniaturisierten Element zu isolieren. Daher kann die Schal tungskonstruktion vereinfacht werden, so dass sich auch die Kosten reduzieren und die Schaltung miniaturisieren lässt.

Falls die Batteriespannung niedriger ist als das elektrische Potential des Kondensators, erfolgt eine Entladung von dem Kondensator zu der Batterie, so dass ein bidirektionaler Schalter, wie etwa ein Foto-MOSFET, geeignet ist. Da ferner der Spannungsabfall dieses Foto-MOSFETs während des Stromflusses klein ist, ist es möglich, die Batteriespannung zur Spannungs erfassungsschaltung genau auszugeben.

Ferner kann die erfindungsgemäße Spannungsakquisitionsschaltung aus einem Spannungsfolger gebildet sein. Daher ist es mit einfachen und miniaturisierten Elementen möglich, den Rauschfaktor der zu messenden Spannung von dem Kondensator zu beseitigen. Im Ergebnis kann eine billige miniaturisierte und hochgenaue Vorrichtung zum Messen der Batteriespan nung realisiert werden. Da ferner die Spannung des Blocks über den Spannungsfolger oder eine Konstantspannungsschaltung zur anschließend installierten Schaltung, wie etwa einem A/D-Wandler, zugeführt wird, wird eine genaue Spannung als die Spannung des Blocks, deren Rauschen beseitigt ist, erfasst.

Die Erfindung wird nun in Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der Struktur einer Vorrichtung zum Messen der Batteriespannung nach einer Ausführung;

Fig. 2A-2C sind Diagramme zum Beschreiben des Betriebs der Vorrichtung zum Messen der Batteriespannung in der Ausführung;

Fig. 3 ist ein schematisches Schaltdiagramm der Konstruktion eines Foto-MOSFET, das für die Schalter 201 bis 204 in der Aus führung benutzt wird; und

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der Gesamtkonstruktion eines Parallel- Hybridfahrzeugs, das eine Hybridfahrzeug-Bauart ist.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der Konfiguration einer Messvorrichtung für eine Batteriespannung nach einer Ausführung. In dieser Figur bezeichnet die Nummer 30 eine Sekundärbatterie, die das zu messende Objekt ist, und eine Mehrzahl von Sekundärbatterien 30 ist in Serie verbunden, unter Bildung eines Moduls 10. Eine Mehrzahl dieser Module 10 (10-1 bis 10-N) ist in Serie verbunden, um beispielsweise eine Energiespeichereinheit zu bilden. Die Nummer 20 (20-1 bis 20-N) bezeichnet eine Spannungserfassungs schaltung, die entsprechend jedem der Module 10 (10-1 bis 10-N) installiert ist und die jeweils parallel mit den Modulen 10 (10-1 bis 10-N) verbunden ist.

Diese Spannungserfassungsschaltung 20 (20-1 bis 20-N) umfasst: einen Kondensator 101, der parallel mit dem Modul 10 verbunden ist, einen Spannungsfolger 301, der mit der positiven Elektrode des Kondensators 101 verbunden ist, Schalter 201 und 202, die zwischen das Modul 10 und den Kondensator 101 eingesetzt und mit der positiven Elektrode bzw. der negativen Elektrode des Moduls 10 verbunden sind, sowie Schalter 203 und 204, die zwischen dem Spannungsfolger 301 und dem Kondensator 101 eingesetzt und mit den zwei Elektroden des Kondensators 101 verbunden sind. Hier ist der oben genannte Spannungsfolger 301 ein Op-Amp (Operationsverstärker), dessen Verstärkungsfaktor "1 " ist und dessen Eingangsspannung direkt am Ausgangsanschluss ausgegeben wird.

Es folgt eine Beschreibung des Betriebs der Spannungserfassungsschaltung obiger Konstruktion anhand der Fig. 2A bis 2C. Hier werden alle Schalter 201 bis 204 von einer CPU 700 (siehe Fig. 3) betrieben, die extern installiert ist. Die Details werden später beschrieben.

Zuerst werden, wie in Fig. 2A gezeigt, die Schalter 201 und 202 einge schaltet, und die Schalter 203 und 204 werden ausgeschaltet. Auf diese Weise werden das Modul 10 und der Kondensator 101 zu einem parallel verbundenen geschlossenen Schaltkreis, und die Spannung des Moduls 10 lädt den Kondensator 101. Wenn die Spannung des Kondensators 101 die gleiche Spannung wie das Modul 10 erreicht und der Stromfluss in diesem geschlossenen Kreis aufhört, dann werden auf der Basis eines vorbestimm ten Timing die bislang eingeschalteten Schalter 201 und 202 ausgeschaltet (siehe Fig. 2B). Hier bleiben zu dieser Zeit die Schalter 203 und 204 ausgeschaltet.

Anschließend werden nach einer vorbestimmten Zeitdauer die Schalter 203 und 204 auf der Basis eines vorbestimmten Timing (siehe Fig. 2C) eingeschaltet. Hierbei bleiben die Schalter 201 und 202 ausgeschaltet. Auf diese Weise erscheint die Spannung entsprechend der Spannung über dem Kondensator 101 am Ausgang des nachgeschalteten Spannungsfolgers 301. Dieser Spannungsfolger 301 hat, wie oben erwähnt, eine unendliche Eingangsimpedanz, so dass kein Strom in dem geschlossenen Kreis fließt, der durch das Einschalten der Schalter 203 und 204 gebildet ist. Daher kommt es zu keinem widerstandsbedingten Spannungsabfall, was bedeutet, dass die Spannung über dem Kondensator 101 am Ausgang des Span nungsfolgers 301 mit einem Verstärkungsfaktor von "1" erscheint.

Dann wird der Ausgang des Spannungsfolgers 301 durch einen A/D- Wandler etc., der dem Spannungsfolger 301 nachgeschaltet ist, in ein digitales Signal gewandelt. Dieses digitale Signal wird von einem Mikrocom puter (in der Figur weggelassen) etc. gelesen, um hierdurch die Spannung jedes Moduls zu erfassen. Auch durch Berechnung des Spannungswerts jedes Moduls kann die Spannung der gesamten Batterie erfasst werden.

Beim nächsten Timing sind dann, durch Ausschalten der Schalter 203 und 204, alle Schalter 201 bis 204 ausgeschaltet. Dann werden nach einer vorbestimmten Zeitdauer die Schalter 201 und 202 eingeschaltet.

Falls hierbei das elektrische Potential des Kondensators 101 höher als das elektrische Potential des Moduls 10 ist, entlädt der Kondensator 101 zu dem Modul 10. Daher ist es notwendig, dass die Schalter 201 und 202 bidirektional sind, um das Laden und Entladen des Kondensators 101 zu ermöglichen.

Auf diese Weise wiederholt die extern installierte CPU 700 die oben erwähnte Betriebsfolge mit einem vorbestimmten Timing, so dass es möglich ist, die Spannung des Moduls mit dem vorbestimmten Timing zu erfassen.

Durch Betrieb der obenerwähnten Schalter für alle Module 10 (10-1 bis 10- N) mit dem gleichen Timing ist es ferner möglich, die Spannungen aller Module 10 (10-1 bis 10-N) gleichzeitig zu erfassen.

Andererseits ist es durch sequentiellen Betrieb der Schalter jedes Moduls mit unterschiedlichem Timing auch möglich, die Spannungen der Module 10-1 bis 10-N auf der Basis eines vorbestimmten Timing sequentiell zu erfassen.

Da die Ansprechgeschwindigkeit der Schalter Schwankungen unterliegt, kommt es zu Fällen, in denen das Ein- und Ausschalten aufgrund der Ansprechgeschwindigkeit langsam wird, obwohl die Treibersignale für die Schalter abwechselnd ausgegeben werden. Wenn die Ansprechgeschwin digkeit des Schalters auf das Treibersignal des Schalters so langsam ist, dass alle Schalter 201 bis 204 eingeschaltet werden, kann die Spannung des Moduls 10 (10-1 bis 10-N) nicht erfasst werden.

Um diese Situation zu vermeiden, ist ein in Fig. 2B gezeigter Schritt vorgesehen, so dass eine Situation vermieden wird, in der die Schalter 201 bis 204 alle gleichzeitig deswegen eingeschaltet werden, weil die An sprechgeschwindigkeit Schwankungen unterliegt.

Daher ist es notwendig, die Zeitdauer, zu der alle Schalter 201 bis 204 ausgeschaltet sind, länger zu setzen als die Ansprechgeschwindigkeit der benutzten Schalter 201 bis 204.

Es folgt eine Beschreibung einer Konstruktion und eines Betriebsverfahrens für einen Foto-MOSFET, der für die vorgenannten Schalter 201 bis 204 benutzt wird.

Die vorgenannten Schaltelemente umfassen MOSFETs, die in Antwort auf Licht ein- und ausschalten, sowie Licht emittierende Elemente, wie etwa LEDs (Licht emittierende Dioden), welche Licht emittieren. Diese Licht emittierenden Elemente, wie etwa LEDs, werden durch die extern installierte CPU 700 betrieben. Insbesondere gibt die extern installierte CPU 700 zum Beispiel ein Rechteckwellensignal von 0 V bis 5 V aus, und in Antwort auf diese Spannung fließt ein Strom durch die Licht emittierenden Elemente. Daher emittieren die Licht emittierenden Elemente Licht, und die MOSFETs werden in Antwort auf dieses Licht betrieben.

Ferner sind die Kathoden der LEDs geerdet.

Die vorgenannten Foto-MOSFETs sind, anders als Fotokoppler, bidirektional, und die Licht emittierenden Elemente als Stromquellen und die MOSFETs sind elektrisch isoliert.

Da der Strom bidirektional fließt, müssen die für die vorgenannten Schalter 201 bis 204 benutzten Schaltelemente bidirektional sein. Ferner muss das Stromversorgungssystem, welches die Schalter betreibt, und die MOSFETs, die Schalter mit der Vorrichtung zum Messen der Batteriespannung sind, isoliert sein, so dass sie auch dann benutzt werden können, wenn die Spannung der zu messenden Batterie hoch ist.

Daher sind für die Schalter 201 bis 204 der vorliegenden Ausführung Foto- MOSFETs geeignet, die von dem Stromversorgungssystem isolieren können und die bidirektionale Schaltelemente sind.

Anstelle von Foto-MOSFETs können auch irgendwelche anderen Schalt elemente verwendet werden, die die oben erwähnten Bedingungen erfüllen. Ferner brauchen die Schalter 203 und 204, die den Kondensator 101 mit dem Spannungsfolger 301 in Fig. 1 verbinden, nicht bidirektional sein, solange sie von dem die Schalter betreibenden Stromversorgungssystem isoliert sind, da kein Stromfluss vorhanden ist. Daher können auch Fotokoppler etc. verwendet werden. Da in diesem Fall die Möglichkeit besteht, dass die Ansprechgeschwindigkeit der Schalter unterschiedlich ist, muss eine lange Zeitdauer gesetzt werden, wenn alle Schalter ausgeschaltet sind.

Ferner haben Foto-MOSFETs eine Charakteristik, dass der Spannungsabfall, der bei fließendem Strom auftritt, gering ist. Daher kann ein Problem, wie etwa Vcesat (Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung), die bei der Ver wendung von Fototransistoren oder dgl. auftritt, gelöst werden. Daher ist es möglich, die Spannung einer Batterie genau zu erfassen.

In der vorgenannten Ausführung wird als Spannungsakquisitionsschaltung ein Spannungsfolger benutzt. Jedoch ist es auch ohne die Verwendung eines Spannungsfolgers möglich, einen eine Spannung erfassenden A/D- Wandler direkt anzuschließen, oder anstelle des Spannungsfolgers kann auch ein Differenzverstärker, ein Invertierverstärker, ein nicht invertierender Verstärker und dgl. benutzt werden.

In der oben erwähnten Ausführung ist hier ein Modul erwähnt, in dem eine Mehrzahl von Batteriezellen verbunden ist. Jedoch könnte es sich auch um eine einzelne Batteriezelle handeln.

Ferner kann in der oben erwähnten Ausführung der Kondensator 101 ein elektrischer Doppelschichtkondensator sein. Ferner benutzt werden kann ein kapazitätsschwacher Kondensator oder ein Energiespeicherelement, das aus seriell verbundenen elektrischen Doppelschichtkondensatoren zusammen gesetzt ist. Daher kann jede Konstruktion benutzt werden, solange sie genug Spannung entsprechend einem Block speichern kann.

Nun wird anhand der Figuren ein Fall beschrieben, in dem als Anwendungs beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der Batteriespan nung, diese zum Erfassen der Spannung einer Batterie in einem Parallel- Hybridfahrzeug verwendet wird.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Parallel-Hybridfahr zeugs. In dieser Figur ist mit 1 eine Hochspannungssystem-Batterie bezeichnet. Diese ist aus einzelnen Modulen 10 (10-1, 10-2, . . .) aufgebaut, in denen eine Mehrzahl von Zellen in Serie verbunden ist, wobei eine Mehrzahl dieser Module in Serie verbunden ist. Eine Spannungserfassungs schaltung 20 (20-1, 20-2, . . .) zum Erfassen von Spannungen ist in jedem Modul (10-1, 10-2, . . .) installiert, und der Spannungswert jedes Moduls, der von dieser Spannungserfassungsschaltung erfasst ist, wird an eine Batteriesteuervorrichtung 5 ausgegeben.

Ferner erfassen ein Stromsensor zum Erfassen des in die Batterie 1 fließenden Stroms sowie ein Temperatursensor zum Erfassen der Tempera tur der Batterie 1 gemäß einem vorbestimmten Timing den Strom bzw. die Temperatur und geben diese Werte an die Batteriesteuervorrichtung 5 aus.

Die Nummer 2 bezeichnet eine Energietreibereinheit, die so aufgebaut ist, dass drei Paare von seriell verbundenen Zweifach-Schaltkomponenten parallel verbunden sind.

Die Nummer 3 bezeichnet eine Maschine, die durch Verbrennung von Kraftstoff betrieben wird, und die Nummer 4 bezeichnet einen Motor, der gemeinsam mit der Maschine 3 benutzt wird und durch elektrische Energie betrieben wird. Die Antriebskraft sowohl von der Maschine 3 als auch dem Motor 4 wird über ein Automatikgetriebe oder ein manuelles Getriebe (in der Figur nicht gezeigt) zu Antriebsrädern (in der Figur nicht gezeigt) übertragen. Ferner wird bei Verzögerung des Hybridfahrzeugs eine Antriebskraft von den Antriebsrädern auf den Motor 4 übertragen. Der Motor 4 wirkt als Generator, um eine sogenannte regenerative Bremskraft zu erzeugen, und lädt die Batterie 1. Hier kann die Konstruktion so sein, dass abgesehen vom Motor 4 zum Fahren auch ein Generator zum Laden der Batterie 1 vor gesehen ist.

Der Antrieb und die Regeneration des Motors 4 wird durch die Energietrei bereinheit 2 durchgeführt, die von einer Motorsteuervorrichtung Steuer anweisungen erhält. Insbesondere werden die Schaltelemente der Energie treibereinheit 2 durch die Motorsteuervorrichtung 6 derart ein- und ausgeschaltet, dass die elektrische Energie von der Batterie 1 über eine Dreiphasenleitung dem Motor 4 zugeführt wird oder regenerative elektrische Energie von dem Motor 4 der Batterie 1 zugeführt wird.

Die Nummer 5 bezeichnet die Batteriesteuervorrichtung, die die Spannung V (V1 bis Vn) jedes Moduls der Batterie 1 von der Spannungserfassungsschaltung 20 (20-1 bis 20-N) erhält und die ferner von dem Stromsensor einen aus der Batterie 1 fließenden Batteriestrom Ibatt erhält und die ferner eine Temperatur Tbatt der Batterie 1 mit vorbestimmtem Timing erhält und die ferner die Batterierestladung SOC der Batterie 1 aus diesen Ausgangs werten berechnet.

Die Nummer 7 bezeichnet eine Maschinensteuervorrichtung, die die Maschinendrehzahl NE, die Fahrzeuggeschwindigkeit und dergleichen zu jeder vorbestimmten Zeitdauer überwacht, um verschiedene Modi, wie etwa Motor-Regeneration, Unterstützung und Verzögerung, zu bestimmen. Gleichzeitig bestimmt die Maschinensteuervorrichtung 7 den Unterstüt zungs/Regenerierungsbetrag aus dem Ergebnis der oben erwähnten Modusbestimmung und aus der von der Batteriesteuervorrichtung 5 zugeführten Batterierestladung SOC.

Hier realisieren die Batteriesteuervorrichtung 5, die Motorsteuervorrichtung 6 und die Maschinensteuervorrichtung 7, die jeweils aus einer CPU (zentralen Prozessoreinheit) und einem Speicher aufgebaut sind, ihre Funktionen durch den Ablauf eines Programms, um die Funktionen der Steuervorrichtungen zu realisieren.

Nun wird die Spannungserfassung der Batterie 1 in dem Hybridfahrzeug der oben genannten Konstruktion beschrieben.

Zuerst gibt die Batteriesteuervorrichtung 5, auf der Basis eines vorbestimm ten Timings, ein Signal zum Einschalten der Schalter 201 und 202 an die Spannungserfassungsschaltung 20 aus. Wenn die Schalter 201 und 202 durch dieses Signal eingeschaltet sind, werden das Modul 10 und der Kondensator 101 zu einem parallel verbundenen geschlossenen Schaltkreis, und die Spannung des Moduls 10 lädt den Kondensator 101. Nachdem die Spannung des Kondensators 101 die gleiche Spannung wie die Spannung des Moduls 10 erreicht hat und in diesem geschlossenen Schaltkreis kein Strom mehr fließt, gibt dann die Batteriesteuervorrichtung 5 auf der Basis eines vorbestimmten Timing ein Signal zum Ausschalten der Schalter 201 und 202, die bislang eingeschaltet waren, an die Spannungserfassungs schaltung 20 aus. Auf der Basis dieses Signals werden alle Schalter 201 bis 204 ausgeschaltet.

Nach einer vorbestimmten Zeitdauer gibt anschließend die Batteriesteuervor richtung 5 auf der Basis eines vorbestimmten Timing ein Signal zum Einschalten der Schalter 203 und 204 an die Spannungserfassungs schaltung 20 aus. Hierbei bleiben die Schalter 201 und 202 aus. Auf diese Weise wird die in dem Kondensator 101 gespeicherte elektrische Ladung über den Schalter 203, der leitend ist, in den Eingangsanschluss des nachgeschalteten Spannungsfolgers 301 eingegeben. Dann wird durch den Spannungsfolger 301 die Eingangsspannung mit einem Verstärkungsfaktor von "1" ausgegeben. Das heißt, es wird die gleiche Spannung wie die Eingangsspannung am Ausgangsanschluss des Spannungsfolgers 301 ausgegeben. Dann wird die Ausgabe von dem Spannungsfolger 301 in die Batteriesteuervorrichtung 5 eingegeben. Die Batteriesteuervorrichtung 5 erfasst durch das Lesen dieser Ausgabe die Spannung der Batterie 1 und erfasst ferner die Restladung der Batterie 1 aus den Werten des Batterie stroms Ibatt und der Batterietemperatur Tbatt, die gleichzeitig zugeführt werden.

Auf diese Weise ist es mittels einer hochgenauen Spannungserfassungs schaltung durch das Erfassen der Spannung der Batterie möglich, jeden Teil des Hybridfahrzeugs mit hoher Genauigkeit zu steuern/zu regeln. Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Batteriespannung klein bemessen und billig, so dass es auch möglich ist, unter Verwendung dieser Vorrichtung zum Messen der Spannung der Batterien die Kosten reduzieren zu können.

Es wird eine Batteriespannungs-Messvorrichtung vorgeschlagen, die eine Batteriespannung mit hoher Genauigkeit erfassen kann und die bei reduzierten Kosten und reduziertem Rauschen miniaturisiert werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst: einen Kondensator 101, der auf die Spannung jedes Moduls 10-1, 10-2, 10-N geladen wird, Schalter 201 und 202, die diesen Kondensator und das Modul verbinden und trennen, einen Spannungsfolger 301, der die Spannung über dem Kondensator 101 ausgibt, sowie Schalter 203 und 204, die den Spannungsfolger 301 und den Kondensator 101 verbinden und trennen. Für diese Schalter 201 bis 204 werden Foto-MOSFETs benutzt. Ferner ist ein Spannungsfolger 301 installiert, um eine Entladung des Kondensators 101 zu verhindern. Daher lässt sich mittels einer unkomplizierten Schaltung mit billigen und einfachen Elementen eine kostengünstige und miniaturisierte Batteriespannungs- Messvorrichtung realisieren.

Claims

1. Batteriespannungs-Messvorrichtung (20), die eine Mehrzahl von in Serie verbundenen Batterien (30) in eine Mehrzahl von zumindest eine Batterie aufweisenden Blöcken (10-1, 10-2, 10-N) unterteilt und die Spannung der Blöcke misst, umfassend:
ein Energiespeicherelement (101), das parallel für jeden der Blöcke installiert ist;
eine Spannungsakquisitionsschaltung (301) zum Erhalten einer Ausgangsspannung entsprechend der Spannung über dem Energiespei cherelement;
eine erste Schaltelementgruppe (201, 202), die eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweist und die zwischen das Energiespeicher element und den Block eingesetzt ist, um das Energiespeicherelement und den Block parallel zu verbinden;
eine zweite Schaltelementgruppe (203, 204), die eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweist, die zwischen das Energiespeicher element und die Spannungsakquisitionsschaltung eingesetzt ist, um das Energiespeicherelement mit der Spannungsakquisitionsschaltung zu verbinden; und
einen Treiber (700) zum abwechselnden Schalten der ersten Schaltelementgruppe und der zweiten Schaltelementgruppe.

2. Batteriespannungs-Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Treiber (700) beim Schalten der ersten Schaltelementgruppe (201, 202) und der zweiten Schaltelement gruppe (203, 204) nach dem Ausschalten einer Schaltelementgruppe, die eingeschaltet war, die andere Schaltelementgruppe einschaltet, und die ferner, wenn die erste Schaltelementgruppe (201, 202) eingeschaltet ist, nachdem die Spannung des Energiespeicher elements (101) die gleiche Spannung wie der Block erreicht hat, die erste Schaltelementgruppe (201, 202) ausschaltet.

3. Batteriespannungs-Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsimpedanz der Spannungs akquisitionsschaltung (301) unendlich ist.

4. Batteriespannungs-Messvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (201, 202, 203, 204) bidirektional sind und von einer Stromquelle zum Betreiben der Schaltelemente isoliert sind.

5. Batteriespannungs-Messvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (201, 202, 203, 204) durch Foto-MOSFETs ausgeführt sind.