JP2004085208A

JP2004085208A - Voltage monitor

Info

Publication number: JP2004085208A
Application number: JP2002242312A
Authority: JP
Inventors: Seiji Kamata; 鎌田　誠二; Nobuaki Kobayashi; 小林　信昭
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: JP4083504B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a voltage monitor capable of minimizing the scale increase of device constitution even with an increase in the number of cells of a battery pack to be monitored. <P>SOLUTION: Switching circuits A-1 to A-22 are connected to a plurality of cells V1-V110 connected in series, and the terminals of the prescribed number of cells are sequentially selected by these switching circuits. The selected terminals of the prescribed number of cells are connected to a voltage holding circuit B. The voltage holding circuit B has capacitors in the same number as the cells selected by the switching circuits A-1 to A-22, and the terminal voltage of each cell is held by the capacitor. A switching circuit C transmits the terminal voltage held to the voltage holding circuit B, to a measuring circuit comprising a differential amplifier D and an A/D converter E by operating in a complementary manner to the selecting operation of the switching circuits A-1 to A-22. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直列接続された複数個のセル（電池）の端子電圧をモニタするための電圧モニタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気モータを動力源として有する電気自動車の電源として、複数のセル（電池）からなる組電池が使用されている。このセルとしては、例えばリチウムイオン電池が使用されており、約１１０個程のセルを直列接続することにより、約４００Ｖ程度の電源電圧を得ている。このように複数のセルを直列に接続した場合、各セルの特性にバラツキが存在すると、一部のセルが過充電状態や過放電状態となる虞がある。このような状態に陥ることを避けるため、各セルの電圧をモニタすることが行われており、そのための電圧モニタ装置がある。
【０００３】
ところで、電気自動車の場合、上述のように高電圧の電源を使用するため、安全を確保する必要上、電圧をモニタする場合には組電池と間を電気的に絶縁する等の安全対策が必要になる。このような要請を満足しながら組電池をなすセル電圧をモニタする従来技術として、例えば特開２００１−２８９８８６号公報に開示された技術が知られている。
【０００４】
図４に、上述の公報に開示された技術の構成を示す。この従来技術は、いわゆるフライングキャパシタ方式を用いたものであって、直列接続された複数のセル（電池）を複数の電池ブロック１１０〜１１ｎ（ｎは自然数）に分割し、これら電池ブロック１１０〜１１ｎに対し、スイッチ１２０〜１２ｎ、コンデンサブロック１３０〜１３ｎ、スイッチ１４０〜１４ｎを設け、これらスイッチ１４０〜１４ｎに対し差分演算回路１５０とＡＤ変換器１６０を共通に設けている。
【０００５】
この従来技術によれば、例えば電池ブロック１１０の電圧をモニタする場合、スイッチ１２０をオン状態（閉成）とし、スイッチ１４０をオフ状態（開放）とすることにより、コンデンサブロック１３０に電池ブロック１１０の電圧を保持させる。そして、スイッチ１２０をオフ状態とし、スイッチ１４０をオン状態とすることにより、コンデンサブロック１３０に保持された電圧が差分演算回路１５０に与えられて差分増幅され、各セルの電圧が得られる。この電圧はＡＤ変換器１６０によりアナログ／デジタル変換されて出力される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の従来技術によれば、電池ブロック１１０〜１１ｎに対し、スイッチ１２０〜１２ｎ、コンデンサブロック１３０〜１３ｎ、およびスイッチ１４０〜１４ｎが設けられているので、電池ブロックの数が増加すると、それに比例して装置構成が大規模化し、装置コストが大幅に上昇するという問題がある。この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、モニタすべき組電池のセル数が増加しても、装置構成の規模の増加を最小限に抑えることができる電圧モニタ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、この発明は以下の構成を有する。
即ち、請求項１に記載された発明に係る電圧モニタ装置は、直列接続された複数個のセルのうち、１または２以上の所定数のセルの端子を選択する第１のスイッチ回路（例えば後述するスイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２に相当する構成要素）と、前記第１のスイッチ回路により選択されたセルと同数のコンデンサを有し、前記コンデンサにより前記所定数のセルの端子電圧を保持する電圧保持回路（例えば後述する電圧保持回路Ｂに相当する構成要素）と、前記第１のスイッチ回路の選択動作に対し相補的に作動して前記電圧保持回路に保持された前記端子電圧を伝達する第２のスイッチ回路（例えば後述するスイッチ回路Ｃに相当する構成要素）と、前記第２のスイッチ回路を介し前記電圧保持回路から前記端子電圧を入力して該端子電圧を測定する測定回路（例えば後述する差動増幅器ＤおよびＡ／Ｄ変換器Ｅからなる構成要素）と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、直列接続された複数のセルのうち、第１のスイッチ回路により選択された所定数のセルが、この第１のスイッチ回路を介して電圧保持回路に接続され、セルの端子電圧が電圧保持回路に保持される。セルの端子電圧が電圧保持回路に保持されると、第１のスイッチ回路がオフ状態とされ、第２のスイッチ回路がオン状態とされる。これにより電圧保持回路に保持されたセルの端子電圧が測定回路に供給され、各セルの端子電圧が測定される。同様に、第１のスイッチ回路により、残りの複数のセルの中から所定数のセルを選択し、電圧保持回路にそのセルの端子電圧を保持して測定が行われる。ここで、測定対象の所定数のセルが変わっても、電圧保持回路と第２のスイッチ回路は共用される。従って、組電池のセル数が増加しても、電圧保持回路と第２のスイッチ回路の構成規模を拡大する必要がなく、よって装置規模の増加を抑えることが可能になる。
【０００９】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された電圧モニタ装置において、前記第１のスイッチ回路が、直列接続された前記複数個のセルのうちの一端側に位置するセルと他端側に位置するセルとの間を往復するように、前記所定数のセルを単位として前記複数個のセルを順次的に選択すること（例えば後述する図２に示すフローに相当する要素）を特徴とする。
この構成によれば、第１のスイッチ回路が選択対象（セル）を移す場合、第１のスイッチ回路から電圧保持回路および第２のスイッチ回路を介して測定回路に至る信号経路上の電圧変化が小さく抑えられる。従ってこの信号経路に浮遊容量が存在していても、電圧変化に伴う電流が小さく抑えられ、この電流に起因する損失も小さく抑えられる。
【００１０】
請求項３に記載された発明は、請求項１または２に記載された電圧モニタ装置において、前記測定回路が、前記第２のスイッチ回路を介して入力した端子電圧を差分増幅する差分増幅回路（例えば後述する差動増幅器Ｄに相当する構成要素）と、前記差分増幅回路により差分増幅された端子電圧をアナログ／デジタル変換する変換回路（例えば後述するＡ／Ｄ変換器Ｅに相当する構成要素）と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、差動増幅器により端子間の差分電圧が抽出され、各セルのアナログ量の電圧が得られる。この電圧は、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル量に変換され、各セルの電圧を表すデータとして出力される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１に、本実施の形態１に係るフライングキャパシタ方式による電圧モニタ装置の構成を示す。同図において、直列接続された複数個のセルＶ１〜Ｖ１１０は組電池を構成し、例えば電気自動車等の動力用モータの電源として使用される。１個のセルの電圧は、例えば約３．６Ｖであり、組電池として発生する電圧は約４００Ｖにものぼる。
【００１２】
セルＶ１〜Ｖ１１０の端子には、スイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２（第１のスイッチ回路）が接続される。スイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２は、セルＶ１〜Ｖ１１０のうち、５個（所定数）のセルの端子を同時に選択するためのものであり、抵抗群とスイッチ群から構成される。具体的には、スイッチ回路Ａ−１の場合、セルＶ１〜Ｖ５の各端子に一端がそれぞれ接続された抵抗Ｒ１〜Ｒ６と、これら抵抗Ｒ１〜Ｒ６の他端に一方の電極が接続されたスイッチＳＷ１〜ＳＷ６から構成される。スイッチＳＷ１〜ＳＷ６としては例えばフォトＭＯＳリレーが用いられる。他のスイッチ回路Ａ−２〜Ａ−２２についてもスイッチ回路Ａ−１と同様に構成される。以下では、説明の便宜上、スイッチ回路Ａ−２〜Ａ−２２を構成する抵抗群およびスイッチ群についてもスイッチ回路Ａ−１と同様に抵抗Ｒ１〜Ｒ６およびスイッチＳＷ１〜ＳＷ６とする。
【００１３】
スイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２を構成するスイッチＳＷ１〜ＳＷ６の他方の電極側には配線Ｈ１〜Ｈ６を介して電圧保持回路Ｂが接続される。この電圧保持回路Ｂは、スイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２により選択されるセルと同数の所定数のコンデンサＣＰ１〜ＣＰ５を有し、これらコンデンサＣＰ１〜ＣＰ５により所定数のセルの端子電圧を保持するように構成されている。具体的には、コンデンサＣＰ１の電極は１対の配線Ｈ１，Ｈ２を介してスイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２のそれぞれを構成するスイッチＳＷ１，ＳＷ２の各電極に共通接続される。同様に、コンデンサＣＰ２〜ＣＰ５の各電極は、配線Ｈ２〜Ｈ６を介してスイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２のそれぞれを構成するスイッチＳＷ２〜ＳＷ６の各電極に共通接続される。換言すれば、複数のスイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２に対して１つ電圧保持回路Ｂが設けられ、この電圧保持回路Ｂが複数のスイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２に共有された構成となっている。
【００１４】
電圧保持回路Ｂは、スイッチ回路Ｃ（第２のスイッチ回路）を介して差動増幅器Ｄの入力部に接続される。このスイッチ回路Ｃは、電圧保持回路Ｂをなすコンデンサの電極端子（即ち配線Ｈ１〜Ｈ６）と差動増幅器Ｄの入力部との間に接続されたスイッチ群から構成され、上述のスイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２の選択動作に対し相補的に作動して開閉し、電圧保持回路Ｂに保持された端子電圧を伝達する。差動増幅器Ｄの出力部にはＡ／Ｄ変換器Ｅの入力部が接続される。これら差動増幅器ＤおよびＡ／Ｄ変換器Ｅは、端子電圧を測定するための測定回路（符号なし）を構成する。なお、特に図示していないが、スイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２およびスイッチ回路Ｃの開閉動作を制御するためのスイッチ制御回路が設けられている。
【００１５】
次に、この実施の形態１に係る電圧モニタ装置の動作を、図２に示すフローに沿って説明する。
なお、変数ｎ（ｎ；１〜２２の自然数）を用いて、図１に示すスイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２をスイッチ回路Ａ−ｎと表すことにする。
初期状態では、スイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２およびスイッチ回路Ｃの全てがオフ状態（開放状態）に制御され、セルＶ１〜Ｖ１１０側と差動増幅器Ｄ側とが電気的に絶縁されている。この初期状態から、変数ｎに「１」を設定し、制御対象をスイッチ回路Ａ−１（ｎ＝１）に設定する（ステップＳ０１）。
【００１６】
続いて、制御対象として設定されたスイッチ回路Ａ−１をオン状態に制御する（ステップＳ０２）。これにより、セルＶ１〜Ｖ５の端子電圧がスイッチ回路Ａ−１内の抵抗Ｒ１〜Ｒ６およびスイッチＳＷ１〜ＳＷ６と配線Ｈ１〜Ｈ６を介して電圧保持回路Ｂに供給される。そして、この電圧保持回路Ｂを構成するコンデンサＣＰ１〜ＣＰ５がセルＶ１〜Ｖ５の端子電圧により充電され、この端子電圧がこれらのコンデンサに保持される。この時点では、スイッチ回路Ｃがオフ状態にあるので、セルＶ１〜Ｖ１１０側と差動増幅器Ｄ側との間は依然として電気的に絶縁された状態にあり、また電圧保持回路Ｂに保持された端子電圧は差動増幅器Ｄ側には供給されない。
【００１７】
続いて、スイッチ回路Ａ−１をオフ状態に制御する（ステップＳ０３）。これにより、セルＶ１〜Ｖ１１０側と電圧保持回路Ｂとの間が電気的に絶縁される。このとき、スイッチ回路Ｃもオフ状態にあるから、電圧保持回路Ｂを構成するコンデンサＣＰ１〜ＣＰ５はフローティング状態で端子電圧を保持する。
続いて、スイッチ回路Ｃをオン状態に制御する（ステップＳ０４）。これにより、電圧保持回路Ｃを構成するコンデンサＣＰ１〜ＣＰ５の各電極がスイッチ回路Ｃを介して差動増幅器Ｄの入力部に接続される。このとき、スイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２はオフ状態に制御されているから、セルＶ１〜Ｖ１１０側と差動増幅器Ｄ側との間の電気的絶縁が維持される。
【００１８】
続いて、差動増幅器Ｄが、スイッチ回路Ｃを介して電圧保持回路Ｂから入力した端子電圧を差動増幅し、この差動増幅された端子電圧をＡ／Ｄ変換器Ｅがアナログ／デジタル変換する（ステップＳ０５）。この結果、Ａ／Ｄ変換器ＥからセルＶ１〜Ｖ５の電圧を表すデータが出力される。この後、スイッチ回路Ｃをオフ状態に制御する（ステップＳ０６）。以上でセルＶ１〜Ｖ５の電圧が得られた。続いて、変数ｎに「１」を加算してインクリメントすることにより変数ｎに「２」を設定し（ステップＳ０７）、この変数ｎの値が、最大値である「２２」以下であるか否かを判断する（ステップＳ０８）。
【００１９】
いま、変数ｎには「１」が設定されているから、変数ｎが「２２」以下であると判断される（ステップＳ０８；ＹＥＳ）。この場合、処理はステップＳ０２に戻され、スイッチ回路Ａ−２（ｎ＝２）が新たに制御対象とされて上述と同様の処理が実行される。これにより、スイッチ回路Ａ−２に接続されたセル６〜Ｖ１０の端子電圧が電圧保持回路Ｂに保持され、スイッチ回路Ｃを介して差動増幅器Ｄに供給されて、セルＶ６〜Ｖ１０の電圧が測定される。以後、変数ｎが順次インクリメントされ、最後のスイッチ回路Ａ−２２（ｎ＝２２）が制御対象とされ、セルＶ１０６〜Ｖ１１０の電圧が測定される。そして、ステップＳ０７において変数ｎがインクリメントされて変数ｎの値が「２３」となる。従って、変数ｎの値が「２２」以下ではないと判断され（ステップＳ０８；ＮＯ）、上述のステップＳ０２〜Ｓ０８による一連のループ処理から抜け出る。
【００２０】
続いて、上述とは逆にスイッチ回路Ａ−２２からスイッチ回路Ａ−１に向かって順に制御対象とされ、同様にセル電圧の測定が行われる（ステップＳ０９〜Ｓ１６）。即ち、変数ｎに「２２」を設定し（ステップＳ０９）、制御対象をスイッチ回路Ａ−２２（ｎ＝２２）に設定した上で、このスイッチ回路Ａ−２２をオン状態に制御する（ステップＳ１０）。これにより、セルＶ１０６〜Ｖ１１０の端子電圧がスイッチ回路Ａ−２２および配線Ｈ１〜Ｈ６を介して電圧保持回路Ｂに供給され、この電圧保持回路ＢにセルＶ１０６〜Ｖ１１０の端子電圧が保持される。
【００２１】
続いて、スイッチ回路Ａ−２２をオフ状態に制御し（ステップＳ１１）、スイッチ回路Ｃをオン状態に制御する（ステップＳ１２）。これにより、電圧保持回路Ｂを構成するコンデンサＣＰ１〜ＣＰ５の各電極がスイッチ回路Ｃを介して差動増幅器Ｄの入力部に接続される。差動増幅器Ｄは、スイッチ回路Ｃを介して電圧保持回路Ｂから端子電圧を入力して差動増幅し、これをＡ／Ｄ変換器Ｅがアナログ／デジタル変換する（ステップＳ１３）。この結果、Ａ／Ｄ変換器ＥからセルＶ１０６〜Ｖ１１０の電圧を表すデータが出力される。この後、スイッチ回路Ｃをオフ状態に制御する（ステップＳ０６）。
【００２２】
続いて、変数ｎから「１」を減算してデクリメントすることにより変数ｎに「２１」を設定し（ステップＳ１５）、この変数ｎの値が、最小値である「１」以上であるか否かを判断する（ステップＳ１６）。いま、変数ｎには「２１」が設定されているから、変数ｎは「１」以上であると判断される（ステップＳ１６；ＹＥＳ）。この場合、処理はステップＳ１０に戻され、スイッチ回路Ａ−２１（ｎ＝２１）があらたに制御対象とされて上述と同様の処理が実行される。以後、変数ｎが順次デクリメントされ、最後のスイッチ回路Ａ−１（ｎ＝１）が制御対象とされて所定の測定がなされると、ステップＳ１６において変数ｎがインクリメントされる。この結果、変数ｎの値が「０」となり、「１」よりも小さくなる（ステップＳ１６；ＮＯ）。この場合、処理は最初のステップＳ０１に戻され、以降、同様の処理が繰り返し実行される。
【００２３】
上述の一連の動作において、スイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２は、直列接続された複数個のセルＶ１〜Ｖ１１０のうち、一端側に位置するセルＶ１と他端側に位置するセルＶ１１０との間を往復するようにして、５個（所定数）のセルを単位としてセルを順次的に選択する。このため、スイッチ回路Ａ−ｎが切り替わる際に、測定対象として選択されるセル間の電位差は、この例の場合、常に約１８Ｖ（３．６Ｖ×５個）程度に小さく維持される。従って、スイッチ回路の切り替え時に配線Ｈ１〜Ｈ６の浮遊容量に高電圧が印加されることがなく、この浮遊容量の充放電電流として抵抗Ｒ１〜Ｒ６を流れるリーク電流が小さく抑えられ、抵抗Ｒ１〜Ｒ６での電圧降下が抑えられる。よって、スイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２の制御周期を短くし、その動作周波数を上げたとしても、セルＶ１〜Ｖ１１０の端子電圧をそのまま電圧保持回路Ｂに伝達することができ、精度よくセル電圧を測定することが可能になる。
【００２４】
ここで、仮に、上述の図２に示すステップＳ０８の後、ステップＳ０１に処理を戻すものとした場合、配線Ｈ１〜Ｈ６の電圧は、グランド電位に近いセルＶ１０６〜Ｖ１１０の端子電圧から４００Ｖ近傍のセルＶ１〜Ｖ５の端子電圧に急激に変化する。このため、この配線Ｈ１〜Ｈ６の浮遊容量に対して大振幅の電圧が印加され、過大な充放電電流が抵抗Ｒ１〜Ｒ６を流れることになる。しかしながら、この実施の形態１によれば、セルＶ１とセルＶ１１０との間を往復するようにしてセルが順次選択されるので、配線に大振幅の電圧が印加されることがなく、その充放電電流に起因した弊害を防止することが可能になる。
【００２５】
（実施の形態２）
以下、この発明の実施の形態２を説明する。
上述の実施の形態１では、５個のセルを単位としてセル電圧を測定するように構成したが、この実施の形態では１個のセルを単位として測定する。図３に、この実施の形態２に係る電圧モニタ装置の構成を示す。同図に示すように、セルＶ１〜Ｖ１１０には、１対１でスイッチ回路ａ−１〜ａ−１１０が設けられる。また、各スイッチ回路は保護用の抵抗ＲＡ，ＲＢとスイッチＳＷＡ，ＳＷＢから構成される。これら抵抗ＲＡ，ＲＢおよびスイッチＳＷＡ，ＳＷＢは、前述の図１に示す抵抗Ｒ１〜Ｒ６およびスイッチＳＷ１〜ＳＷ６に対応するものである。
【００２６】
スイッチＳＷＡ，ＳＷＢは、配線ＨＡ，ＨＢを介して電圧保持回路ｂに接続される。この電圧保持回路ｂは１個のコンデンサから構成され、このコンデンサは配線ＨＡと配線ＨＢとの間に接続される。このコンデンサの電極は、スイッチ回路ｃを介して差動増幅器ｄの入力部に接続され、差動増幅器ｄの出力部はＡ／Ｄ変換器ｅの入力部に接続される。これら電圧保持回路ｂ、スイッチ回路ｃ、差動増幅器ｄ、およびＡ／Ｄ変換器ｅは、前述の図１に示す電圧保持回路Ｂ、スイッチ回路Ｃ、およびＡ／Ｄ変換器Ｅに対応する。
【００２７】
この実施の形態２によれば、スイッチ回路ａ−１〜ａ−１１０により、セルＶ１〜Ｖ１１０の中から１個のセルが選択され、その端子電圧が電圧保持回路ｂに保持される。そして、この端子電圧が差動増幅器ｄにより差動増幅されてＡ／Ｄ変換器ｅに供給され、このセルの電圧を表すデータが得られる。スイッチ回路ａ−１〜ａ−１１０の制御については基本的には前述の実施の形態１に係るスイッチ回路Ａ−１〜Ａ−２２と同様である。
この実施の形態２によれば、上述の実施の形態１に比較して、スイッチ回路ａ−ｎを切り替える際に配線ＨＡ，ＨＢに加えられる電圧振幅を１個のセルの電圧にまで小さく抑えることが可能になる。従って配線ＨＡ，ＨＢの浮遊容量の充放電電流による弊害を一層有効に防止することが可能になる。
【００２８】
以上、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、上述の実施の形態では５個または１個の所定数のセルを単位としてスイッチ回路により選択するものとしたが、これに限定されることなく、どのような個数を選択の単位として設定してもよい。
また、図２に示すステップＳ０８において、変数ｎの値が最大値「２２」以下（ｎ≦２２）であるか否かを判断するものとしたが、変数ｎの値が、最大値「２２」より小さい（ｎ＜２２）か否かを判断するものとしてもよく、変数ｎと最大値との大小関係を判断するものであればよい。同様に、ステップＳ１６において、変数ｎの値が最小値「１」以上であるか否かを判断するものとしたが、変数ｎの値が最小値「１」より大きい（ｎ＞１）か否かを判断するものとしてもよく、変数ｎと最小値との大小関係を判断するものであればよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、直列接続された複数個のセルのうち、所定数のセルの端子を選択し、このセルと同数のコンデンサによりセルの端子電圧を保持して測定するようにしたので、モニタすべき組電池のセル数が増加しても、装置構成の規模の増加を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に１係る電圧モニタ装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る電圧モニタ装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態に２係る電圧モニタ装置の構成を示す図である。
【図４】従来技術に係る電圧モニタ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
Ａ−１〜Ａ−２２，ａ−１〜ａ−１１０，Ｃ，ｃ；スイッチ回路（第１のスイッチ回路）、Ｂ，ｂ；電圧保持回路、ＣＰ１〜ＣＰ５；コンデンサ、Ｄ、ｄ；差動増幅器Ｄ、Ｅ，ｅ；Ａ／Ｄ変換器、Ｒ１〜Ｒ６，ＲＡ，ＲＢ；抵抗、ＳＷ１〜ＳＷ６，ＳＷＡ，ＳＷＢ；スイッチ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a voltage monitoring device for monitoring terminal voltages of a plurality of cells (batteries) connected in series.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an assembled battery including a plurality of cells (batteries) has been used as a power source of an electric vehicle having an electric motor as a power source. As this cell, for example, a lithium ion battery is used, and a power supply voltage of about 400 V is obtained by connecting about 110 cells in series. When a plurality of cells are connected in series as described above, if there is variation in the characteristics of each cell, some cells may be in an overcharged state or an overdischarged state. In order to avoid such a situation, the voltage of each cell is monitored, and there is a voltage monitoring device for that purpose.
[0003]
By the way, in the case of an electric vehicle, a high-voltage power supply is used as described above, so it is necessary to ensure safety.When monitoring the voltage, safety measures such as electrically insulating the assembled battery from the battery are necessary. become. As a conventional technique for monitoring a cell voltage of an assembled battery while satisfying such demands, for example, a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-289886 is known.
[0004]
FIG. 4 shows a configuration of the technology disclosed in the above-mentioned publication. This prior art uses a so-called flying capacitor method, in which a plurality of cells (batteries) connected in series are divided into a plurality of battery blocks 110 to 11n (n is a natural number), and these battery blocks 110 to 11n In addition, switches 120 to 12n, capacitor blocks 130 to 13n, and switches 140 to 14n are provided, and a difference calculation circuit 150 and an AD converter 160 are provided in common for these switches 140 to 14n.
[0005]
According to this conventional technique, for example, when monitoring the voltage of the battery block 110, the switch 120 is turned on (closed) and the switch 140 is turned off (open), so that the capacitor block 130 Keep voltage. Then, when the switch 120 is turned off and the switch 140 is turned on, the voltage held in the capacitor block 130 is supplied to the difference calculation circuit 150 and the difference is amplified and the voltage of each cell is obtained. This voltage is converted from analog to digital by the AD converter 160 and output.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, according to the above-described conventional technology, the switches 120 to 12n, the capacitor blocks 130 to 13n, and the switches 140 to 14n are provided for the battery blocks 110 to 11n. There is a problem in that the device configuration increases in proportion to the scale and the device cost increases significantly. The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a voltage monitoring device capable of minimizing an increase in the scale of the device configuration even when the number of cells of a battery pack to be monitored increases. Aim.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
That is, the voltage monitoring apparatus according to the first aspect of the present invention provides a first switch circuit (for example, to be described later) that selects one or more terminals of a predetermined number of cells among a plurality of cells connected in series. And the same number of capacitors as the cells selected by the first switch circuit. The capacitors hold the terminal voltages of the predetermined number of cells. A voltage holding circuit (e.g., a component corresponding to a voltage holding circuit B described later) that operates to complement the selection operation of the first switch circuit to transmit the terminal voltage held by the voltage holding circuit. A second switch circuit (for example, a component corresponding to a switch circuit C to be described later), and the terminal voltage is input from the voltage holding circuit via the second switch circuit to change the terminal voltage. A constant measuring circuit (e.g., components made of later-described differential amplifiers D and A / D converter E), characterized by comprising a.
[0008]
According to this configuration, of the plurality of cells connected in series, a predetermined number of cells selected by the first switch circuit are connected to the voltage holding circuit via the first switch circuit, and the terminal of the cell The voltage is held in the voltage holding circuit. When the terminal voltage of the cell is held in the voltage holding circuit, the first switch circuit is turned off and the second switch circuit is turned on. As a result, the terminal voltage of the cell held in the voltage holding circuit is supplied to the measuring circuit, and the terminal voltage of each cell is measured. Similarly, the first switch circuit selects a predetermined number of cells from the remaining cells, and the voltage holding circuit holds the terminal voltage of the cell to perform measurement. Here, even if the predetermined number of cells to be measured changes, the voltage holding circuit and the second switch circuit are shared. Therefore, even if the number of cells of the assembled battery increases, it is not necessary to increase the configuration scale of the voltage holding circuit and the second switch circuit, and it is possible to suppress an increase in the scale of the device.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the voltage monitoring device according to the first aspect, the first switch circuit is different from a cell located at one end of the plurality of cells connected in series. Sequentially selecting the plurality of cells in units of the predetermined number of cells so as to reciprocate between cells located on the end side (for example, an element corresponding to the flow shown in FIG. 2 described later) Features.
According to this configuration, when the first switch circuit shifts a selection target (cell), a voltage change on a signal path from the first switch circuit to the measurement circuit via the voltage holding circuit and the second switch circuit. Can be kept small. Therefore, even if a stray capacitance exists in this signal path, the current caused by the voltage change is suppressed small, and the loss due to this current is also suppressed small.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in the voltage monitoring device according to the first or second aspect, the measurement circuit differentially amplifies a terminal voltage input through the second switch circuit. For example, a component corresponding to a differential amplifier D described later) and a conversion circuit that performs analog / digital conversion of a terminal voltage differentially amplified by the differential amplifier circuit (eg, a component corresponding to an A / D converter E described later) And characterized in that:
According to this configuration, a differential voltage between terminals is extracted by the differential amplifier, and a voltage of an analog amount of each cell is obtained. This voltage is converted into a digital quantity by the A / D converter and output as data representing the voltage of each cell.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration of a voltage monitoring device based on the flying capacitor method according to the first embodiment. In the figure, a plurality of cells V1 to V110 connected in series constitute an assembled battery and are used as a power source for a power motor of an electric vehicle or the like. The voltage of one cell is, for example, about 3.6 V, and the voltage generated as a battery pack is about 400 V.
[0012]
Switch circuits A-1 to A-22 (first switch circuits) are connected to terminals of the cells V1 to V110. The switch circuits A-1 to A-22 are for simultaneously selecting terminals of five (predetermined number) cells among the cells V1 to V110, and are composed of a resistor group and a switch group. Specifically, in the case of the switch circuit A-1, resistors R1 to R6 each having one end connected to each terminal of the cells V1 to V5, and a switch having one electrode connected to the other end of each of the resistors R1 to R6. SW1 to SW6. As the switches SW1 to SW6, for example, photo MOS relays are used. The other switch circuits A-2 to A-22 are configured similarly to the switch circuit A-1. Hereinafter, for convenience of description, the resistance groups and the switch groups that constitute the switch circuits A-2 to A-22 are also referred to as the resistors R1 to R6 and the switches SW1 to SW6, similarly to the switch circuit A-1.
[0013]
A voltage holding circuit B is connected to the other electrodes of the switches SW1 to SW6 constituting the switch circuits A-1 to A-22 via wirings H1 to H6. The voltage holding circuit B has the same number of capacitors CP1 to CP5 as the number of cells selected by the switch circuits A-1 to A-22, and holds the terminal voltages of the predetermined number of cells by the capacitors CP1 to CP5. It is configured to Specifically, the electrodes of the capacitor CP1 are commonly connected to the electrodes of the switches SW1 and SW2 configuring the switch circuits A-1 to A-22 via a pair of wires H1 and H2. Similarly, the respective electrodes of the capacitors CP2 to CP5 are commonly connected to the respective electrodes of the switches SW2 to SW6 constituting the respective switch circuits A-1 to A-22 via the wirings H2 to H6. In other words, one voltage holding circuit B is provided for the plurality of switch circuits A-1 to A-22, and the voltage holding circuit B is shared by the plurality of switch circuits A-1 to A-22. It has become.
[0014]
The voltage holding circuit B is connected to the input of the differential amplifier D via a switch circuit C (second switch circuit). The switch circuit C is composed of a group of switches connected between the electrode terminals (that is, the wirings H1 to H6) of the capacitor forming the voltage holding circuit B and the input section of the differential amplifier D. Open / close by operating complementarily to the selection operation of 1 to A-22, and transmit the terminal voltage held in the voltage holding circuit B. The input of the A / D converter E is connected to the output of the differential amplifier D. The differential amplifier D and the A / D converter E constitute a measurement circuit (unsigned) for measuring the terminal voltage. Although not shown, a switch control circuit for controlling the opening and closing operations of the switch circuits A-1 to A-22 and the switch circuit C is provided.
[0015]
Next, the operation of the voltage monitoring device according to the first embodiment will be described with reference to the flow shown in FIG.
Note that the switch circuits A-1 to A-22 shown in FIG. 1 are represented as switch circuits An using a variable n (n; a natural number of 1 to 22).
In the initial state, all of the switch circuits A-1 to A-22 and the switch circuit C are controlled to an off state (open state), and the cells V1 to V110 and the differential amplifier D are electrically insulated. . From this initial state, the variable n is set to "1", and the control target is set to the switch circuit A-1 (n = 1) (step S01).
[0016]
Subsequently, the switch circuit A-1 set as a control target is controlled to be turned on (step S02). As a result, the terminal voltages of the cells V1 to V5 are supplied to the voltage holding circuit B via the resistors R1 to R6 and the switches SW1 to SW6 in the switch circuit A-1 and the wirings H1 to H6. Then, the capacitors CP1 to CP5 constituting the voltage holding circuit B are charged by the terminal voltages of the cells V1 to V5, and the terminal voltages are held by these capacitors. At this time, since the switch circuit C is in the off state, the cells V1 to V110 and the differential amplifier D are still electrically insulated from each other, and the terminal held by the voltage holding circuit B No voltage is supplied to the differential amplifier D side.
[0017]
Subsequently, the switch circuit A-1 is turned off (step S03). Thereby, the cells V1 to V110 and the voltage holding circuit B are electrically insulated. At this time, since the switch circuit C is also in the off state, the capacitors CP1 to CP5 constituting the voltage holding circuit B hold the terminal voltage in a floating state.
Subsequently, the switch circuit C is turned on (step S04). Thereby, each electrode of the capacitors CP1 to CP5 constituting the voltage holding circuit C is connected to the input section of the differential amplifier D via the switch circuit C. At this time, since the switch circuits A-1 to A-22 are controlled to be in the OFF state, electrical insulation between the cells V1 to V110 and the differential amplifier D is maintained.
[0018]
Subsequently, the differential amplifier D differentially amplifies the terminal voltage input from the voltage holding circuit B via the switch circuit C, and the A / D converter E converts the differentially amplified terminal voltage into analog / digital conversion. (Step S05). As a result, data representing the voltages of the cells V1 to V5 is output from the A / D converter E. Thereafter, the switch circuit C is controlled to be turned off (step S06). Thus, the voltages of the cells V1 to V5 were obtained. Subsequently, “2” is set to the variable n by adding “1” to the variable n and incrementing it (step S07), and whether or not the value of the variable n is equal to or less than the maximum value “22”. Is determined (step S08).
[0019]
Since “1” is set for the variable n, it is determined that the variable n is equal to or less than “22” (Step S08; YES). In this case, the process returns to step S02, and the switch circuit A-2 (n = 2) is newly set as a control target, and the same process as described above is executed. As a result, the terminal voltages of the cells 6 to V10 connected to the switch circuit A-2 are held in the voltage holding circuit B, supplied to the differential amplifier D via the switch circuit C, and the voltages of the cells V6 to V10 are changed. Measured. Thereafter, the variable n is sequentially incremented, the last switch circuit A-22 (n = 22) is set as a control target, and the voltages of the cells V106 to V110 are measured. Then, in step S07, the variable n is incremented, and the value of the variable n becomes "23". Therefore, it is determined that the value of the variable n is not equal to or less than "22" (step S08; NO), and the process exits from the series of loop processes in steps S02 to S08 described above.
[0020]
Subsequently, contrary to the above, the control target is sequentially set from the switch circuit A-22 to the switch circuit A-1, and the cell voltage is measured similarly (steps S09 to S16). That is, the variable n is set to "22" (step S09), the control object is set to the switch circuit A-22 (n = 22), and the switch circuit A-22 is controlled to be turned on (step S10). ). Thus, the terminal voltages of the cells V106 to V110 are supplied to the voltage holding circuit B via the switch circuit A-22 and the wirings H1 to H6, and the voltage holding circuit B holds the terminal voltages of the cells V106 to V110.
[0021]
Subsequently, the switch circuit A-22 is turned off (step S11), and the switch circuit C is turned on (step S12). As a result, each electrode of the capacitors CP1 to CP5 constituting the voltage holding circuit B is connected to the input section of the differential amplifier D via the switch circuit C. The differential amplifier D receives the terminal voltage from the voltage holding circuit B via the switch circuit C and differentially amplifies the voltage, and the A / D converter E performs analog / digital conversion (step S13). As a result, the A / D converter E outputs data representing the voltages of the cells V106 to V110. Thereafter, the switch circuit C is controlled to be turned off (step S06).
[0022]
Subsequently, “21” is set to the variable n by subtracting “1” from the variable n and decrementing it (step S15), and whether or not the value of the variable n is equal to or more than the minimum value “1” Is determined (step S16). Now, since “21” is set as the variable n, it is determined that the variable n is “1” or more (step S16; YES). In this case, the process returns to step S10, and the switch circuit A-21 (n = 21) is newly set as a control target, and the same process as described above is executed. Thereafter, the variable n is sequentially decremented, and when the last switch circuit A-1 (n = 1) is set as a control target and a predetermined measurement is performed, the variable n is incremented in step S16. As a result, the value of the variable n becomes “0”, which is smaller than “1” (Step S16; NO). In this case, the process returns to the first step S01, and thereafter, the same process is repeatedly executed.
[0023]
In the above-described series of operations, the switch circuits A-1 to A-22 connect the cell V1 located at one end to the cell V110 located at the other end of the plurality of cells V1 to V110 connected in series. The cells are sequentially selected in units of five (predetermined number) cells in such a way as to reciprocate between them. For this reason, when the switch circuits An are switched, the potential difference between the cells selected as the measurement target is always kept to a small value of about 18 V (3.6 V × 5) in this example. Therefore, a high voltage is not applied to the stray capacitances of the wirings H1 to H6 when the switch circuit is switched, and the leakage current flowing through the resistors R1 to R6 as charge / discharge current of the stray capacitances is suppressed to a small value. The voltage drop in is suppressed. Therefore, even if the control cycle of the switch circuits A-1 to A-22 is shortened and the operation frequency is increased, the terminal voltages of the cells V1 to V110 can be transmitted to the voltage holding circuit B as they are, and the The voltage can be measured.
[0024]
Here, if it is assumed that the process returns to step S01 after step S08 shown in FIG. 2 described above, the voltages of the wirings H1 to H6 are close to the terminal potential of the cells V106 to V110 near the ground potential by about 400 V. The voltage rapidly changes to the terminal voltages of the cells V1 to V5. Therefore, a voltage having a large amplitude is applied to the stray capacitance of the wirings H1 to H6, and an excessive charge / discharge current flows through the resistors R1 to R6. However, according to the first embodiment, the cells are sequentially selected so as to reciprocate between the cell V1 and the cell V110, so that a large-amplitude voltage is not applied to the wiring, and the charge / discharge operation is not performed. It is possible to prevent the adverse effects caused by the current.
[0025]
(Embodiment 2)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment, the cell voltage is measured in units of five cells, but in this embodiment, the measurement is performed in units of one cell. FIG. 3 shows the configuration of the voltage monitoring device according to the second embodiment. As shown in the figure, cells V1 to V110 are provided with switch circuits a-1 to a-110 on a one-to-one basis. Each switch circuit includes protection resistors RA and RB and switches SWA and SWB. The resistors RA and RB and the switches SWA and SWB correspond to the resistors R1 to R6 and the switches SW1 to SW6 shown in FIG.
[0026]
Switches SWA and SWB are connected to voltage holding circuit b via wirings HA and HB. This voltage holding circuit b is composed of one capacitor, and this capacitor is connected between the wiring HA and the wiring HB. The electrode of this capacitor is connected to the input of the differential amplifier d via the switch circuit c, and the output of the differential amplifier d is connected to the input of the A / D converter e. The voltage holding circuit b, the switching circuit c, the differential amplifier d, and the A / D converter e correspond to the voltage holding circuit B, the switching circuit C, and the A / D converter E shown in FIG.
[0027]
According to the second embodiment, one cell is selected from cells V1 to V110 by switch circuits a-1 to a-110, and the terminal voltage is held in voltage holding circuit b. Then, the terminal voltage is differentially amplified by the differential amplifier d and supplied to the A / D converter e to obtain data representing the voltage of this cell. The control of the switch circuits a-1 to a-110 is basically the same as that of the switch circuits A-1 to A-22 according to the first embodiment.
According to the second embodiment, the voltage amplitude applied to the wirings HA and HB when switching the switch circuits an is suppressed to a voltage of one cell as compared with the first embodiment. Becomes possible. Therefore, it is possible to more effectively prevent the adverse effects due to the charge / discharge current of the floating capacitance of the wirings HA and HB.
[0028]
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and is included in the present invention even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention. . For example, in the above-described embodiment, the selection is performed by the switch circuit in units of a predetermined number of 5 or 1 cells. However, the present invention is not limited to this. You may.
Further, in step S08 shown in FIG. 2, it is determined whether or not the value of the variable n is equal to or less than the maximum value “22” (n ≦ 22). It may be determined whether it is smaller (n <22) or not, as long as it determines the magnitude relationship between the variable n and the maximum value. Similarly, in step S16, it is determined whether or not the value of the variable n is equal to or greater than the minimum value “1”. However, whether or not the value of the variable n is greater than the minimum value “1” (n> 1) May be determined as long as it determines the magnitude relationship between the variable n and the minimum value.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a terminal of a predetermined number of cells is selected from a plurality of cells connected in series, and the terminal voltage of the cells is held and measured by the same number of capacitors as the cells. Thus, even if the number of cells of the assembled battery to be monitored increases, the increase in the scale of the device configuration can be minimized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a voltage monitoring device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing an operation flow of the voltage monitoring device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a voltage monitoring device according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a voltage monitoring device according to the related art.
[Explanation of symbols]
A-1 to A-22, a-1 to a-110, C, c; switch circuits (first switch circuits), B, b; voltage holding circuits, CP1 to CP5; capacitors, D, d; Amplifiers D, E, e; A / D converters, R1 to R6, RA, RB; resistors, SW1 to SW6, SWA, SWB; switches.

Claims

A first switch circuit that selects one or more terminals of a predetermined number of cells among a plurality of cells connected in series;
A voltage holding circuit having the same number of capacitors as the cells selected by the first switch circuit, and holding a terminal voltage of the predetermined number of cells by the capacitors;
A second switch circuit that differentially complements the selection operation of the first switch circuit and transmits the terminal voltage held in the voltage holding circuit;
A measurement circuit that inputs the terminal voltage from the voltage holding circuit through the second switch circuit and measures the terminal voltage;
A voltage monitoring device comprising:

The first switch circuit includes:
In order to reciprocate between the cell located at one end and the cell located at the other end of the plurality of cells connected in series, the plurality of cells are sequentially arranged in units of the predetermined number of cells. The voltage monitoring device according to claim 1, wherein the voltage monitoring device is selected in a selective manner.

The measurement circuit is
A differential amplifier circuit for differentially amplifying a terminal voltage input via the second switch circuit;
A conversion circuit for performing analog-to-digital conversion of the terminal voltage differentially amplified by the differential amplification circuit;
The voltage monitoring device according to claim 1, further comprising: