DE102018200039A1

DE102018200039A1 - Differenzspannungs-Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102018200039A1
Application number: DE102018200039.5A
Authority: DE
Inventors: Jian Wang; Hironao Fujii
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2018-01-03
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2038-01-04
Also published as: DE102018200039B4; JP2018116012A; CN108333522A; US20180212279A1; US11133533B2; JP6809911B2; CN108333522B

Abstract

Es wird eine Differenzspannungs-Messvorrichtung mit einer verbesserten Messgenauigkeit vorgesehen. Eine Differenzverstärkungseinheit (240) gibt eine Spannung in Entsprechung zu einer Differenzspannung zwischen einer durch den ersten Kondensator (C1) gehaltenen Spannung und einer durch den zweiten Kondensator (C2) gehaltenen Spannung aus. Ein µCOM (210) verbindet eine Batteriezelle (Cen) mit beiden Enden des ersten Kondensators (C1) und verbindet die Zellenbatterie (Cen) mit beiden Enden des zweiten Kondensators (C2), nachdem der erste Kondensator (C1) die Spannung über die Zellenbatterie (Cen) hält. Ein Schalter (SW51) trennt die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Kondensator (C1) und der negativen Elektrode der Zellenbatterie (Cen). Der µCOM (210) schaltet, nachdem der erste Kondensator (C1) die Spannung über die Zellenbatterie (Cen) hält, den Schalter (SW51) aus.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Differenzspannungs-Messvorrichtung.
Stand der Technik
Zum Beispiel sind in verschiedenen Fahrzeugen wie etwa einem Elektrofahrzeug (EV), das durch einen Elektromotor angetrieben wird, oder einem Hybridfahrzeug (HEV), das durch eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einen Elektromotor angetrieben wird, Sekundärbatterien wie etwa wiederaufladbare Lithiumionenbatterien oder wiederaufladbare Nickelhydridbatterien als eine Stromquelle Installiert.
Eine derartige Sekundärbatterie wird durch ein wiederholtes Laden und Entladen beeinträchtigt, wobei die Ladekapazität (auch als Stromkapazität, Energiekapazität usw. bezeichnet) allmählich in Reaktion auf eine Vergrößerung der Spannung verringert wird. In dem wiederaufladbare Batterien verwendenden Elektrofahrzeug usw. wird der Beeinträchtigungsgrad der Sekundärbatterie erfasst, um die Ladekapazität zu erhalten, die mit der Sekundärbatterie fahrbare Distanz zu berechnen, die Lebensdauer der Sekundärbatterie zu berechnen usw.
Ein Indikator für den Beeinträchtigungsgrad der Sekundärbatterie ist der SOH (State of Health), der das Verhältnis der aktuellen Ladekapazität zu der anfänglichen Ladekapazität ist. Es ist bekannt, dass der SOH mit dem Innenwiderstand der Sekundärbatterie assoziiert ist. Deshalb kann durch die Erfassung des Innenwiderstands der Sekundärbatterie der SOH basierend auf dem Innenwiderstand erhalten werden.
Weil allgemein der Innenwiderstand sehr klein ist, war es bisher schwierig, eine ausreichende Erfassungsgenauigkeit zu erzielen, wobei jedoch das Patentdokument 1 eine Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung angibt, in der die Erfassungsgenauigkeit des Innenwiderstands verbessert Ist.
9 ist eine schematische Ansicht, die eine schematische Konfiguration einer in dem Patentdokument 1 beschriebenen Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung 500 zeigt. Die zu erfassende Sekundärbatterie B umfasst einen Elektromotorische-Kraft-Teil e, der eine Spannung erzeugt, und weist einen Innenwiderstand r auf. Durch das Erfassen dieses Innenwiderstands r kann der SOH der Sekundärbatterie B erhalten werden.
Die Sekundärbatterie B erzeugt eine Spannung V zwischen beiden Elektroden (der positiven Elektrode Bp und der negativen Elektrode Bn), wobei diese Spannung V durch die Spannung Ve, die durch die durch den Elektromotorische-Kraft-Teil e erzeugte elektromotorische Kraft e erzeugt wird, und die Spannung Vr, die durch den durch den Innenwiderstand r fließenden Strom erzeugt wird, bestimmt wird (V = Ve + Vr). Die negative Elektrode Bn der Sekundärbatterie B ist mit dem Bezugspotential G verbunden.
Die Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung 500 umfasst eine Differenzverstärkungseinheit 511, einen Wechselschalter 512, einen ersten Kondensator 513, einen zweiten Kondensator 514, eine Ladeeinheit 515, einen ersten Analog-Digital-Wandler (ADW) 521, einen zweiten Analog-Digital-Wandler (ADW) 522 und einen Mikrocomputer (µCOM) 540.
Wenn in der Konfiguration dieser Figur der µCOM 540 ein Ladestartsteuersignal über den Ausgangsanschluss PO2 sendet, beginnt die Ladeeinheit 515, einen vorbestimmten konstanten Strom durch die Sekundärbatterie B fließen zu lassen. Daraus resultiert, dass das Laden der Sekundärbatterie B gestartet wird.
Wenn mit dem Laden begonnen wird, steuert der µCOM 540 den Wechselschalter 512 über den Ausgangsanschluss PO1 derart, dass die positive Elektrode Bp der Sekundärbatterie B und der erste Kondensator 513 verbunden werden. Daraus resultiert, dass der erste Kondensator 513 die Spannung V1 = Ve + R • Ic zwischen den beiden Elektroden der Sekundärbatterie B während des Ladens hält.
Wenn dann die über den Eingangsanschluss PI1 erhaltene Spannung zwischen den beiden Elektroden der Sekundärbatterie B die vorbestimmte Zustandserfassungsspannung erreicht, steuert der µCOM 540 den Wechselschalter 512 derart, dass die positive Elektrode Bp der Sekundärbatterie B und der zweite Kondensator 514 verbunden werden, und sendet ein Ladestopp-Steuersignal zu der Ladeeinheit 515 über den Ausgangsanschluss PO2.
Daraus resultiert, dass der Ladestrom Ic zu der Sekundärbatterie B gestoppt wird und der Speicherzustand des zweiten Kondensators 514 stabilisiert wird, wobei der zweite Kondensator 514 die Spannung V2 = Ve zwischen den zwei Elektroden der Sekundärbatterie B während des Ladestopps hält.
In diesem Zustand erfasst der µCOM 540 die verstärkte Spannung Vm, die der Differenzverstärker 511 über den Eingangsanschluss PI2 ausgibt. Dann wird die erfasste verstärkte Spannung Vm durch die Verstärkungsrate Av des Differenzverstärkers 511 dividiert und weiter durch den Ladestrom Ic dividiert, wodurch der Innenwiderstand r (= (Vm / Av)/Ic) erfasst wird.
Schließlich sendet der µCOM 540 ein Ladestartsignal zu der Ladeeinheit 515 über den Ausgangsanschluss PO2. Gemäß diesem Steuersignal beginnt die Ladeeinheit 515 wieder, den vorbestimmten konstanten Ladestrom Ic durch die Sekundärbatterie B fließen zu lassen. Daraus resultiert, dass das Laden begonnen wird und der Batteriezustands-Erfassungsprozess beendet wird.
Patentdokument
Patentdokument 1
Ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2014-219311
Beschreibung der Erfindung
Problemstellung der Erfindung
Durch die in dem Patentdokument 1 beschriebene Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung 500 kann die Ausgabegenauigkeit für den Innenwiderstand r der Sekundärbatterie B verbessert werden und kann eine Beeinträchtigung der Erfassungsgenauigkeit vermieden werden.
Weil jedoch in der oben beschriebenen Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung 500 der erste Kondensator 513 vorgesehen ist, bleibt auch nachdem die Spannung V1 der Sekundärbatterie B gehalten wird, die negative Elektrode des ersten Kondensators 513 mit der Bezugsspannung G der Sekundärbatterie B verbunden. Aus diesem Grund tritt ein geringfügiger Leckstrom auf und wird außerdem die akkumulierte Ladung durch den Kondensator 513 freigesetzt.
Wenn die Ladung von dem ersten Kondensator 513 freigesetzt wird, wird die gehaltene Spannung V1 niedriger als der tatsächliche Wert gemessen, wodurch die Messgenauigkeit herabgesetzt wird.
Die vorliegende Erfindung nimmt auf die vorstehend geschilderten Umstände Bezug, wobei es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine die Messgenauigkeit verbessernde Differenzspannungs-Messvorrichtung vorzusehen.
Problemlösung
Eine Differenzspannungs-Messvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: einen ersten Kondensator; einen zweiten Kondensator, eine Differenzverstärkungseinheit zum Ausgeben einer Spannung in Entsprechung zu einer Differenzspannung zwischen einer durch den ersten Kondensator gehaltenen Spannung und einer durch den zweiten Kondensator gehaltenen Spannung; eine Steuereinheit zum Verbinden einer Batterie mit beiden Enden des ersten Kondensators, und nachdem der erste Kondensator eine Spannung über die Batterie hält, zum Verbinden der Batterie mit beiden Enden des zweiten Kondensators; und einen ersten Schalter zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Kondensator und einer negativen Elektrode der Batterie, wobei, nachdem der erste Kondensator die Spannung über die Batterie hält, die Steuereinheit den ersten Schalter ausschaltet und die Batterie mit beiden Enden des zweiten Kondensators verbindet.
In der Differenzspannungs-Messvorrichtung gemäß einem zweiten Aspekt weist der erste Kondensator eine größere Kapazität auf als der zweite Kondensator.
In der Differenzspannungs-Messvorrichtung gemäß einem dritten Aspekt unterscheidet sich das Bezugspotential der Batterie von demjenigen der Differenzverstärkungseinheit, wobei die Differenzspannungs-Messvorrichtung weiterhin einen zweiten Schalter umfasst, der negative Elektroden des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators mit dem Bezugspotential der Differenzverstärkungseinheit verbindet; wobei die Steuereinheit sequentiell die Batterie mit beiden Enden des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators verbindet, während der zweite Schalter ausgeschaltet ist, und nach dem Trennen beider Enden des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators von der Batterie den zweiten Schalter einschaltet und die durch den ersten Kondensator gehaltene Spannung und die durch den zweiten Kondensator gehaltene Spannung zu der Differenzverstärkungseinheit eingibt, während das negative Elektrodenpotential des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators zu dem Bezugspotential der Differenzverstärkungseinheit gesetzt ist.
In einer Differenzspannungs-Messvorrichtung gemäß einem vierten Aspekt wird ein Isolationsschalter als ein Schalter für das Verbinden beider Enden der Batterie mit dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator verwendet.
Vorteile der Erfindung
Wie weiter oben beschrieben, schaltet gemäß dem ersten Aspekt die Steuereinheit den ersten Schalter aus, nachdem der erste Kondensator die Spannung zwischen beiden Enden der Batterie hält, und trennt den ersten Kondensator elektrisch von der negativen Elektrode der Batterie. Dadurch kann der Erzeugungspfad des Leckstroms unterbrochen werden, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird.
Weil gemäß dem zweiten Aspekt die Kapazität des ersten Kondensators größer ist als diejenige des zweiten Kondensators, kann ein Spannungsabfall aufgrund einer Ladungsentweichung an dem ersten Kondensator reduziert werden und kann die Messgenauigkeit verbessert werden.
Gemäß dem dritten Aspekt kann die Differenzspannung zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator, die die Spannung der Batterie halten, durch die Differenzverstärkungseinheit gemessen werden, die von der Batterie isoliert ist.
Gemäß dem vierten Aspekt kann der Schalter einfach für das Verbinden der Batterie und beider Enden des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators gesteuert werden. Außerdem kann eine Hoch- und Niederspannungsisolation sichergestellt werden und kann die Differenzspannungsvorrichtung einen Hochspannungs-Batteriepack handhaben.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung zeigt, in der eine Differenzspannungs-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform installiert ist.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine interne Konfiguration jeder Zellenbatterie von 1 zeigt.
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das Details der Differenzverstärkungseinheit von 1 zeigt.
4 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozedur zum Erfassen eines Batteriezustands in dem µCOM von 1 zeigt.
5 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung von 1 zeigt.
6 ist eine schematische Ansicht, die eine Batteriezustandserfassung zeigt, in der die Differenzspannungs-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung gemäß der zweiten Ausführungsform installiert ist.
7 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozedur zum Erfassen eines Batteriezustands in dem µCOM von 6 zeigt.
8 ist eine Ansicht, die den zwischen den Zellenbatterien von 1 oder 6 gezeigten Kontakt-/Verdrahtungswiderstand zeigt.
9 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer herkömmlichen Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung zeigt.

Ausführungsform der Erfindung
(Erste Ausführungsform)
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die erste Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem eine Differenzspanungs-Messvorrichtung auf die Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung angewendet wird.
Die Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung 100, in der die Differenzspannungs-Messvorrichtung dieser Ausführungsform integriert ist, ist zum Beispiel an einem Elektrofahrzeug montiert und zwischen den Elektroden einer zusammengestellten Batterie BS des Elektrofahrzeugs verbunden. Die zusammengestellte Batterie BS umfasst eine Vielzahl von Zellenbatterien (Batterien) Ce1 bis Ce4, die in Reihe verbunden sind. Die Zustandserfassungsvorrichtung 100 erfasst einen Innenwiderstand der Zellenbatterien Ce1 bis Ce4. Aber natürlich kann sie auch auf eine andere Vorrichtung, ein anderes System usw. als ein Elektrofahrzeug mit einer Sekundärbatterie angewendet werden.
Wie in 2 gezeigt, enthalten die Zellenbatterien Ce1 bis Ce4, die die Erfassungsziele sind, einen Elektromotorische-Kraft-Teil e und weisen einen Innenwiderstand r auf, Durch das Erfassen dieses Innenwiderstands r kann der Zustand Zellenbatterie Ce1 ∼ Ce4 der Zellenbatterie erhalten werden.
Wie in 2 gezeigt, wird in den Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 eine Spannung V zwischen beiden Elektroden (der positiven Elektrode Bp und der negativen Elektrode Bn) erzeugt und wird diese Spannung V durch eine Spannung Ve, die durch die durch den Elektromotorische-Kraft-Teil e erzeugte elektromotorische Kraft erzeugt wird, und durch eine Spannung Vr, die durch den durch den Innenwiderstand r fließenden Strom erzeugt wird, bestimmt (V = Ve + Vr). Die negative Elektrode Bn der Zellenbatterie Ce1 ist mit dem Bezugspotential G verbunden.
Wie in 1 gezeigt, enthält die Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung 100 einen ersten Kondensator C1, einen zweiten Kondensator C2, einen µCOM 210, Wechselschalter 231, 232, eine Differenzverstärkungseinheit 240, einen ADW 250, Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 261 und 262 und einen Schutzschalter 270.
Der erste Kondensator C1 hält als eine erste Spannung beide Endspannungen der Zellenbatterie Cen (n ist eine beliebige Ganzzahl zwischen 1 und 4) in einem ersten Zustand. Der zweite Kondensator C2 hält als eine zweite Spannung beide Endspannungen der Zellenbatterie Cen in einem zweiten Zustand. Dabei ist die Kapazität des ersten Kondensators C1 kleiner gesetzt als die Kapazität des zweiten Kondensators C2.
Der Wechselschalter 231 umfasst einen Schalter SW31 zum Schalten zwischen einer positiven Elektrode Bp der Zellenbatterie Cen und dem ersten Kondensator C1 in dem ersten Zustand und einem Schalter SW32 zum Schalten zwischen einer positiven Elektrode Bp der Zellenbatterie Cen und dem zweiten Kondensator C2 in dem zweiten Zustand.
Der Wechselschalter 232 umfasst einen Schalter SW51 zum Schalten zwischen einer negativen Elektrode Bn der Zellenbatterie Cen und dem ersten Kondensator C1 in dem ersten Zustand und einen Schalter SW52 zum Schalten zwischen einer negativen Elektrode Bn der Zellenbatterie Cn und dem zweiten Kondensator C2 in dem zweiten Zustand.
Der Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 261 ist ein Schalter zum Verbinden einer positiven Elektrode Bp, die aus der Vielzahl von Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 ausgewählt wird, mit dem ersten Kondensator C1 oder dem zweiten Kondensator C2. Der Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 261 ist zwischen der positiven Elektrode Bp jeder der Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 und dem Wechselschalter 231 vorgesehen. Der Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 261 umfasst einen Schalter SW11, der zwischen der positiven Elektrode Bp der Zellenbatterie Ce1 und dem Wechselschalter 231 vorgesehen ist, einen Schalter SW12, der zwischen der positiven Elektrode Bp der Zellenbatterie Ce2 und dem Schalter 231 vorgesehen ist, einen Schalter SW13, der zwischen der positiven Elektrode Bp der Zellenbatterie Ce3 und dem Wechselschalter 231 vorgesehen ist, und einen Schalter SW14, der zwischen der positiven Elektrode Bp der Zellenbatterie CE4 und dem Wechselschalter 231 vorgesehen ist.
Der Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 262 ist ein Schalter zum Verbinden einer negativen Elektrode Bn, die aus der Vielzahl von Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 ausgewählt wird, mit dem ersten Kondensator C1 oder dem zweiten Kondensator C2. Der Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 262 ist zwischen der negativen Elektrode Bn jeder der Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 und dem Wechselschalter 232 vorgesehen. Der Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 262 umfasst einen Schalter SW21, der zwischen der negativen Elektrode Bn der Zellenbatterie Ce1 und dem Wechselschalter 232 vorgesehen ist, einen Schalter SW22, der zwischen der negativen Elektrode Bn der Zellenbatterie Ce2 und dem Schalter 232 vorgesehen ist, einen Schalter SW23, der zwischen der negativen Elektrode Bn der Zellenbatterie Ce3 und dem Wechselschalter 232 vorgesehen ist, und einen Schalter SW24, der zwischen der negativen Elektrode Bn der Zellenbatterie Ce4 und dem Wechselschalter SW232 vorgesehen ist.
Der Schutzschalter 270 ist ein Schalter zum Schützen der Differenzverstärkungseinheit 240 und zum Reduzieren eines Leckstroms zu dem Differenzverstärker 240, der mit dem ersten Kondensator C1 und dem zweiten Kondensator C2 verbunden ist. Der Schutzschalter 270 ist ein Schalter zum Unterbrechen einer Verbindung zwischen dem ersten Kondensator C1 und dem zweiten Kondensator C2 und dem Differenzverstärker 240 während eines Abtastungshaltens mit dem ersten Kondensator C1 und dem zweiten Kondensator C2. Der Schutzschalter 270 ist mit einem Schalter SW41 versehen, der zwischen dem ersten Kondensator C1 und einem ersten Eingangsanschluss In1 vorgesehen ist, und mit einem Schalter SW42, der zwischen dem zweiten Kondensator C2 und einem zweiten Eingangsanschluss In2 vorgesehen ist. Die beiden Schalter SW41 und SW42 werden während des Abtastungshaltens ausgeschaltet und dann wieder eingeschaltet, wenn das Abtastungshalten endet, um eine erste Spannung und eine zweite Spannung zu der Differenzverstärkungseinheit 240 einzugeben.
Der in der oben beschriebenen Batteriezustands-Erfassungseinrichtung 100 dieser Ausführungsform verwendete Schalter (SW) ist zum Beispiel ein MOSFET.
Der Differenzverstärker 240 weist zwei Eingangsanschlüsse (einen ersten Eingangsanschluss In1 und einen zweiten Eingangsanschluss In2) und einen Ausgangsanschluss (Ausgangsanschluss Out) auf und gibt von dem Ausgangsanschluss eine verstärkte Spannung Vm aus, die durch das Verstärken eines Differenzwerts einer Spannungseingabe zu diesen zwei Eingangsanschlüssen mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor Av erhalten wird. Die Differenzverstärkungseinheit 240 kann zum Beispiel durch einen Operationsverstärker oder eine in 3 gezeigte Schaltung gebildet werden.
Die ADW 250 wandelt die analog verstärkte Spannung Vm, die aus der Differenzverstärkungseinheit 240 ausgegeben wird, zu einem digitalen Signal.
Der µCOM 210 enthält darin integriert eine CPU, einen ROM, einen RAM usw. und dient als eine Steuereinheit zum Steuern der gesamten Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung 100. Der µCOM 210 ist mit einem ersten Eingangsanschluss PI1 versehen, in den ein von dem ADW 250 ausgegebenes Signal eingegeben wird, und einen Schaltersteuerabschnitt 211 zum Steuern der Schalter (SW).
Im Folgenden wird mit Bezug auf 4 und 5 der Betrieb der Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung 100 mit der oben beschriebenen Konfiguration erläutert.
In dem Ausgangszustand sind alle Schalter ausgeschaltet. Wenn ein Entladungsstrom (ein erster Entladungsstrom I1) zu der zusammengestellten Batterie BS fließt, steuert der µCOM 210 die Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 261 und 262, um eine der Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 auszuwählen, und steuert die Wechselschalter 231 und 232, um beide Enden der ausgewählten Zellenbatterie Cen zu dem ersten Kondensator C1 zu verbinden (Schritt S1).
In dem Schritt S1 schaltet der µCOM 210 den Schalter SW1n und SW2n ein und wählt eine Batteriezelle Cen aus. Weiterhin schaltet der µCOM 210 den SW31 und den SW51 innerhalb der Wechselschalter 231 und 232 ein, um den ersten Kondensator C1 mit beiden Enden der ausgewählten Zellenbatterie Cen zu verbinden. Daraus resultiert, dass Ladungen in den ersten Kondensator C1 von der Zellenbatterie Cen fließen.
In dem µCOM 210 sind beide Enden des ersten Kondensator C1 gleich der ersten Spannung, die die Spannung zwischen beiden Elektroden der Zellenbatterie Cen ist, während diese mit dem ersten Entladungsstrom I1 entladen wird, und wartet bis zum Halten der ersten Spannung (Schritt S2). Danach steuert der µCOM 210 die Wechselschalter 231, 232, um die Verbindung zwischen der Zellenbatterie Cen und dem ersten Kondensator C1 zu unterbrechen (Schritt S3). Der µCOM 210 schaltet also in Schritt S3 die Schalter SW31, SW51 aus. Daraus resultiert, dass ein Strompfad des Leckstroms von dem ersten Kondensator C1 durch die negative Elektrode Bn der Zellenbatterie Cen unterbrochen werden kann.
Dann wartet der µCOM 210, bis sich der in den Batteriepack BS fließende Entladestrom ändert (S4). Wenn sich der durch die zusammengesetzte Batterie BS fließende Entladungsstrom (zweite Entladungsstrom I2) ändert, wartet der µCOM 210, bis die Spannung der zusammengesetzten Batterie BS nach der Änderung stabil wird (Schritt S5). Danach steuert der µCOM 210 die Wechselschalter 231 und 232, um beide Enden der ausgewählten Zellenbatterie Cen zu verbinden (Schritt S6).
In dem Schritt S6 schaltet der µCOM 210 die Schalter SW32 und SW52 innerhalb der Wechselschalter 231, 232, um den zweiten Kondensator C2 mit beiden Enden der ausgewählten Zellenbatterie Cen zu verbinden. Daraus resultiert, dass Ladungen von der Zellenbatterie Cen in den zweiten Kondensator C2 fließen.
In dem µCOM 210 sind beide Enden des zweiten Kondensators C2 gleich der zweiten Spannung, die die Spannung zwischen beiden Elektroden der Batteriezelle Cen ist, während diese mit dem zweiten Entladungsstrom I2 entladen wird, und wartet bis zum Halten der zweiten Spannung (Schritt S7). Danach schaltet der µCOM 210 den Schalter SW32 aus und unterbricht die Verbindung zwischen dem zweiten Kondensator C2 und der positiven Elektrode der Zellenbatterie Cen und schaltet weiterhin den Schalter SW51 ein, um das Potential der negativen Elektrode des ersten Kondensators C1 zu der negativen Elektrode der Zellenbatterie Cen auszugleichen (Schritt S8).
Dann schaltet der µCOM 210 den Schalter SW41 und den Schalter SW42 des Schutzschalters 270 ein und gibt die in dem Kondensator C1 gehaltene erste Spannung und die in dem zweiten Kondensator C2 gehaltene zweite Spannung zu dem Differenzverstärker 240 aus (Schritt S9).
Danach nimmt der µCOM 210 die verstärkte Spannung Vm des Differenzverstärkers 240 von dem Eingangsanschluss PI1 und erfasst den Innenwiderstand r der Zellenbatterie Cen von der aufgenommenen verstärkten Spannung Vm und den ersten und zweiten Entladungsströmen I1, I2 (Schritt S10). Der µCOM 210 beendet die Verarbeitung, wenn die Innenwiderstände r aller Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 erfasst wurden (JA in Schritt S11). Der µCOM 210 inkrementiert n (Schritt S12) und kehrt zu dem Schritt S1 zurück, wenn die Innenwiderstände r aller Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 abgeschlossen wurden (NEIN in Schritt S11).
Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform schaltet der µCOM 210, nachdem der erste Kondensator C1 die Zellenbatterie C hält, den Schalter SW51 aus und unterbricht die elektrische Verbindung des ersten Kondensators C1 mit der negativen Elektrode der Zellenbatterie Cen. Dadurch kann wie in 5 gezeigt, nachdem das Abtastungshalten des Kondensators C1 abgeschlossen ist und bis zur Beendigung des Abtastungshaltens des zweiten Kondensators C1, der von dem ersten Kondensator C1 zu der negativen Elektrode Bn der Zellenbatterie Cen fließende Leckstrom unterbrochen werden. Daraus resultiert, dass ein Spannungsabfall der durch den ersten Kondensator C1 gehaltenen ersten Spannung unterdrückt werden kann, wodurch die Messgenauigkeit des Differenzverstärkers 240 verbessert werden kann.
Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist der erste Kondensator C1 größer als der zweite Kondensator C2. Durch das Vergrößern der Kapazität des ersten Kondensators C1 kann der Spannungsabfall aufgrund der Ladungsentweichung reduziert werden, während der zweite Kondensator C2 eine elektrische Ladung speichert. Und durch das Reduzieren der Kapazität des Kondensators C2 kann die Leistungsspeicherperiode des zweiten Kondensators C2 verkürzt werden. Daraus resultiert, dass die Differenzspannung erfasst wird, während die erste Spannung des ersten Kondensators C1 nicht vergrößert wird, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird.
Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform sind die Schalter SW51 und SW52 auf der Negativelektrodenseite jeweils des ersten Kondensators C1 und des zweiten Kondensators C2 vorgesehen, wobei sie jedoch nicht darauf beschränkt sind. Der Schalter SW51 kann auch auf der Negativelektrodenseite des Kondensators C1 vorgesehen sein, und der Schalter SW52 kann weggelassen sein.
Weiterhin ist gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform die Kapazität des ersten Kondensators C1 kleiner gesetzt als die Kapazität des zweiten Kondensators C2, wobei sie jedoch nicht darauf beschränkt ist. Die Kapazität des ersten Kondensators C1 und die Kapazität des zweiten Kondensators C2 können auch gleich sein.
(Zweite Ausführungsform)
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 6 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung mit darin einer Differenzspannungs-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. In dieser Figur werden gleiche Teile wie bereits in 1 erläutert durch gleiche Bezugszeichen angegeben und wird nachfolgend auf eine wiederholte Beschreibung dieser Teile verzichtet.
In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform waren das Bezugspotential G der zusammengestellten Batterie BS und das Bezugspotential G des Differenzverstärkers 240, des µCOM 2 und des ADW 250 gleich. In der zweiten Ausführungsform dagegen unterscheidet sich das Bezugspotential G1 der zusammengestellten Batterie BS von der Bezugsspannung G2 des Differenzverstärkers 240, des µCOM 210 und des ADW 250, wobei die Differenzverstärkungseinheit 240, der µCOM 210 und der ADW 250 von der zusammengestellten Batterie BS isoliert sind. In der zweiten Ausführungsform setzt sich die zusammengestellte Batterie BS aus m Zellenbatterien Ce1 bis Cem (m ist eine beliebige Ganzzahl) zusammen.
Wie in 6 gezeigt, enthält die Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung 100 einen ersten Kondensator C1, einen zweiten Kondensator C2, einen µCOM 210, Wechselschalter 231, 232, einen Differenzverstärker 240, einen ADW 250, Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 261 und 262, einen Schutzschalter 270, einen Erdungs-Auswahlschalter 280 und einen Schalter SW 7.
Weil der erste Kondensator C1, der zweite Kondensator C2 und der µCOM 210 gleich denjenigen der ersten Ausführungsform sind, wird hier auf eine detaillierte Beschreibung derselben verzichtet. Die Schalter SW31, SW32, SW51 und SW52 der Wechselschalter 231, 232 sind in der ersten Ausführungsform MOSFETs, während in der zweiten Ausführungsform ein Photo-MOS verwendet wird.
Weil der Differenzverstärker 240, der ADW 250, die Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 261 und 262 und der Schalter 270 denjenigen der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ähnlich sind, wird hier auf eine detaillierte Beschreibung derselben verzichtet. Der Erdungs-Wechselschalter 280 enthält einen Schalter SW61 (einen zweiten Schalter), der eine negative Elektrode des ersten Kondensators C1 mit dem Bezugspotential G2 verbindet, und einen Schalter SW62 (einen zweiten Schalter), der eine negative Elektrode des zweiten Kondensators C2 mit dem Bezugspotential G2 verbindet. Es ist zu beachten, dass der Schalter SW61 zwischen dem Schalter SW51 und der negativen Elektrode des Kondensators C1 verbunden ist. Der Schalter SW62 verbindet den Schalter SW52 mit der negativen Elektrode des zweiten Kondensators C2. Der Schalter SW7 ist ein Schalter, der zwischen dem Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 262 und dem Wechselschalter 232 vorgesehen ist.
Die oben beschriebenen Wechselschalter 231 und 232, die Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 261 und 262 und der Schalter SW7 sind an einer Hochspannungs-Leiterplatte mit dem gleichen Bezugspotential G1 wie die zusammengestellte Batterie BS vorgesehen. Und weiterhin sind der µCOM 210, der Differenzverstärker 240, der ADW 250, der Schutzschalter 270 und der Erdungs-Auswahlschalter 280 an einer Niederspannungs-Leiterplatte mit dem Bezugspotential G2, die von der zusammengestellten Batterie BS isoliert ist, vorgesehen.
Im Folgenden wird der Betrieb der Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung 100 mit der oben beschriebenen Konfiguration mit Bezug auf 7 beschrieben. In 7 werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile wie in den mit Bezug auf 4 beschriebenen Schritten verwendet und wird hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser gleichen Teile verzichtet.
In dem Ausgangszustand sind alle Schalter ausgeschaltet. Wenn der Entladungsstrom (der erste Entladungsstrom I1) zu der zusammengestellten Batterie BS fließt, steuert der µCOM 210 die Erfassungsobjekt-Auswahlschalter 261 und 262, um eine der Zellenbatterien Ce1 bis Cem auszuwählen, und steuert die Wechselschalter 231 und 232, um beide Enden der ausgewählten Zellenbatterie Cen (n ist eine beliebige Ganzzahl von 1 bis m) mit dem ersten Kondensator C1 zu verbinden (Schritt S13).
In Schritt S13 schaltet der µCOM 210 die Schalter SW1n und SW2n ein, um die Batterie Cen auszuwählen. Außerdem schaltet der µCOM 210 die Schalter SW31 und SW51 innerhalb der Wechselschalter 231 und 232 ein und schaltet den Schalter SW7 ein, um den ersten Kondensator C1 mit beiden Enden der ausgewählten Zellenbatterie Cen zu verbinden.
Dann führt der µCOM 210 die Schritte S2 bis S7 wie in der ersten Ausführungsform durch. Dann schaltet der µCOM 210 die Schalter SW32 und SW52 aus und schaltet den Schalter SW7 aus (Schritt S14). Daraus resultiert, dass beide Enden des zweiten Kondensators C2 von der Zellenbatterie Cen getrennt werden. Zu diesem Zeitpunkt sind beide Enden des ersten Kondensators C1 bereits von der Zellenbatterie Cen getrennt.
Dann schaltet der µCOM 210 die Schalter SW61 und SW62 ein (Schritt S15). Auf diese Weise können die negativen Elektrodenpotentiale des ersten Kondensators C1 und des zweiten Kondensators C2 auf das Bezugspotential G2 gesetzt werden. Danach führt der µCOM 210 die Schritte S9 bis S12 wie in der ersten Ausführungsform durch.
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform wird, während der µCOM 210 die Schalter SW61 und SW62 ausschaltet, eine der Zellenbatterien Ce1 bis Cem sequentiell mit beiden Enden des ersten Kondensators C1 und des zweiten Kondensators C2 verbunden. Daraus resultiert, dass die negativen Elektrodenpotentiale der ersten und zweiten Kondensatoren C1 und C2 das gleiche Potential annehmen wie die negativen Elektroden der Zellenbatterien Ce1 bis Cem. Wenn dann beide Enden des ersten Kondensators C1 und des zweiten Kondensators C2 von einer der Zellenbatterien Ce1 bis Cem getrennt werden, werden die Schalter SW61 und SW62 eingeschaltet, um die durch den ersten Kondensator C1 gehaltene erste Spannung und die durch den zweiten Kondensator C2 gehaltene zweite Spannung zu dem Differenzverstärker 240 in einem Zustand einzugeben, in dem die negativen Elektrodenpotentiale des ersten Kondensators C1 und des zweiten Kondensators C2 zu dem Bezugspotential G2 gesetzt sind. Daraus resultiert, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Kondensator C1 und dem zweiten Kondensator C2, die die Spannung der Zelle Cen der Zellenbatterie halten, durch die Differenzverstärkungseinheit 240, die von der Batteriezelle Cen isoliert ist, gemessen werden kann.
Und beim Abtastungshalten ist das positive Potential des ersten Kondensators C1 und des zweiten Kondensators C2 auch im höchsten Fall gleich dem Potential der Zellenbatterie Ce1 und wird das negative Potential des ersten Kondensators C1 und des zweiten Kondensators C2 gleich dem darunterliegenden Potential der Zellenbatterie Ce2. Wenn MOSFETs als die Schalter SW31, SW32, SW51 und SW52 verwendet werden, wird die Zellenbatterie Ce1 hoch und wird der zu steuernde Spannungsbereich der zusammengestellten Batterie BS breiter, sodass eine Steuerung unter Verwendung von nur einem Schalter unmöglich ist. Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Photo-MOS (isolierter Schalter) für die Schalter SW31, SW32, SW51 und SW52 für das Verbinden beider Enden der Zellenbatterien Ce1 bis Cem mit dem ersten Kondensator C1 und dem zweiten Kondensator C2 verwendet. Deshalb können die Schalter SW31, SW32, SW51 und SW52 unabhängig von dem Potential der Zellenbatterien Ce1 bis Cem einfach gesteuert werden und kann außerdem eine Isolation mit einer hohen und einer niedrigen Spannung sichergestellt werden, sodass die Differenzspannungs-Messvorrichtung in Verbindung mit einem Hochspannungs-Batteriepack verwendet werden kann.
In der zweiten Ausführungsform wird ein Photo-MOS für die Schalter SW31, SW32, SW51 und SW52 verwendet, wobei die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Die Schalter SW31, SW32, SW51 und SW52 können beliebige isolierende Schalter sein, die den Schalter selbst von dem Steuerabschnitt des Schalters isolieren können, wobei zum Beispiel ein magnetischer Schalter verwendet werden kann.
Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform tritt in den Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 ein Kontaktwiderstand und ein Verdrahtungswiderstand mit der Sammelschiene für die Verbindung mit den entsprechenden benachbarten Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 auf. Wie in 8 gezeigt, sind also Kontakt/Verdrahtungswiderstände R11 bis R13 zwischen den Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 aufgetreten. Die erste Spannung und die zweite Spannung, die jeweils durch den ersten Kondensator C1 und den zweiten Kondensator C2 gehalten werden, umfassen also nicht nur die Spannung über die Zellenbatterien Ce1 bis Ce4, sondern auch den Spannungsabfall, der durch die Kontakt/Verdrahtungswiderstände R11 bis R13 verursacht wird. Deshalb umfasst die Differenzausgabespannung Vm nach der Ausgabe aus der Differenzverstärkungseinheit 511 der Zellenbatterie Cen (n ist eine beliebige Ganzzahl im Bereich von 1 bis 3) nicht nur die Differenzspannung ΔV zwischen den beiden Enden der Zellenbatterie Cen, sondern auch die Differenz des Spannungsabfalls an dem Kontakt-/Verdrahtungswiderstand R1n wie in der folgenden Formel (1) gezeigt. $Vm = Av {Δ V+R1 n (I1-I2)}$
Deshalb werden vor der Auslieferung die Kontakt/Verdrahtungswiderstände R11 bis R13 gemessen und in einem nicht-gezeigten Speicher gespeichert, wobei der µCOM 210 die Kontakt/Verdrahtungswiderstände R11 bis R13 in die Gleichung (3) einsetzen kann, um den Innenwiderstand rn zu erhalten. $rn= {(Vm/Av) - R1 n (I1-I2)} / (I1-I2)$
Dadurch kann die Erfassungsgenauigkeit des Innenwiderstands rn verbessert werden.
Die erste Ausführungsform wurde weiter oben beschrieben, wobei auch in dem Fall der zweiten Ausführungsform die Zellenbatterien Ce1 bis Ce4 nur zu den Zellenbatterien Ce1 bis Cem geändert wurden, sodass diese ähnlich angewendet werden können.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, die außerdem auf verschiedene Weise modifiziert werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
Bezugszeichenliste

100: Batteriezustands-Erfassungsvorrichtung (Differenzspannungs-Messvorrichtung)
51: Schalter (erster Schalter)
61: Schalter (zweiter Schalter)
62: Schalter (zweiter Schalter)
210: µCOM (Steuereinheit
240: Differenzverstärker
C1: erster Kondensator
C2: zweiter Kondensator
Ce1-Ce4: Zellenbatterie (Batterie)
Ce1-Cem: Zellenbatterien (Batterien)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2014219311 [0015]

Claims

Differenzspannungs-Messvorrichtung, die umfasst: einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator, eine Differenzverstärkungseinheit zum Ausgeben einer Spannung in Entsprechung zu einer Differenzspannung zwischen einer durch den ersten Kondensator gehaltenen Spannung und einer durch den zweiten Kondensator gehaltenen Spannung, einer Steuereinheit zum Verbinden einer Batterie mit beiden Enden des ersten Kondensators, und nachdem der erste Kondensator eine Spannung über die Batterie hält, zum Verbinden der Batterie mit beiden Enden des zweiten Kondensators, und einen ersten Schalter zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Kondensator und einer negativen Elektrode der Batterie, wobei, nachdem der erste Kondensator die Spannung über die Batterie hält, die Steuereinheit den ersten Schalter ausschaltet und die Batterie mit beiden Enden des zweiten Kondensators verbindet.
Differenzspannungs-Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Kondensator eine größere Kapazität aufweist als der zweite Kondensator.
Differenzspannungs-Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bezugspotential der Batterie verschieden ist von demjenigen der Differenzverstärkungseinheit, wobei die Differenzspannungs-Messvorrichtung weiterhin einen zweiten Schalter umfasst, der negative Elektroden des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators mit dem Bezugspotential der Differenzverstärkungseinheit verbindet, wobei die Steuereinheit sequentiell die Batterie mit beiden Enden des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators verbindet, während der zweite Schalter ausgeschaltet ist, und nach der Trennung beider Enden des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators von der Batterie den zweiten Schalter einschaltet, und wobei die Steuereinheit weiterhin die durch den ersten Kondensator gehaltene Spannung und die durch den zweiten Kondensator gehaltene Spannung zu der Differenzverstärkungseinheit eingibt, während das negative Elektrodenpotential des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators zu dem Bezugspotential der Differenzverstärkungseinheit gesetzt ist.
Differenzspannungs-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Isolationsschalter als der Schalter für das Verbinden beider Enden der Batterie mit dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator verwendet wird.