JP2005003618A

JP2005003618A - 電源電圧測定装置

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Publication number: JP2005003618A
Application number: JP2003169900A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Yamada; 保雄山田; Takashi Tsurumi; 隆史鶴見; Atsushi Shibuya; 篤志渋谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: JP3792677B2

Abstract

【課題】各セル毎に測定された出力電圧に発生する各セル間のクロストークを補正して正確な出力電圧を測定する電源電圧測定装置を提供する。
【解決手段】直列に接続された複数のセル２ａ〜２ｅから構成されるバッテリ２の両端及びセル同士の各接点に接続された抵抗５ａ〜５ｆの各抵抗間をコンデンサ６ａ〜６ｅで接続してなると共に、セル同士の接点に接続された抵抗を該セル間で共通に利用するフィルタを介して、セル毎の出力電圧を測定する電源電圧測定装置において、複数のセルに対応したそれぞれのコンデンサ６ａ〜６ｅの両端電圧を検出するフォトＭＯＳリレー７ａ〜７ｆやオペアンプ８による電圧検出手段と、それぞれのコンデンサ６ａ〜６ｅの両端電圧の単位時間毎の変化量に基づいて、コンデンサ６ａ〜６ｅの両端電圧が変化する前のセル毎の出力電圧を算出する高電圧計測ＣＰＵ１とを備えた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電装置の出力電圧を測定する電源電圧測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電池の過放電や過充電を防止するために、二次電池からなる複数個の単位セルを直列に接続してなる組電池において、単位セル間の残容量（ＳＯＣ：ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）のばらつきを判定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、組電池の充放電制御を行う際に、組電池に発生する異常を判定するための異常検出装置等も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−９２７３２号公報
【特許文献２】
特開２００１−１７４５３１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の組電池等、直列に接続された複数のセルから構成される蓄電装置（エネルギーストレージデバイス）の出力電圧を測定する場合、各セルの周囲の環境や特性は微妙に異なる。そこで、図４に示すように、例えばバッテリ１１の各セル１１ａ〜１１ｅ毎に、セルの両端に接続された２本の抵抗１２、１３と該２本の抵抗の間に接続されたコンデンサ１４とから構成されると共に、雑音を除去するためのフィルタを設け、出力電圧は、フォトＭＯＳリレー（１５ａ、１５ｂ）、（１６ａ、１６ｂ）、（１７ａ、１７ｂ）、（１８ａ、１８ｂ）、（１９ａ、１９ｂ）を介して、各セル毎にそれぞれＣＨ１からＣＨ５として個別に測定することが望ましい。しかし、このように従来の電源電圧測定装置では、各セル毎に出力電圧を安定して検出するためのフィルタ等の付加部品が必要となるため、部品点数の増大と組立工数の増大等により、コストが増加するという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、付加部品を各セル間で共通利用する場合でも、共通利用する部品の影響で各セル毎に測定された出力電圧に発生する各セル間のクロストーク（電圧相互干渉）を補正して、正確な出力電圧を測定する電源電圧測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明に係る電源電圧測定装置は、複数のセル（例えば実施の形態のセル２ａ〜２ｅ）を直列に接続した蓄電装置（例えば実施の形態のバッテリ２）の両端と前記セル同士の各接点とにそれぞれ抵抗（例えば実施の形態の抵抗５ａ〜５ｆ）を接続し、これら複数の各抵抗間をコンデンサ（例えば実施の形態のコンデンサ６ａ〜６ｅ）で接続してなると共に、前記セル同士の接点に接続された抵抗を該セル間で共通に利用するフィルタを介して、前記セル毎の出力電圧を測定する電源電圧測定装置であって、前記複数のセルに対応したそれぞれの前記コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出手段（例えば実施の形態のフォトＭＯＳリレー７ａ〜７ｆ及びオペアンプ８）と、それぞれの前記コンデンサにおける両端電圧の単位時間毎の変化量に基づいて、前記コンデンサの両端電圧が変化する前の前記セル毎の出力電圧を算出する制御手段（例えば実施の形態の高電圧計測ＣＰＵ１）とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
以上の構成を備えた電源電圧測定装置は、電圧検出手段が、蓄電池を構成する各セルに対応する各フィルタのコンデンサの両端電圧を検出すると共に、制御手段が、それぞれのコンデンサの両端電圧の単位時間毎の変化量に基づいて、コンデンサの両端電圧が変化する前のセル毎の出力電圧を算出することにより、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗の影響が打ち消されたコンデンサの両端電圧の変化からセル毎の出力電圧を算出することができる。
【０００８】
請求項２の発明に係る電源電圧測定装置は、請求項１に記載の電源電圧測定装置において、前記制御手段が、前記コンデンサにおける両端電圧の単位時間毎の変化量から、前記コンデンサに移動した電荷量を算出すると共に、該電荷量の移動に必要な、前記コンデンサに対応する前記セルの単位時間前における出力電圧を算出することを特徴とする。
【０００９】
以上の構成を備えた電源電圧測定装置は、制御手段が、各コンデンサの電荷量の変化から、該変化を発生させる各セルの電圧を算出することで、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗の影響を排除して、正確に各セル毎の出力電圧を算出することができる。
【００１０】
請求項３の発明に係る電源電圧測定装置は、請求項１、または請求項２に記載の電源電圧測定装置において、前記制御手段が、単位時間前の前記セル毎の出力電圧を補正することにより、前記フィルタの出力で検出される前記セル毎の出力電圧を算出する電圧補正手段（例えば実施の形態の高電圧計測ＣＰＵ１で実行されるステップＳ４の動作）を備えたことを特徴とする。
【００１１】
以上の構成を備えた電源電圧測定装置は、電圧補正手段が、コンデンサの両端電圧の単位時間毎の変化量から求めたセル毎の出力電圧を補正して、フィルタの出力で検出されるセル毎の出力電圧を算出することにより、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗の影響を排除して求めたフィルタ前の各セル毎の出力電圧から、実際にフィルタによりフィルタリングされた出力電圧を求めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、説明の簡単化のために、一例として５個のセルを直列に接続したバッテリを測定対象のバッテリとし、これに対応する電源電圧測定装置について説明する。
（全体構成）
図１は、本発明の一実施の形態の電源電圧測定装置の構成を示すブロック図である。図１において、高電圧計測ＣＰＵ１は、測定対象のバッテリ２の電圧測定を制御する制御部である。また、高電圧計測ＣＰＵ１は、バッテリ２の負荷（図示せず）との間に設けられると共に、主にインバータ回路から構成されたＰＤＵ（ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅＵｎｉｔ：図示せず）によるバッテリ２の充放電を制御するバッテリ制御ＣＰＵ３と、パルストランス４を介して接続されている。ここで、パルストランス４は、高電圧系の高電圧計測ＣＰＵ１側と、低電圧系のバッテリ制御ＣＰＵ３側とを分離するためのトランスであって、高電圧計測ＣＰＵ１が取得したバッテリ２の電圧測定値は、パルストランス４を介してバッテリ制御ＣＰＵ３へ通知される。
【００１３】
一方、測定対象のバッテリ２は、複数のセル２ａ〜２ｅを直列に接続した構成を持ち、バッテリ２の両端及びセル２ａ〜２ｅのセル同士の各接点には、抵抗５ａ〜５ｆの一端が接続されている。また、セル２ａ〜２ｅと接続された端子の反対側において、抵抗５ａ〜５ｆの各抵抗間をコンデンサ６ａ〜６ｅで接続し、抵抗５ａ〜５ｆとコンデンサ６ａ〜６ｅとで、バッテリ２の各セル２ａ〜２ｅの電圧を計測する際に雑音を除去するための各セル毎のフィルタを構成する。
【００１４】
更に、各抵抗５ａ〜５ｆと各コンデンサ６ａ〜６ｅとの接点は、各セルの電圧を計測するための出力端子として、各セルの出力端子を電気的に分離するためのフォトＭＯＳリレー７ａ〜７ｆを介して、共通にオペアンプ８へ入力されている。具体的には、フォトＭＯＳリレー７ａ、７ｃ、７ｅの出力が、共通にオペアンプ８の一方の差動入力端子へ、フォトＭＯＳリレー７ｂ、７ｄ、７ｆの出力が、共通にオペアンプ８のもう一方の差動入力端子へ、それぞれ入力されている。
【００１５】
ここで、オペアンプ８は、高電圧計測ＣＰＵ１によって一定時間毎に順番に駆動されたフォトＭＯＳリレー７ａ〜７ｆから出力されるフォトＭＯＳリレー７ａとフォトＭＯＳリレー７ｂとに出力されるコンデンサ６ａの両端の電位、あるいはフォトＭＯＳリレー７ｂとフォトＭＯＳリレー７ｃとに出力されるコンデンサ６ｂの両端の電位、あるいはフォトＭＯＳリレー７ｃとフォトＭＯＳリレー７ｄとに出力されるコンデンサ６ｃの両端の電位、あるいはフォトＭＯＳリレー７ｄとフォトＭＯＳリレー７ｅとに出力されるコンデンサ６ｄの両端の電位、あるいはフォトＭＯＳリレー７ｅとフォトＭＯＳリレー７ｆとに出力されるコンデンサ６ｅの両端の電位のいずれかを差動増幅する増幅器であって、オペアンプ８の出力は、コンデンサの両端電圧として高電圧計測ＣＰＵ１へ入力される。
【００１６】
なお、オペアンプ８の差動入力端子に対する接続方向により、コンデンサ６ａの両端電圧、コンデンサ６ｃの両端電圧、及びコンデンサ６ｅの両端電圧に対して、コンデンサ６ｂの両端電圧、コンデンサ６ｄの両端電圧、及びコンデンサ６ｆの両端電圧は、その極性が反転して検出されるので、高電圧計測ＣＰＵ１は、両者の極性を統一してから扱うものとする。
【００１７】
従って、高電圧計測ＣＰＵ１は、フォトＭＯＳリレー７ａ〜７ｆを順次駆動して、コンデンサ６ａ〜６ｅの両端の電位をスキャンすると共に、フォトＭＯＳリレー７ａ〜７ｆの出力をオペアンプ８を介して取得することにより、順番にコンデンサ６ａ〜６ｅの両端に印加される両端電圧を計測することができる。
【００１８】
（測定電圧補正動作）
次に、本実施の形態の電源電圧測定装置の測定電圧補正動作について、図面を参照して説明する。図２は、高電圧計測ＣＰＵ１における測定電圧補正動作を示すフローチャートである。
図２において、まず高電圧計測ＣＰＵ１は、上述のようにフォトＭＯＳリレー７ａ〜７ｆを順次駆動して、コンデンサ６ａ〜６ｅの両端の電位をスキャンすると共に、フォトＭＯＳリレー７ａ〜７ｆの出力をオペアンプ８を介して取得することにより、順番にコンデンサ６ａ〜６ｅの両端に印加される両端電圧（コンデンサの両端電圧）を計測する（ステップＳ１）。
【００１９】
次に、コンデンサ６ａ〜６ｅの両端電圧の前回値に対する変化量を算出する（ステップＳ２）。具体的には、まずコンデンサの両端電圧の変化を考える。なお、以下の説明では、抵抗５ａ〜５ｆの抵抗値は全て同一で抵抗値Ｒ、コンデンサ６ａ〜６ｅの容量値は全て同一で容量値Ｃで表すものとする。
この時、各コンデンサ６ａ〜６ｅの電荷量は下記（１）式のように求められ、各コンデンサ６ａ〜６ｅの両端電圧は下記（２）式で表される。
【００２０】
【数１】

【００２１】
ここで、ｉは瞬時電流、ｔは処理時間であって、処理時間ｔが速いために上述の（２）式のように近似することができる。従って、例えばコンデンサ６ａにおいて単位時間あたりに変化した電圧ｄＶ_{ｃ１（ｎ）}は、コンデンサ６ａの両端電圧の今回値Ｖ_{ｃ１（ｎ）}と前回値Ｖ_{ｃ１（ｎ−１）}とにより、下記（３）式のように、
【００２２】
【数２】

【００２３】
と表され、抵抗５ａを流れる電流ｉ_１は、下記（４）式により求められる。
【００２４】
【数３】

【００２５】
また、同様にして、例えばコンデンサ６ｂにおいて単位時間あたりに変化した電圧ｄＶ_{ｃ２（ｎ）}は、下記（５）式のように、
【００２６】
【数４】

【００２７】
となり、抵抗５ｂを流れる電流ｉ_２は、下記（６）式により求められる。
【００２８】
【数５】

【００２９】
更に、同様にして各抵抗５ｃ〜５ｆを流れる電流ｉ_３〜ｉ_６が、下記（７）式から（１０）式のように、
【００３０】
【数６】

【００３１】
と求まる。
また、閉回路においてキルヒホッフの電圧則を適用して、バッテリ２を構成するセル２ａ〜２ｅの出力電圧の前回値を算出する（ステップＳ３）。具体的には、閉回路における電圧の関係を考えると、下記（１１）式のように、
【００３２】
【数７】

【００３３】
と表すことができる。
ところで、ある時点で生じるセル２ａの出力電圧とコンデンサ６ａの両端電圧との電圧差ｄＶ_{ｂｃ１（ｎ）}は、下記（１２）式のように、
【００３４】
【数８】

【００３５】
と表される。但し、電流はセル２ａ〜２ｅの出力電圧の前回値に基づいて流れるので、それぞれの前回値により下記（１３）式のように、
【００３６】
【数９】

【００３７】
と表すことができる。
また、同様にして、ある時点で生じる各セル２ｂ〜２ｅの出力電圧とコンデンサ６ｂ〜６ｅの両端電圧との電圧差ｄＶ_{ｂｃ２（ｎ−１）}〜ｄＶ_{ｂｃ５（ｎ−１）}は、下記（１４）式から（１７）式のように求まる。
【００３８】
【数１０】

【００３９】
また、各セル２ａ〜２ｅの出力電圧とコンデンサ６ａ〜６ｅの両端電圧との電圧差ｄＶ_{ｂｃ１（ｎ−１）}〜ｄＶ_{ｂｃ５（ｎ−１）}は、コンデンサ６ａ〜６ｅにおいて単位時間あたりに変化した電圧ｄＶ_{ｃ１（ｎ）}〜ｄＶ_{ｃ５（ｎ）}によって、下記（１８）式から（２２）式のように表すことができる。
【００４０】
【数１１】

【００４１】
従って、バッテリ２を構成する各セル２ａ〜２ｅの出力電圧の前回値Ｖ_{ｂ１（ｎ−１）}〜Ｖ_{ｂ５（ｎ−１）}は、下記（２３）式から（２７）式のように求めることができる。
【００４２】
【数１２】

【００４３】
また、（２３）式から（２７）式により求められた、バッテリ２を構成する各セル２ａ〜２ｅの出力電圧の前回値Ｖ_{ｂ１（ｎ−１）}〜Ｖ_{ｂ５（ｎ−１）}は、抵抗５ａ〜５ｆとコンデンサ６ａ〜６ｅとで構成される各セル２ａ〜２ｅの電圧を計測する際に雑音を除去するためのフィルタの入力での値なので、高電圧計測ＣＰＵ１は、算出された各セル２ａ〜２ｅの出力電圧に、ソフトウェア処理によるフィルタリング（フィルタ処理）を行い、フィルタ出力における各セル２ａ〜２ｅの出力電圧を算出する（ステップＳ４）。
【００４４】
なお、上述の実施の形態では、高電圧計測ＣＰＵ１が電圧補正手段を含んでいる。より具体的には、図２のステップＳ４の動作が電圧補正手段に相当する。
また、本実施の形態の電源電圧測定装置が出力電圧を測定する蓄電装置は、上述のバッテリ２に限らず、直列に接続されたセルを有し直流電力を蓄電可能な、キャパシタ等を含む蓄電装置（エネルギーストレージデバイス）であれば何であっても良い。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態の電源電圧測定装置によれば、フォトＭＯＳリレー７ａ〜７ｆやオペアンプ８を介して検出した、バッテリ２を構成する各セル２ａ〜２ｅに対応する各フィルタのコンデンサ６ａ〜６ｅの両端電圧の単位時間毎の変化量、すなわちコンデンサ６ａ〜６ｅの電荷量の変化に基づいて、高電圧計測ＣＰＵ１が、コンデンサ６ａ〜６ｅの両端電圧が変化する前のセル毎の出力電圧を算出することにより、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗５ａ〜５ｆの影響が打ち消されたコンデンサ６ａ〜６ｅの両端電圧の変化から、セル毎の出力電圧を算出することができる。また、算出された各セル毎の出力電圧から、高電圧計測ＣＰＵ１が、フィルタの出力で検出されるセル毎の出力電圧をソフトウェア処理により算出することにより、実際にフィルタによりフィルタリングされた出力電圧を求めることができる。
【００４６】
従って、バッテリ２を構成する各セルに対応するフィルタの部品を各セル間で共通利用することにより部品点数を削減すると共に、共通利用する部品の影響で各セル毎に測定された出力電圧に発生する各セル間のクロストークを補正して、正確な出力電圧を測定する電源電圧測定装置を実現することができるという効果が得られる。
【００４７】
具体的に示すと、図３（ａ）は、従来の電源電圧測定装置によって、１０個のセルを直列に接続してなる正常なバッテリのそれぞれのセル電圧を測定した結果であって、各セル毎の測定電圧Ｐ１がばらついており、セル電圧相互の電圧差Ｑ１が例えばバッテリの異常判定の目安として設定された基準電圧０．５［Ｖ］を超えているため、バッテリが正常であるにもかかわらず異常と判定してしまう可能性があった。
【００４８】
しかし、図３（ｂ）に示すように、本実施の形態の電源電圧測定装置によって、同じバッテリのそれぞれのセル電圧を測定した場合、各セル毎の測定電圧Ｐ２がばらつかず、セル電圧相互の電圧差Ｑ２もバッテリの異常判定の目安として設定された基準電圧０．５［Ｖ］を超えていないため、バッテリは正常であると正確に判定することができるようになる。
【００４９】
【発明の効果】
以上の如く、本発明の電源電圧測定装置によれば、電圧検出手段が検出した、蓄電池を構成する各セルに対応する各フィルタのコンデンサの両端電圧の単位時間毎の変化量に基づいて、制御手段が、コンデンサの両端電圧が変化する前のセル毎の出力電圧を算出することにより、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗の影響が打ち消されたコンデンサの両端電圧の変化からセル毎の出力電圧を算出することができる。
【００５０】
また、制御手段が、各コンデンサの電荷量の変化から、該変化を発生させる各セルの電圧を算出することで、正確に各セル毎の出力電圧を算出することができる。更に、制御手段に電圧補正手段を備え、算出された各セル毎の出力電圧から、フィルタの出力で検出されるセル毎の出力電圧を算出することにより、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗の影響を排除すると共に、実際にフィルタによりフィルタリングされた出力電圧を求めることができる。
【００５１】
従って、付加部品を各セル間で共通利用することにより部品点数を削減すると共に、共通利用する部品の影響で各セル毎に測定された出力電圧に発生する各セル間のクロストークを補正して、正確な出力電圧を測定する電源電圧測定装置を実現することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の電源電圧測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】同実施の形態の電源電圧測定装置による測定電圧補正動作を示すフローチャートである。
【図３】従来の電源電圧測定装置による測定電圧と同実施の形態の電源電圧測定装置による測定電圧との差を示す図である。
【図４】従来の電源電圧測定装置のフィルタ構成を示す図である。
【符号の説明】
１高電圧計測ＣＰＵ（制御手段）
２バッテリ（蓄電装置）
２ａ〜２ｅセル
５ａ〜５ｆ抵抗
６ａ〜６ｅコンデンサ
７ａ〜７ｆフォトＭＯＳリレー（電圧検出手段）
８オペアンプ（電圧検出手段）
Ｓ４電圧補正手段

Claims

複数のセルを直列に接続した蓄電装置の両端と前記セル同士の各接点とにそれぞれ抵抗を接続し、これら複数の各抵抗間をコンデンサで接続してなると共に、前記セル同士の接点に接続された抵抗を該セル間で共通に利用するフィルタを介して、前記セル毎の出力電圧を測定する電源電圧測定装置であって、
前記複数のセルに対応したそれぞれの前記コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出手段と、
それぞれの前記コンデンサにおける両端電圧の単位時間毎の変化量に基づいて、前記コンデンサの両端電圧が変化する前の前記セル毎の出力電圧を算出する制御手段と
を備えたことを特徴とする電源電圧測定装置。
前記制御手段が、前記コンデンサにおける両端電圧の単位時間毎の変化量から、前記コンデンサに移動した電荷量を算出すると共に、該電荷量の移動に必要な、前記コンデンサに対応する前記セルの単位時間前における出力電圧を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の電源電圧測定装置。
前記制御手段が、単位時間前の前記セル毎の出力電圧を補正することにより、前記フィルタの出力で検出される前記セル毎の出力電圧を算出する電圧補正手段
を備えたことを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の電源電圧測定装置。