DE102004041901B4

DE102004041901B4 - Spannungsdetektor für eine Batterieanordnung

Info

Publication number: DE102004041901B4
Application number: DE102004041901A
Authority: DE
Inventors: Hideomi Toyota Adachi
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2024-08-31
Also published as: US20050083015A1; US7282890B2; DE102004041901A1; JP2005077207A; JP4238095B2

Abstract

Spannungsdetektor für eine Batterieanordnung, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen Einheitszellen (V_n) aufweist, mit
einer Niederspannungssystemschaltung (100), die von einer Niederspannungsquelle gespeist wird, die elektrisch getrennt von der Batterieanordnung ausgebildet ist, wobei die Niederspannungssystemschaltung (100) eine Aktivierungseinrichtung zur Aktivierung einer Detektion der Spannung einer jeweiligen Einheitszelle (V_n) aufweist, und
einer Hochspannungssystemschaltung (200), die von der Batterieanordnung gespeist wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Niederspannungssystemschaltung (100) eine Freigabepulsausgabeeinheit aufweist, die einen Freigabepuls (E_n) zur Aktivierung einer Detektion der Spannung einer jeweiligen Einheitszelle (V_n) abgibt,
dass die Hochspannungssystemschaltung (200) für jede Einheitszelle (V_n) eine Spannungspulsausgabeeinheit aufweist, die einen Spannungspuls abgibt, der der Spannung der jeweilig detektierten Einheitszelle (V_n) entspricht,
dass die Hochspannungssystemschaltung (200) für jede Einheitszelle (V_n) einen Schalter (S_1n) aufweist, der zwischen der jeweiligen Einheitszelle (V_n) und der jeweiligen Spannungspulsausgabeeinheit vorgesehen ist, und
dass die Hochspannungssystemschaltung (200) eine Schaltsteuerung aufweist, die nach Empfangen des Freigabepulses...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsdetektor für eine Batterieanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Als Leistungsquelle eines Elektrofahrzeugs wird eine Batterieanordnung verwendet, in der eine Vielzahl von Einheitszellen, die aus Batterien bestehen, in Serie oder parallel miteinander verbunden sind, so dass die Batterieanordnung eine notwendige große Kapazität aufweisen kann. Als ein Spannungsdetektor, um die Spannung über beiden Anschlüssen jeder Zelle der obigen Batterieanordnung zu detektieren, ist beispielsweise der in 6A gezeigte Spannungsdetektor in Form eines ohmschen Spannungsteilers bekannt. Für diesen Typ eines Spannungsdetektors betrachte man beispielsweise die JP-A-2000-134818.
Im Spannungsdetektor in Form eines ohmschen Spannungsteilers, wie er in 6A gezeigt ist, werden Schalter in der Reihenfolge der Schalter S₁ und S₄ → Schalter S₂ und S₄ → Schalter S₃ und S₄ nacheinander eingeschaltet. Dadurch werden beide Endabschnitte der Einheitszelle V₁ mit der Potentialteilungsschaltung, die aus den Widerständen R₁ und R₄ besteht, verbunden, beide Endabschnitte der Einheitszelle V₂ werden mit der Potentialteilungsschaltung, die aus den Widerständen R₂ und R₅ besteht, verbunden, und beide Endabschnitte der Einheitszelle V₃ werden mit der Potentialteilungsschaltung, die aus den Widerständen R₃ und R₄ besteht, in dieser Reihenfolge verbunden.
Anhand der Ausgangssignale der Potentialteilung V₁', V₂' und V₃' dieser Potentialteilungsschaltungen kann die Steuerung 4 die Spannungen über beiden Anschlüssen der Einheitszellen V₁ bis V₃ detektieren. Diese Steuerung wird mit elektrischer Leistung von der Niederspannungsleistungsquelle mit 5 V, die sich von der Batterieanordnung unterscheidet, versorgt. Weiterhin ist diese Steuerung mit der Erdleitung, die sich von der Erdleitung der Batterieanordnung unterscheidet, verbunden. Im oben beschriebenen Spannungsdetektor in Form eines ohmschen Spannungsteilers ist es möglich, wenn die Werte der Widerstände R₁ bis R₆, bei denen es sich um Potentialteilungswiderstände handelt, groß gemacht werden, die Niederspannungssystemsteuerung 4 und die Batterieanordnung im wesentlichen gegeneinander zu isolieren.
Im obigen Spannungsdetektor in Form eines ohmschen Spannungsteilers ist die Steuerung 4 jedoch mit der Batterieanordnung über Schalter S₁ bis S₄ verbunden. Somit ist es unmöglich, eine perfekte Isolation zwischen der Steuerung 4 und der Batterieanordnung zu erzielen.
Als Spannungsdetektor, der eine perfekte Isolation zwischen der Steuerung und der Batterieanordnung erzielt, ist ein in 6B gezeigter Spannungsdetektor mit frei floatendem Kondensator (flying capacitor type) bekannt. In Bezug auf diesen Spannungsdetektor betrachte man die JP-A-2002-315212. Beim in 6B gezeigten Spannungsdetektor mit frei floatendem Kondensator werden Schalter nacheinander in der Reihenfolge der Schalter S₇ und S₈ → Schalter S₈ und S₉ → Schalter S₉ und S₁₀ eingeschaltet.
Dadurch werden beide Endabschnitte mit dem Kondensator C in der Reihenfolge der Einheitszellen V₁ → V₂ → V₃ verbunden. Anhand der Spannung über beiden Anschlüssen des Kondensators C, der durch die Einheitszellen V₁ bis V₃ elektrisch geladen wurde, detektiert die Steuerung 4 die Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszellen V₁ bis V₃. In dieser Verbindung werden, wenn die Spannung über beiden Anschlüssen des Kondensators C detektiert wird, die Schalter S₁₁ und S₁₂ angeschaltet, und die Spannung über beiden Anschlüssen des Kondensators C wird an die Steuerung 4 ausgegeben. Zu dieser Zeit können, wenn die Batterieanordnung und der Kondensator C durch das Ausschalten der Schalter S₇ bis S₁₀ voneinander getrennt werden, die Batterieanordnung und die Steuerung 4 voneinander isoliert werden.
Im obigen Spannungsdetektor mit frei floatendem Kondensator werden jedoch die Schalter S₇ bis S₁₂ durch die Steuerung im Niederspannungssystem an- und ausgeschaltet. Um die Batterieanordnung und die Steuerung 4 voneinander zu isolieren, ist es somit notwendig, einen Schalter, wie einen Photo-MOS, der angeschaltet und ausgeschaltet wird, wenn ein optisches Signal eingegeben wird, für die Schalter S₇ bis S₁₂ zu verwenden. In diesen Fall werden die Herstellungskosten erhöht. Wenn deswegen beispielsweise die Schalter S₇ bis S₁₂ durch eine Logikschaltung in einem Hochspannungssystem, dem elektrische Leistung von der Batterieanordnung zugeführt wird, gesteuert werden, wird es unnötig, den Photo-MOS zu verwenden. In dieser Struktur können jedoch die Schalter S₇ bis S₁₂ die Batterieanordnung und die Steuerung 4 nicht voneinander isolieren.
Im in 6A gezeigten Spannungsdetektor in Form des ohmschen Spannungsteilers können durch eine Abweichung der Widerstände R₁ bis R₆, bei denen es sich um Potentialteilungswiderstände, die mit den Einheitszellen V₁ bis V₃ verbunden sind, handelt, Fehler verursacht werden. Diese Widerstände weisen auch eine Abweichung in Abhängigkeit von einer Änderung der Umgebungstemperatur auf.
Andererseits ist es im in 6B gezeigten Spannungsdetektor mit frei floatendem Kondensator, wenn ein gemeinsamer Kondensator C mit den Einheitszellen V₁ bis V₃ verbunden wird, möglich, Detektionsfehler, die durch eine Abweichung der Kondensatoren C, die mit jeder der Einheitszellen V₁ bis V₃ verbunden sind, verursacht werden, zu eliminieren. Aber sogar im Fall des obigen Kondensators C weicht seine Kapazität in der selben Art wie bei den Widerständen R₁ bis R₆ in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ab. Dadurch können Detektionsfehler verursacht werden.
Ein dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechender, aus der DE 195 39 695 bekannter Spannungsdetektor für eine Batterieanordnung mit einer Vielzahl von miteinander verbundenen Einheitszellen umfasst eine Niederspannungssystemschaltung mit einer Hilfsbatterie und eine Hochspannungssystemschaltung mit einer Hochspannungsbatterie. Eine Aktivierung der Spannungsmessung erfolgt durch ein Schaltelement. Eine Sensor- und Verstärkergruppe misst eine Klemmenspannung über jeder Einzelzelle des Zellenblocks. Die Messergebnisse werden in die Niederspannungssystemschaltung eingegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten Spannungsdetektor für eine Batterieanordnung zu schaffen, der eine genaue und schnelle Messung von Einheitszellen der Batterieanordnung ausführen kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Der erfindungsgemäße Spannungsdetektor umfasst eine Niederspannungssystemschaltung, die von einer Niederspannungsquelle gespeist wird, und eine Hochspannungssystemschaltung, die von der Batterieanordnung gespeist wird. Die Niederspannungssystemschaltung weist eine Freigabepulsausgabeeinheit auf, die einen Freigabepuls zur Aktivierung einer Detektion der Span nung einer jeweiligen Einheitszelle der Batterieanordnung abgibt. Die Hochspannungssystemschaltung weist für jede Einheitszelle eine Spannungspulsausgabeeinheit auf, die einen Spannungspuls abgibt, der der Spannung der jeweilig detektierten Einheitszelle entspricht. Außerdem weist jede Hochspannungssystemschaltung für jede Einheitszelle einen Schalter auf, der zwischen der jeweiligen Einheitszelle und der jeweiligen Spannungspulsausgabeeinheit vorgesehen ist. Die Hochspannungssystemschaltung weist eine Schaltsteuerung auf, die nach Empfangen des Freigabepulses von der Freigabepulsausgabeeinheit eine An-Aus-Steuerung der jeweiligen Schalter derart durchführt, dass jede Einheitszelle nacheinander mit ihrer zugehörigen Spannungspulsausgabeeinheit verbunden wird. Da sowohl die Schaltsteuerung, als auch die jeweiligen Schalter in der Hochspannungssystemschaltung vorgesehen sind, entfällt die Notwendigkeit der elektrischen Trennung zwischen Schaltsteuerung und den jeweiligen Schaltern. Der Spannungsdetektor kann ohne Verwendung von Foto-MOSFETs realisiert werden und ist daher kostengünstig herstellbar. Mit dem so aufgebauten Spannungsdetektor kann eine schnelle und präzise Messung der Spannungen der Einheitszellen der Batterieanordnung ausgeführt werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 ein Schaltungsdiagramm, das eine erste Ausführungsform des Spannungsdetektors der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Ansicht, die den detaillierten Aufbau des Schalters S_1n, der Integrationsschaltung 1_n , der Vergleichs schaltung CP_n, des Pegelumsetzers 2_n und des Umkehrpegelumsetzers 5_n für eine beliebige Einheitszelle V_n zeigt;
3 ein Zeitdiagramm verschiedener Signale in der Hochspannungssystemschaltung 200;
4 ein Schaltungsdiagramm, das einen Spannungsdetektor der Batterieanordnung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ein Schaltungsdiagramm, das einen Spannungsdetektor der Batterieanordnung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
6A ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel des Spannungsdetektors in Form eines ohmschen Spannungsteilers zeigt, und 6B ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel des Spannungsdetektors mit frei floatendem Kondensator zeigt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine erste Ausführungsform des Spannungsdetektors der Batterieanordnung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ein Spannungsdetektor der Batterieanordnung, der nachfolgend als ein Spannungsdetektor bezeichnet wird, ist eine Vorrichtung für das Detektieren einer Spannung über beiden Anschlüssen jeder Einheitszelle einer Batterieanordnung, die auf einem Fahrzeug montiert ist, in welcher eine Vielzahl aus Einheitszellen, die aus Batterien aufgebaut sind, miteinander verbunden sind. In dieser Ausführungsform wird, um die Erläuterungen zu vereinfachen, hier ein Spannungsdetektor erläutert, der Spannungen über beiden Anschlüssen von drei Einheitszellen V₁ bis V₃, von denen jede aus einer Batterie besteht, detektiert.
Wie in 1 gezeigt ist, so umfasst der Spannungsdetektor: einen Mikrocomputer 100, der eine Niederspannungssystemschaltung bedient, und eine Hochspannungssystemschaltung 200. Der Mikrocomputer 100 wird durch die elektrische Leistung, die von einer Niederspannungsleistungsquelle, die sich von der Batterieanordnung unterscheidet, geliefert wird, betrieben. Dieser Mikrocomputer 100 ist mit einem Fahrzeugkörper geerdet. Andererseits wird die Hochspannungssystemschaltung 200 durch elektrische Leistung, die von der Batterieanordnung, die aus den Einheitszellen V₁ bis V₃ besteht, geliefert wird, betrieben. Diese Hochspannungssystemschaltung 200 ist gegenüber der Fahrzeugkörpererde isoliert.
Der Mikrocomputer 100 bedient eine Freigabepulsausgabeeinheit. Somit gibt der Mikrocomputer 100 einen Freigabepuls E_n, der anordnet, die Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszellen V₁ bis V₃ zu detektieren, aus. Die obige Hochspannungssystemschaltung 200 weist eine Spannungspulsausgabeschaltung auf, die einschließt: Integrationsschaltungen 11 bis 13, Vergleichsschaltungen CP1 bis CP3, Pegelumsetzer 21 bis 23, UND-Gatter 31 bis 33, ODER-Gatter 201, und eine Zählpulserzeugungsschaltung 202. Die Spannungspulsausgabeschaltung bedient die Spannungspulsausgabeeinheit.
Weiterhin umfasst die Hochspannungssystemschaltung 200 Schalter S₁₁ bis S₁₃, die zwischen den Einheitszellen V₁ bis V₃ und den Integrationsschaltungen 11 bis 13 vorgesehen sind. Diese Schalter S₁₁ bis S₁₃ können die Eingangsspannung, die in die Integrationsschaltungen 11 bis 13 eingegeben wird, zwischen den Spannungen über beiden Anschlüssen der Einheitszellen V₁ bis V₃ und den Referenzspannungen V_ref1 bis V_ref3, deren Polaritäten entgegengesetzt zu den Polaritäten der Spannungen über beiden Anschlüssen sind, umschalten.
Weiterhin weist die Hochspannungsschaltung 200 eine Schaltsteuerschaltung auf, die einschließt: einen Multiplexer 203, Logikschaltungen 41 bis 43, Umkehrschiebeschaltungen 51 bis 53, UND-Gatter 61 bis 63, UND-Gatter 71 bis 73, ein ODER-Gatter 204, eine Zählpulserzeugungsschaltung 205 und einen Zähler 206. Die Schaltsteuerschaltung bedient eine Schaltsteuerung.
Als nächstes wird unter Bezug auf 2 der Aufbau der oben beschriebenen Hochspannungssystemschaltung 200 im Detail folgendermaßen beschrieben. In 2 sind der Schalter S_1n, die Integrationsschaltung 1_n , die Vergleichschaltung CP_n, der Pegelumsetzer 2_n und der Umkehrpegelumsetzer 5_n für eine beliebige Einheitszelle V_n im Detail gezeigt.
Wie in 2 gezeigt ist, so kann ein Schalter S_1n die Eingangsspannung der Integrationsschaltung 1_n zwischen der Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V_n und der Referenzspannung V_refn umschalten. Diese Referenzspannung V_refn wird von der Konstantspannungsleistungsquelle 8_n , die zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände R₂₁, R₂₂, die mit der Einheitszelle V_n in Serie verbunden sind, und der negativen Seite der Einheitszelle V_n verbunden ist, geliefert.
Die obige Integrationsschaltung 1_n wird durch einen Operationsverstärker A gebildet. Der Widerstand R₂₃ ist zwischen dem positiven Eingang dieses Operationsverstärkers A und dem Schalter S_1n angeschlossen. Ein Kondensator C ist zwischen dem positiven Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers A angeschlossen. Der negative Eingang des Operationsverstärkers A wird mit dem Potentialteilungswert V_S, den man erhält, wenn die Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V_n durch die Widerstände R₂₁ und R₂₂ geteilt wird, versorgt.
Ein Ausgang der Integrationsschaltung 1_n wird zum positiven Eingang der Vergleichsschaltung CP_n geführt. Der negative Eingang dieser Vergleichsschaltung CP_n wird mit dem Potentialteilungswert V_S versorgt. Wenn somit das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 1_n kleiner als der Potentialteilungswert V_S geworden ist, gibt die Vergleichsschaltung CP_n ein Signal mit dem Pegel H aus. Weiterhin wird das Ausgangssignal dieser Vergleichsschaltung CP_n an den Pegelumsetzer 2_n geliefert.
Der Pegelumsetzer 2_n umfasst: einen Transistor T_r1, bei dem das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung CP_n in dessen Basis eingegeben wird, wobei die positive Seite der Einheitszelle V_n mit dem Kollektor über die Widerstände R₂₄, R₂₅ verbunden ist, und wobei die negative Seite der Einheitszelle V_n mit dem Emitter verbunden ist, und einen Transistor T_r2, bei dem ein Verbindungspunkt der Widerstände R₂₄, R₂₅ mit der Basis verbunden ist, wobei die positive Seite der Einheitszelle V_n mit dem Kollektor verbunden ist, und die Erde, die sich von der Körpererde unterscheidet, mit dem Emitter über die Widerstandsgruppen R₂₆ und R₂₇ verbunden ist.
Somit werden, wenn ein Signal des Pegels H von der Vergleichsschaltung CP_n ausgegeben und in den Pegelumsetzer 2_n eingegeben wird, die Transistoren T_r1 und T_r2 angeschaltet. Dadurch gibt der Pegelumsetzer 2_n ein Signal aus, bei dem ein Signal des Pegels H der Vergleichsschaltung CP_n in seinem Pegel auf einen Potentialteilungswert, den man erhält, wenn die Spannung der positiven Seite der Einheitszelle V_n durch die Widerstandsgruppen R₂₆ und R₂₇ geteilt wird, umgesetzt wurde.
Der Umkehrpegelumsetzer 5_n ist zwischen den Einheitszellen V_n vorgesehen. In diesen Umkehrpegelumsetzer 5_n wird ein AN-Signal S_c, das vom Anschluss C der Logikschaltung 4_n ausgegeben wird, und ein AN-Signal S_d, das vom Anschluss D ausgegeben wird, eingegeben. Der Umkehrpegelumsetzer 5_n umfasst: einen Transistor T_r3, in dessen Basis das AN-Signal S_c eingegeben wird, wobei die positive Seite der Einheitszelle V_n mit dem Kollektor über die Widerstandsgruppen R₂₈, R₂₉ verbunden ist, und wobei die Erde mit dem Emitter verbunden ist, und einen Transistor T_r4, wobei der Verbindungspunkt der Widerstandsgruppen R₂₈ und R₂₉ mit der Basis verbunden ist, wobei die positive Seite der Einheitszelle V_n mit dem Kollektor verbunden ist, und wobei die negative Seite der Einheitszelle V_n mit dem Emitter über die Widerstände R₃₀ und R₃₁ verbunden ist.
Weiterhin umfasst der Umkehrpegelumsetzer 5_n folgendes: einen Transistor T_r5, in dessen Basis das AN-Signal S_d eingegeben wird, wobei die positive Seite der Einheitszelle V_n mit dem Kollektor über die Widerstandsgruppen R₃₂ und R₃₃ verbunden ist, und die Erde mit dem Emitter verbunden ist, und einen Transistor T_r6, bei dem der Verbindungspunkt der Widerstandsgruppen R₃₂ und R₃₃ mit der Basis verbunden ist, wobei die positive Seite der Einheitszelle V_n mit dem Kollektor verbunden ist, und wobei die negative Seite der Einheitszelle V_n mit dem Emitter über die Widerstände R₃₄ und R₃₅ verbunden ist.
Somit werden, wenn das AN-Signal S_c ausgegeben und in den Umkehrpegelumsetzer 5_n eingegeben wird, die Transistoren T_r3 und T_r4 angeschaltet. Dadurch gibt der Umkehrpegelumsetzer 5_n ein AN-Signal S_c aus, das man erhält, wenn das AN-Signal S_c auf einen Potentialteilungswert, bei dem die Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V_n durch den Widerstand R₁₀ und R₃₁ geteilt wurde, umgesetzt wird.
Wenn andererseits das AN-Signal S_d ausgegeben und in den Umkehrpegelumsetzer 5_n eingegeben wird, werden die Transistoren T_r5 und T_r6 angeschaltet. Dadurch gibt der Umkehrpegelumsetzer 5_n ein AN-Signal S_d, aus, das man erhält, wenn das AN-Signal S_d in seinem Pegel auf einen Potentialteilungswert umgesetzt wird, bei dem eine Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V_n durch den Widerstand R₃₄ und den Widerstand R₃₅ geteilt wird.
Als nächstes erfolgen Erläuterungen der Prinzipien der Detektion der Spannungen über beiden Anschlüssen der Einheitszellen V₁ bis V₃ durch die Spannungspulsausgabeschaltung. Der Potentialteilungswert V_S wird an den negativen Eingang des Operationsverstärkers A, der die Integrationsschaltung 1_n bildet, geliefert. Somit wird, wenn kein Eingangssignal an die Integrationsschaltung 1_n geliefert wird, das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 1_n gleich dem Potentialteilungswert V_S.
Als nächstes beginnt, wenn der Schalter S_1n betätigt wird und die Spannung über beiden Anschlüssen V_IN der Einheitszelle V_n in die Integrationsschaltung 1_n für eine vorbestimmte Zeitdauer T₁ eingegeben wird, die Integrationsschaltung 1_n die Integration der Spannung über beiden Anschlüssen V_IN. Dadurch nimmt das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 1_n vom Potentialteilungswert V_S um den Integrationswert ∫V_INdT der Spannung über beiden Anschlüssen ab. Nachdem die obige vorbestimmten Zeitdauer T₁ vergangen ist, wird der Integrationswert ∫V_INdT₁ der Spannung V_IN über beiden Anschlüssen zu {V_IN × T₁/(R₂₃ × C)}. Somit stellt das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 1_n einen Wert dar, der sich aus der Subtraktion des Integrationswertes ∫V_INdT₁ = {V_IN × T₁/(R₂₃ × C)} vom Potentialteilungswert V_S berechnet.
Als nächstes beginnt, wenn der Schalter S_1n betätigt wird und die Referenzspannung V_refn, deren Polarität entgegengesetzt zur Polarität der Spannung über beiden Anschlüssen V_IN der Einheitszelle V_n ist, in die Integrationsschaltung 1_n eingegeben wird, die Integration der Referenzspannung V_refn. Wenn die Referenzspannung V_refn der entgegengesetzten Polarität integriert wird, so wird das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 1_n durch den Integrationswert ∫V_refndT der Referenzspannung V_refn erhöht. Dann wird die Zeit T₂ gemessen, die sich erstreckt vom Zeitpunkt, zu dem die Referenzspannung V_refn eingegeben wird, bis zum Zeitpunkt, zu dem das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 1_n wieder gleich dem Potentialteilungswert V_sn wird.
Der Integrationswert ∫V_refndT₂ der Referenzspannung V_refn wird in der oben gemessenen Zeit T₂ gleich V_refn × T₂/(R₂₃ × C). Somit wird, da der Integrationswert ∫V_INdT₁ und der Integrationswert ∫V_refndT₂ einander gleich sind, die folgende Gleichung (1) gebildet. VIN × T1/(R23 × C) = Vrefn × T2/(R23 × C) (1)
Die folgende Gleichung (2) kann aus der obigen Gleichung (1) gebildet werden. VIN = Vrefn × (T2/T1) (2)
Somit ist es, da die obige Referenzspannung V_refn und die vorbestimmte Zeitdauer T₁ schon bekannt sind, wenn die Zeit T₂ gemessen wird, möglich, die Spannung V_IN über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V_n zu detektieren.
Schließlich kann in der vorliegenden Ausführungsform die Spannung über beiden Anschlüssen gemäß der Zeit T₂ vom Zeitpunkt, zu der die Integration der Referenzspannung V_refn gestartet wird, bis zum Zeitpunkt, zu dem der Integrationswert ∫V_refndT gleich dem Integrationswert ∫V_refndT₁ wird, den man erhält, wenn die Spannung über beiden Anschlüssen V_IN der Einheitszelle V_n während einer vorbestimmten Zeitdauer T₁ integriert wird, detektiert werden. Wenn die Spannung über beiden Anschlüssen gemäß der Zeit T₂ detektiert wird, wie das oben beschrieben wurde, so ist es, wie aus der obigen Gleichung (2) verständlich wird, möglich, die Spannung V_IN über beiden Anschlüssen ohne Verwendung des Widerstands R₂₃ und des Kondensators C, die die Integrationsschaltung 1_n bilden, zu erhalten. Somit ist es möglich, den Einfluss des Detektionsfehlers, der durch die Abweichung des Detektionselements, wie der Integrationsschaltung 1_n , das mit der Einheitszelle V_n verbunden ist, zu eliminieren.
Wenn ein Eingangssignal der Integrationsschaltung 1_n zwischen der Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V_n und der Referenzspannung V_refn, deren Polarität entgegengesetzt zur Polarität der Spannung über beiden Anschlüssen ist, umgeschaltet wird, ist es möglich die Zeit T₂ unter Verwendung einer Integrationsschaltung 1_n zu messen.
Der Betrieb des Spannungsdetektors, der oben kurz beschrieben wurde, wird im Detail unter Bezug auf das in 3 gezeigte Flussdiagramm folgendermaßen erläutert. Zuerst gibt der Mikrocomputer 100 einen Freigabepuls E_n ((a) in 3) aus. Der Freigabepuls E_n wird durch einen Optokoppler FC1 in einen optischen Puls umgewandelt und der Hochspannungssystemschaltung 200 zugeführt. Der Freigabepuls E_n, der über den Optokoppler FC1 geliefert wurde, wird an den Multiplexer 203 geliefert. Der Multiplexer 203 gibt ein Signal mit dem Pegel H aus dem Anschluss X gemäß einem Anstieg des Freigabepulses E_n aus.
Dadurch wird der Anschluss A der Logikschaltung 41 mit einem Signal des Pegels H ((b) in 3) versorgt, und der Anschluss B wird mit einem Signal des Pegels L ((c) in 3) versorgt. Wenn am Anschluss A das Signal mit dem Pegel H eingegeben wird, und wenn am Anschluss B das Signal mit dem Pegel L eingegeben wird, so gibt die Logikschaltung 41 ein AN-Signal S_c mit dem Pegel H vom Anschluss C ((d) der 3) aus. Nachdem das AN-Signal S_c durch den Umkehrpegelumsetzer 51 in seinem Pegel umgesetzt wurde, wird es in den Schalter S₁₁ eingegeben.
Dadurch wird die Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V₁ in die Integrationsschaltung 11 vom Schalter S₁₁ eingegeben. Wie oben beschrieben wurde, wird durch die Eingabe der Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V₁ ein Ausgangssignal der Integrationsschaltung 1_n auf einen Wert, der niedriger als der Potentialteilungswert V_S ((f) in 3) liegt, reduziert. Somit nimmt das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung CP1 den Pegel H an ((g) in 3).
Gemäß dem Pegel H der Vergleichsschaltung CP1 nehmen beide Eingänge des UND-Gatters 71 den Pegel H an. Somit wird ein Signal des Pegels H an die Zählpulserzeugungsschaltung 205 über das ODER-Gatter 204 geliefert. Gemäß der Zuführung dieses Signals mit dem Pegel H gibt die Zählpulserzeugungsschaltung 205 einen Zählpuls aus ((h) in 3). Dann zählt der Zähler 206 die Anzahl der Zählpulse. Wenn die Anzahl der Pulse eine Größe annimmt, die der vorbestimmten Zeit T₁ entspricht, wird ein Signal mit dem Pegel H ausgegeben ((i) der 3). Somit werden beide Eingänge des UND-Gatters 61 mit einem Signal mit dem Pegel H versorgt. Somit wird das Signal mit dem Pegel H auch an den Anschluss B der Logikschaltung 41 geliefert (3(c)).
Gemäß der Lieferung des Signals mit dem Pegel H an die Logikschaltung 41 stoppt die Logikschaltung 41 die Ausgabe des AN-Signals S_c vom Anschluss C (3(d)). Zur selben Zeit gibt die Logikschaltung 41 das AN-Signal S_d vom Anschluss D((e) in 3) aus. Nachdem das AN-Signal S_d durch den Umkehrpegelumsetzer 51 im Pegel umgesetzt wurde, wird es in den Schalter S₁₁ eingegeben. Während Vorangehendem wird die Referenzspannung V_ref1 in die Integrationsschaltung 11 vom Schalter S₁₁ eingegeben.
Wenn das AN-Signal 5d ausgegeben wird, so weisen beide Eingänge des UND-Gatters den Pegel H auf. Somit wird das Signal des Pegels H an die Zählpulserzeugungsschaltung 202 über das ODER-Gatter 201 geliefert. Gemäß der Lieferung des Signals mit dem Pegel H gibt die Zählspulserzeugungsschaltung 202 einen Zählpuls aus ((j) in 3).
Wenn die vorbestimmte Zeitdauer T₁ vergangen ist, nachdem die Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V₁ in die Integrationsschaltung 11 eingegeben wurde, wird der Schalter S₁₁ umgeschaltet, und die Referenzspannung V_ref1 wird in die Integrationsschaltung 11 eingegeben, und es wird ein Zählpuls von der Zählpulserzeugungsschaltung 202 ausgegeben.
Gemäß der Eingabe der Referenzspannung V_reff wird ein Ausgangssignal der Integrationsschaltung erhöht (siehe (f) von 3). Wenn das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 11 den Potentialteilungswert V_S durch die Erhöhung des Ausgangssignals wieder überschreitet, so nimmt ein Ausgangssignal der Vergleichsschaltung CP1 den Pegel L an ((g) der 3). Gemäß dem Pegel L der Vergleichsschaltung CP1 gibt das UND-Gatter 31 auch ein Signal mit dem Pegel L aus. Dieses Signal mit dem Pegel L wird an die Zählpulserzeugungsschaltung 202 über das ODER-Gatter 201 geliefert. Dadurch stoppt die Zählpulserzeugungsschaltung 202 die Ausgabe des Zählpulses ((j) der 3).
Schließlich gibt die Zählpulserzeugungsschaltung 202 Zählpulse für die Zeitdauer T₂ aus, die vom Zeitpunkt, wenn die Eingangsspannung der Integrationsschaltung 11 von der Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V₁ auf die Referenzspannung V_refn umgeschaltet wird, bis zum Zeitpunkt, wenn das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 11 gleicht dem Ausgangssignal V_S der Integrationsschaltung 11 wird, bevor die Spannung über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V₁ eingegeben wird, reicht. Dieser Zählpuls wird an den Zähler 101 im Mikrocomputer 200 über den Optokoppler FC2 geliefert.
Ein Ausgang des ODER-Gatters 201 ist mit dem Multiplexer 203 verbunden. Jedes Mal, wenn das Ausgangssignal des ODER-Gatters 201 nach unten geht, gibt der Multiplexer 203 ein Signal des Pegels H in der Reihenfolge der Anschlüsse X und Y aus. Dadurch kann in Bezug auf die Einheitszellen V₂ und V₃ der Zählpuls in derselben Weise ausgegeben werden. Somit kann die Zeit T₂ auf der Seite des Mikrocomputers 100 erfasst werden, und die Spannung über beiden Anschlüssen kann detektiert werden.
Gemäß dem oben beschriebenen Spannungsdetektor wird es, wenn die Schaltsteuerschaltung für die Steuerung der Schalter S₁₁ bis S₁₃ in der Hochspannungssystemschaltung 200 vorgesehen wird, unnötig, die Schalter S₁₁ bis S₁₃ und die Schaltsteuerschaltung gegeneinander zu isolieren. Somit ist es nicht notwendig, einen so teuren Schalter, wie einen Photo-MOS zu verwenden. Weiterhin können Signale zwischen der Hochspannungssystemschaltung 200 und der Niederspannungssystemschaltung 100 mit optischen Pulsen durch die Verwendung von Opto kopplern FC1 und FC2 gesendet und empfangen werden. Somit ist es, sogar wenn die Schaltsteuerschaltung in der Hochspannungssystemschaltung 200 vorgesehen ist, möglich, die Batterieanordnung und die Niederspannungssystemschaltung 100 gegeneinander zu isolieren. Somit können die Batterieanordnung und die Niederspannungssystemschaltung 100 gegeneinander isoliert werden, ohne die Verwendung eines solch teueren Schalters, wie eines Photo-MOS.
In der ersten Ausführungsform werden der Freigabepuls E_n und die Zählpulse unter Verwendung von Optokopplern FC1 und FC2 in optische Pulse umgewandelt. Wenn jedoch beispielsweise Relaisschalter verwendet werden, so ist es möglich, die Niederspannungssystemschaltung 100 und die Hochspannungssystemschaltung 200 voneinander zu isolieren.
In der ersten Ausführungsform gibt die Zählpulserzeugungsschaltung 202 einen Spannungspuls aus und sie ist auf der Seite der Hochspannungssystemschaltung 200 angeordnet. In der zweiten Ausführungsform kann jedoch erwogen werden, dass die Zählpulserzeugungsschaltung 202 auf der Seite des Mikrocomputers 100 vorgesehen ist, wie das in 4 gezeigt ist. In diesem Fall wird die Zahl des Zündens des Optokopplers FC2 erniedrigt. Somit kann eine Zerstörung des Optokopplers FC2 verzögert werden.
In der ersten Ausführungsform sind die Zahlpulserzeugungsschaltung 205 für das Messen einer vorbestimmen Zeit T₁ und der Zähler 206 auf der Seite der Hochspannungssystemschaltung 200 vorgesehen. In der dritten Ausführungsform ist es jedoch möglich zu erwägen, dass die Zählpulserzeugungsschaltung 205 und der Zähler 206 auf der Seite des Mikrocomputers 100 vorgesehen sind, wie das in 5 gezeigt ist. In diesem Fall können, da das Zählverfahren auf der Seite der Niederspannungssystemschaltung 100 durchgeführt werden kann, die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit des Messens einer Spannung verbessert werden. In dieser Hinsicht wird im Fall, der in 5 gezeigt ist, der Zähler 206 in beiden Zählpulsschaltungen 202 und 205 verwendet.
In der ersten Ausführungsform wird die Spannung über beiden Anschlüssen gemäß der Zeit T₂ vom Zeitpunkt, zu dem die Integration der Referenzspannung V_refn gestartet wird, bis zum Zeitpunkt, zu dem der Integrationswert ∫V_refndT gleich dem Integrationswert ∫V_INdT₁ wird, der erhalten wird, wenn die Spannung über beiden Anschlüssen V_IN der Einheitszelle V_n für eine vorbestimmte Zeitdauer T₁ integriert wird, detektiert. Dieselbe Wirkung kann jedoch beispielsweise geliefert werden, wenn die Spannung über beiden Anschlüssen gemäß der Zeit T₂ vom Zeitpunkt, zu dem die Integration der Spannung V_IN über beiden Anschlüssen der Einheitszelle V_n gestartet wird, bis zum Zeitpunkt, zu dem der Integrationswert ∫V_INdT gleich dem Integrationswert ∫V_refndT₁ wird, der erhalten wird, wenn die Referenzspannung V_refn für eine vorbestimmte Zeitdauer T₁ integriert wird, detektiert wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden für Fachleute aus den hier angegebenen Lehren verschiedene Änderungen und Modifikationen sichtbar sein. Solche Änderungen und Modifikationen, wie sie offensichtlich sind, werden so angesehen, als liegen sie im Wesen, dem Umfang und der Betrachtung der Erfindung, wie sie in den angefügten Ansprüchen definiert wird.

Claims

Spannungsdetektor für eine Batterieanordnung, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen Einheitszellen (V_n) aufweist, mit einer Niederspannungssystemschaltung (100), die von einer Niederspannungsquelle gespeist wird, die elektrisch getrennt von der Batterieanordnung ausgebildet ist, wobei die Niederspannungssystemschaltung (100) eine Aktivierungseinrichtung zur Aktivierung einer Detektion der Spannung einer jeweiligen Einheitszelle (V_n) aufweist, und einer Hochspannungssystemschaltung (200), die von der Batterieanordnung gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederspannungssystemschaltung (100) eine Freigabepulsausgabeeinheit aufweist, die einen Freigabepuls (E_n) zur Aktivierung einer Detektion der Spannung einer jeweiligen Einheitszelle (V_n) abgibt, dass die Hochspannungssystemschaltung (200) für jede Einheitszelle (V_n) eine Spannungspulsausgabeeinheit aufweist, die einen Spannungspuls abgibt, der der Spannung der jeweilig detektierten Einheitszelle (V_n) entspricht, dass die Hochspannungssystemschaltung (200) für jede Einheitszelle (V_n) einen Schalter (S_1n) aufweist, der zwischen der jeweiligen Einheitszelle (V_n) und der jeweiligen Spannungspulsausgabeeinheit vorgesehen ist, und dass die Hochspannungssystemschaltung (200) eine Schaltsteuerung aufweist, die nach Empfangen des Freigabepulses (E_n) eine AN-AUS-Steuerung der jeweiligen Schalter (S_1n) derart durchführt, dass jede Einheitszelle (V_n) nacheinander mit ihrer zugehörigen Spannungspulsausgabeeinheit verbunden wird.
Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltsteuerung einen Multiplexer (203) aufweist.
Spannungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabepulseinheit einen ersten Optokoppler (FC1) aufweist.
Spannungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungssystemschaltung (200) für jede Einheitszelle (V_n) eine Referenzspannungsquelle und eine Integrationsschaltung (1_n ) aufweist, dass der Schalter (S_1n) zwischen der Spannung der Einheitszelle (V_n) und der Spannung der Referenzspannungsquelle umschaltbar ist, wobei die Referenzspannung eine umgekehrte Polarität gegenüber der Spannung der Einheitszelle (V_n) hat, dass die Integrationsschaltung (1_n ) die Spannung der Einheitszelle (V_n) über eine erste Zeitdauer (T₁), die vorgegeben ist, integriert, dass nach Ablauf der ersten Zeitdauer (T₁) die Hochspannungssystemschaltung (200) von der Spannung der Einheitszelle (V_n) zur Referenzspannungsquelle umschaltet, dass die Integrationsschaltung (1_n ) die Referenzspannung solange integriert, bis sie die Spannung der Einheitszelle (V_n) erreicht hat und dieser Zeitraum von dem Spannungsdetektor als eine zweite Zeitdauer (T₂) gemessen wird, dass der Spannungsdetektor aus der zweiten Zeitdauer (T₂) die momentane Spannung der jeweiligen Einheitszelle (V_n) bestimmt.
Spannungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungssystemschaltung (200) für jede Einheitszelle (V_n) eine Referenzspannungsquelle und eine Integrationsschaltung (1_n ) aufweist, dass der Schalter (S_1n) zwischen der Spannung der Einheitszelle (V_n) und der Spannung der Referenzspannungsquelle umschaltbar ist, wobei die Referenzspannung eine umgekehrte Polarität gegenüber der Spannung der Einheitszelle (V_n) hat, dass die Integrationsschaltung (1_n ) die Spannung der Referenzspannungsquelle über eine erste Zeitdauer (T₁), die vorgegeben ist, integriert, dass nach Ablauf der ersten Zeitdauer (T₁) die Hochspannungssystemschaltung (200) von der Referenzspannungsquelle zur Spannung der Einheitszelle (V_n) umschaltet, dass die Integrationsschaltung (1_n ) die Spannung der Einheitszelle (V_n) solange integriert, bis sie die Spannung der Referenzspannungsquelle erreicht hat und dieser Zeitraum von dem Spannungsdetektor als eine zweite Zeitdauer (T₂) gemessen wird, dass der Spannungsdetektor aus der zweiten Zeitdauer (T₂) die momentane Spannung der jeweiligen Einheitszelle (V_n) bestimmt.
Spannungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsschaltung (200) einen ersten Zähler (206) zum Bereitstellen der ersten Zeitdauer (T₁) aufweist.
Spannungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederspannungssystemschaltung (100) einen ersten Zähler (206) zum Bereitstellen der ersten Zeitdauer (T₁) aufweist.
Spannungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederspannungssystemschaltung (100) einen zweiten Zähler (101) zum Messen der zweiten Zeitdauer (T₂) aufweist.
Spannungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Zähler (101) in der Niederspannungssystemschaltung (100) und der Hochspannungssystemschaltung (200) ein zweiter Optokoppler (FC2) angeordnet ist.
Spannungsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungssystemschaltung (200) eine Logikschaltung (4_n ) aufweist, die zwischen dem Multiplexer (203) und der jeweiligen Einheitszelle (V_n) angeordnet ist.
Spannungsdetektor nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannungsquelle eine Konstantspannungsleistungsquelle (8_n ) umfaßt