JP2005292137A - フライングキャパシタ式組電池電圧検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 複数のフライングキャパシタ式検出回路系をもつ組電池電圧検出装置の電圧検出回路の基準電圧のばらつきを補償する。
【解決手段】 出力側サンプリングスイッチS10〜S12を遮断し、誤差補正用アナログスイッチRS2、RS3をオンした状態で、差動電圧検出回路31、32の出力電圧V1、V2を採取する。
【選択図】 図4
【解決手段】 出力側サンプリングスイッチS10〜S12を遮断し、誤差補正用アナログスイッチRS2、RS3をオンした状態で、差動電圧検出回路31、32の出力電圧V1、V2を採取する。
【選択図】 図4
Description
本発明は、フライングキャパシタ式組電池電圧検出装置に関し、特にマルチプレクサを用いるフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置に関する。
たとえばハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池車などでは、二次電池や燃料電池からなる組電池を直列接続したきわめて多数の単電池で構成している。この組電池の状態観測には、一乃至直列接続された複数の単電池からなり、互いに直列された電池モジュールごとに電圧モニタする必要がある。各電池モジュールごとに電圧検出回路を装備することは装置の大規模化を招くため、通常はマルチプレクサを用いて各電池モジュール電圧を時間順次にサンプリングすることにより、電圧検出回路の必要個数を低減している。
マルチプレクサにより時間順次多重化された各電池モジュール電圧はフライングキャパシタに蓄電した後、更にサンプリングスイッチを通じて差動電圧検出回路に入力することにより組電池の絶対電圧から差動電圧検出回路を絶縁することができる。
従来のフライングキャパシタ式電圧検出回路の典型例を図6に示す。
1は電圧源、2、3は入力側サンプリングスイッチ、4はフライングキャパシタ、5、6は出力側サンプリングスイッチ、7、8は電位設定抵抗素子、9は高入力抵抗の差動増幅回路である。
電圧源1の電圧検出は次のように行われる。まず、入力側サンプリングスイッチ2、3をオンして電圧源1の電圧をフライングキャパシタ4にサンプルホールドする。次に、入力側サンプリングスイッチ2、3をオフした後で出力側サンプリングスイッチ5、6をオンしてフライングキャパシタ4の蓄電電圧を差動増幅回路9の一対の入力端間に印加する。
電位設定抵抗素子7、8は、フライングキャパシタの蓄電電圧が0の場合に差動電圧検出回路9の入力端子の電位が差動電圧検出回路の基準電位に一致するように、差動電圧検出回路9の入力端子の基準電位(対地電位差)を電位設定するとともに、出力側サンプリングスイッチ5、6のオン期間にフライングキャパシタ4の蓄電電荷を次回の読み込みに備えて放電する。
しかしながら、上記の構成では、フライングキャパシタの電圧を差動増幅する差動電圧検出回路の基準電圧のばらつきを補償することができなかった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、フライングキャパシタの電圧を差動増幅する差動電圧検出回路の基準電圧のばらつきを、回路構成の複雑化を抑止しつつ補償することができるフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置を提供することである。
請求項1記載のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置は、フライングキャパシタと、互いに直列接続された多数の電池モジュールからなる組電池の各電池モジュール電圧を前記フライングキャパシタに時間順次に入力するための複数の入力側サンプリングスイッチを有する入力マルチプレクサ回路と、前記フライングキャパシタの蓄電電圧を差動増幅する差動電圧検出回路と、前記フライングキャパシタと前記差動電圧検出回路との間に介設される出力側サンプリングスイッチと、前記出力側サンプリングスイッチが遮断されている状態での前記差動電圧検出回路の出力電圧のばらつきに関連するデータを採取するとともに前記データに基づいて前記差動電圧検出回路の基準入力電圧の変動を補正するデータ処理回路とを備えることを特徴としている。
本構成によれば、フライングキャパシタの電圧を差動増幅する差動電圧検出回路の基準電圧のばらつきを、回路構成の複雑化を抑止しつつ補償することができる。
請求項2記載のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置は、フライングキャパシタと、互いに直列接続された多数の電池モジュールからなる組電池の各電池モジュール電圧を前記フライングキャパシタに時間順次に入力するための複数の入力側サンプリングスイッチを有する入力マルチプレクサ回路と、前記フライングキャパシタの蓄電電圧を差動増幅する差動電圧検出回路と、前記フライングキャパシタと前記差動電圧検出回路との間に介設される出力側サンプリングスイッチと、前記モジュール電圧分配回路の前記入力側サンプリングスイッチが遮断されている時に前記フライングキャパシタを短絡する短絡スイッチと、前記短絡スイッチにより前記フライングキャパシタが短絡されている状態での前記差動電圧検出回路の出力電圧のばらつきに関連するデータを採取するとともに前記データに基づいて前記差動電圧検出回路の基準入力電圧の変動を補正するデータ処理回路とを備えることを特徴としている。
本構成によれば、フライングキャパシタの電圧を差動増幅する差動電圧検出回路の基準電圧のばらつきを、回路構成の複雑化を抑止しつつ補償することができる。
以下、本発明のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の好適な態様を以下の実施例により詳細に説明する。ただし、本発明は下記の実施例の構成に限定されるものではなく、置換可能な公知回路を用いて構成できることは当然である。
本発明を適用するフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の一実施例を図1に示す回路図を参照して説明する。
(回路構成)組電池1は、8つの電池モジュールVB1〜VB7を直列接続してなる。なお、この実施例では、簡略化のために電池モジュールVB1〜VB7の電圧をVB1〜VB7と同一符号にて表すものとする。各電池モジュールVB1〜VB7はそれぞれ等しい数の単電池を直列接続してなる。R1〜R8は電流制限抵抗素子であり、S1〜S8は電流制限抵抗素子R1〜R8と個別に直列接続されたサンプリングスイッチ(入力側サンプリングスイッチ)であり、マルチプレクサ(本発明でいうモジュール電圧分配回路)2を構成している。
(4m(mは0又は正の整数)+1)番目のサンプリングスイッチS1、S5は、組電池1の(4m(mは0又は正の整数)+1)番目の端子と第一のフライングキャパシタC1の独立端とを個別に接続している。フライングキャパシタC1、C2はできるだけ等しい静電容量を有している。
(4m(mは0又は正の整数)+3)番目のサンプリングスイッチS3、S7は、組電池1の(4m(mは0又は正の整数)+3)番目の端子と第二のフライングキャパシタC2の独立端とを個別に接続している。
(2m(mは0又は正の整数)すなわち偶数)番目のサンプリングスイッチS2、S4、S6、S8は、組電池1の(2m(mは0又は正の整数)すなわち偶数)番目の端子を、両フライングキャパシタC1、C2の接続端に個別に接続している。
サンプリングスイッチS10〜S12は出力側サンプリングスイッチである。サンプリングスイッチS10は、第一のフライングキャパシタC1の独立端を入力抵抗素子R11、R12を通じて電圧検出部3の差動電圧検出回路31の入力端子Xに接続する。サンプリングスイッチS12は、第二のフライングキャパシタC2の独立端を入力抵抗素子R11’、R12’を通じて電圧検出部3の差動電圧検出回路32の入力端子X’に接続する。サンプリングスイッチS11は、両フライングキャパシタC1、C2の接続点を、入力抵抗素子Re1を通じて差動電圧検出回路31の入力端子Yに、入力抵抗素子Re1’を通じて差動電圧検出回路32の入力端子Y’に接続している。差動電圧検出回路31の入力端Yには抵抗阻止Re2を通じて基準電圧源33から基準電圧Vref(2.5V)が印加され、差動電圧検出回路32の入力端Y’には抵抗阻止Re2’を通じて基準電圧源33から基準電圧Vref(2.5V)が印加されている。
Rf1、Rf2は、互いに直列接続された差動電圧検出回路31の帰還抵抗素子であり、Rf1’、Rf2’は、互いに直列接続された差動電圧検出回路32の帰還抵抗素子であり、Roは差動電圧検出回路31の出力抵抗素子、Ro’は差動電圧検出回路31の出力抵抗素子である。差動電圧検出回路31、32はオペアンプ310、320を用いた周知の差動電圧増幅回路であり、説明は省略する。各差動電圧検出回路31、32の出力電圧は、図示しないA/Dコンバータにてデジタル信号に変換された後、コントローラ4に入力される。コントローラ4は、マイコンを内蔵し、上記各スイッチを所定順序で開閉する。
RS1は、この実施例の特徴をなす誤差補正用アナログスイッチであり、入力抵抗素子R11,R12の接続点と入力抵抗素子R11’,R12’の接続点とを接続している。
(モジュール電圧検出動作例)この回路による電池モジュールVB1〜VB7の電圧検出動作の一例を以下に説明する。
最初に、サンプリングスイッチS1、S2、S3をオンして、電池モジュールVB1の電圧をフライングキャパシタC1に、電池モジュールVB2の電圧をフライングキャパシタC2に読み込む。
次に、サンプリングスイッチS1、S2、S3をオフし、サンプリングスイッチS10、S11、S12を所定期間だけオンして、フライングキャパシタC1の電位差を差動電圧検出回路31に、フライングキャパシタC2の電位差を差動電圧検出回路32に読み込み、差動電圧検出回路31、32の出力電圧をそれぞれA/Dコンバータを通じてコントローラ4に送る。
次に、サンプリングスイッチS10、S11、S12をオフし、サンプリングスイッチS3、S4、S5をオンして、電池モジュールVB3の電圧をフライングキャパシタC2に、電池モジュールVB4の電圧をフライングキャパシタC1に読み込む。
次に、サンプリングスイッチS1、S2、S3をオフし、サンプリングスイッチS10、S11、S12を所定期間だけオンして、フライングキャパシタC1の電位差を差動電圧検出回路31に、フライングキャパシタC2の電位差を差動電圧検出回路32に読み込み、差動電圧検出回路31、32の出力電圧をそれぞれ図示しないA/Dコンバータを通じてコントローラ4に送る。
次に、サンプリングスイッチS5、S6、S7をオンして、電池モジュールVB5の電圧をフライングキャパシタC1に、電池モジュールVB6の電圧をフライングキャパシタC2に読み込む。その後のサンプリングスイッチS10〜S12による差動電圧検出回路3の検出動作は上記と同じである。
次に、サンプリングスイッチS7、S8をオンして、電池モジュールVB7の電圧をフライングキャパシタC2に読み込む。なお、電池モジュール電圧VB7は図示しない電池モジュール電圧VB8とペアで検出することが好ましい。このときのサンプリングスイッチS10〜S12による差動電圧検出回路3の検出動作は上記と同じである。
コントローラ4は、入力デジタル信号の絶対値処理を行うが、この絶対値処理は上記A/Dコンバータの前又は後で実施してもよい。
(誤差補正動作例)次に、この実施例の特徴をなす2つの差動電圧検出回路間の誤差(出力電圧ばらつき)の補正方法を以下に説明する。
すなわち、入力抵抗素子R11、R12と帰還抵抗素子Rf1、Rf2との抵抗比により決定される差動電圧検出回路31の電圧増幅率と、入力抵抗素子R11’、R12’と帰還抵抗素子Rf1、Rf2との抵抗比とにより決定される差動電圧検出回路31の電圧増幅率とは当然異なる値となり、電池モジュール電圧VB1、VB2が等しくても、差動電圧検出回路31、32の出力電圧が異なってしまう。
この問題を解決するためのこの実施例では、好適なタイミングたとえばイグニッションキーのオン直後や、各電池モジュール電圧の検出の直前又は直後などに、同じ電池モジュール電圧おいて、フライングキャパシタC1、C2に実質的に同一の電圧を読み込む同一電圧読み込み動作を実施する。
この実施例における「同一電圧読み込み動作」を、図2を参照して説明する。図2は、電池モジュール電圧VB1をフライングキャパシタC1に、電池モジュール電圧VB2をフライングキャパシタC2に読み込んだ後、入力側サンプリングスイッチS1〜S3をオフし、出力側サンプリングスイッチS10〜S12と誤差補正用アナログスイッチRS1をオンした状態を示す。
フライングキャパシタC1、C2は逆方向に充電されているため、抵抗素子R11、R11’には両蓄電電圧VB1とVB2との差が印加されて、この蓄電電圧の差が放電され、結局、この蓄電電圧の差に起因する電流は、蓄電電圧が高いほうのフライングキャパシタを放電し、蓄電電圧が低いほうのフライングキャパシタを充電し、蓄電電力の差の一部は抵抗素子R11、R11’により熱に変換され、最終的に、フライングキャパシタC1、C2には蓄電電圧VB1とVB2との平均電圧VMより多少小さい電圧が残留する。この電圧は本来、平均電圧VMに略等しいはずである。
また、誤差補正用アナログスイッチRS1がオンしているので、差動電圧検出回路31、32には互いに等しい入力電圧(基準電圧Vrefより平均電圧VMに近い電圧VM’)が印加されるわけである。
そこで、この時の差動電圧検出回路31、32の出力電圧をVo1、Vo2とすれば、フライングキャパシタC1と差動電圧検出回路31とからなる検出系の電圧増幅率K1はVo1/VM’となり、フライングキャパシタC2と差動電圧検出回路32とからなる検出系の電圧増幅率K2はVo2/VM’となり、両電圧増幅率の比K1/K2は、Vo1/Vo2となる。ただし、差動電圧検出回路31、32に入力電圧0V(すなわち基準電圧Vref=2.5V)が入力された場合の出力電圧はVref=2.5Vとする。
このことは、差動電圧検出回路31の出力電圧Vo1を、両電圧増幅率の比K1/K2で割れば、フライングキャパシタC1と差動電圧検出回路31とからなる検出系の電圧増幅率を、フライングキャパシタC2と差動電圧検出回路32とからなる検出系の電圧増幅率に等しくなるように補正できることを意味する。
そこで、この実施例では、上記した出力電圧Vo1、Vo2をコントローラ4に読み込み、コントローラ4で両電圧増幅率の比K1/K2=Vo1/Vo2を算出して記憶しておき、その後に差動電圧検出回路31が出力する電池モジュール電圧をすべてVo1/Vo2で割ることにより、上記2つのフライングキャパシタ検出系間の電圧ばらつきを補償する。
(実施例効果)上記したこの実施例の構成によれば、モジュール電圧分配回路の出力電圧を処理するために並列に配置された複数のフライングキャパシタ間の容量誤差や複数の差動電圧検出回路間の電圧増幅率誤差を、回路構成の複雑化を抑止しつつ補償することができるので、回路構成の複雑化を抑止しつつ各電池モジュール電圧の検出時間を短縮することができ、各電池モジュール電圧間の検出時点のずれに起因する電圧検出精度の低下を低減することができる。
本発明のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の他の実施例を図3を参照して以下に説明する。
この実施例は、実施例1で説明した両フライングキャパシタに実質的に同一の電圧を印加した状態で、フライングキャパシタ検出系間の電圧増幅率ばらつきを補償する方法において、他の方法で両フライングキャパシタに同一電圧を印加するものである。
すなわち、この実施例では、実施例1において、電池モジュールVB7の正極は誤差補正用アナログスイッチである入力側サンプリングスイッチSrと抵抗素子Rrとを追加したものであり、電池モジュールVB7の正極は、抵抗素子Rr及び誤差補正用サンプリングスイッチSrを通じて入力側サンプリングスイッチS10に接続されている。その他の回路構成及び電池モジュール電圧読み込み動作は実施例1であるので説明は省略する。
(誤差補正動作例)この実施例では、実施例1に示す誤差補正用アナログスイッチRS1、及び、出力側サンプリングスイッチS10〜S12のオンによるフライングキャパシタC1、C2の均圧化の代わりに、同一の電池モジュールVB7の電圧を入力側サンプリングスイッチS7、S8、SrのオンによりフライングキャパシタC1、C2に同時並行して読み込むことにより実現している。このようにすれば、実施例1と同様の作用効果を奏することができる。
更に、この実施例によれば、2つのフライングキャパシタの容量差による電圧誤差も補償することができる。すなわち、サンプリングスイッチS10〜S12のオンによりフライングキャパシタC1、C2の蓄電電荷の一部はサンプリングスイッチS10〜S12とオペアンプ310、320の間に存在する寄生容量などに分配されて減少する。この時のフライングキャパシタC1、C2の蓄電電圧の減少率は、フライングキャパシタC1、C2の容量や上記寄生容量のばらつきにより変動する。この問題も本構成により補償される。
本発明のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の他の実施例を図1を参照して以下に説明する。
この実施例は、基準電圧源33とオペアンプ310、320の+入力端とを接続する抵抗Re2、Re2’の抵抗値のばらつきなどにより生じる、オペアンプ310、320の+入力端に与えられる入力基準電圧の変動を補償するものである。回路構成及び電池モジュール電圧検出動作は実施例1と同じであるので、基準電圧変動補償動作のみを以下に説明する。
(基準電圧変動補償動作)この実施例では、出力側サンプリングスイッチS10〜S12を長期にわたって遮断し、オペアンプ310、320の一対の入力端間に印加される電圧を自然放電(電流リーク)により0とした状態で、差動電圧検出回路31、32の出力電圧V1、V2を採取する。この時の差動電圧検出回路31の出力電圧V1を、差動電圧検出回路31の入力電圧が0Vである場合の出力基準電圧としてコントローラ4に記憶し、この時の差動電圧検出回路32の出力電圧V2を、差動電圧検出回路32の入力電圧が0Vである場合の出力基準電圧としてコントローラ4に記憶する。
その後、差動電圧検出回路31が計測するすべての電池モジュール電圧からこの出力基準電圧V1を減算すれば、上記抵抗Re2などの変動やオペアンプ310のDCオフセット電圧による差動電圧検出回路31の出力基準電圧の変動を補償することができる。
同様に、その後、差動電圧検出回路32が計測するすべての電池モジュール電圧からこの出力基準電圧V2を減算すれば、上記抵抗Re2’などの変動やオペアンプ320のDCオフセット電圧による差動電圧検出回路32の出力基準電圧の変動を補償することができる。
なお、この時、誤差補正用アナログスイッチRS1をオンしてもよい。
この実施例は、たとえばイグニッションキーのオン直後など、入力側サンプリングスイッチS1〜S8が長期間オフしていた後で実施されることが好ましい。
本発明のフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置の他の実施例を図4を参照して以下に説明する。
この実施例は、実施例3において、誤差補正用アナログスイッチRS1を、誤差補正用アナログスイッチRS2、RS3に変更したものである。誤差補正用アナログスイッチRS2は入力抵抗素子R11、R12の接続点と出力側サンプリングスイッチS11のオペアンプ側の端子とを接続し、誤差補正用アナログスイッチRS3は入力抵抗素子R11’、R12’の接続点と出力側サンプリングスイッチS11のオペアンプ側の端子とを接続している。
この回路構成及び電池モジュール電圧検出動作は実施例3と同じであるので、基準電圧変動補償動作のみを以下に説明する。
(基準電圧変動補償動作)この実施例では、出力側サンプリングスイッチS10〜S12を遮断し、誤差補正用アナログスイッチRS2、RS3をオンした状態で、差動電圧検出回路31、32の出力電圧V1、V2を採取する。
この時の差動電圧検出回路31の出力電圧V1を、差動電圧検出回路31の入力電圧が0Vである場合の出力基準電圧としてコントローラ4に記憶し、この時の差動電圧検出回路32の出力電圧V2を、差動電圧検出回路32の入力電圧が0Vである場合の出力基準電圧としてコントローラ4に記憶する。
その後、差動電圧検出回路31が計測するすべての電池モジュール電圧からこの出力基準電圧V1を減算すれば、上記抵抗Re2などの変動やオペアンプ310のDCオフセット電圧による差動電圧検出回路31の出力基準電圧の変動を補償することができる。
同様に、その後、差動電圧検出回路32が計測するすべての電池モジュール電圧からこの出力基準電圧V2を減算すれば、上記抵抗Re2’などの変動やオペアンプ320のDCオフセット電圧による差動電圧検出回路32の出力基準電圧の変動を補償することができる。
この実施例によれば、実施例3よりも、オペアンプ310、320の入力電圧の減衰を促進することができる。
(変形態様)実施例2において、フライングキャパシタC1、C2の蓄電電圧を同一の差動電圧検出回路で時間順次に検出する場合でも、フライングキャパシタC1、C2の容量差に起因する出力電圧誤差を同様に補償することができる。
(変形態様)本発明では、図5に示すように、フライングキャパシタC1、C2が互いに異なる電池ブロックの各電池モジュールの電圧を検出する場合にも適用することができる。
すなわち、各電圧検出系間の誤補正のために、各電圧検出系が同一電圧モジュールの電圧を検出するように回路構成を行えばよいわけである。
1 組電池
2 マルチプレクサ(モジュール電圧分配回路)
31、32 差動電圧検出回路
4 コントローラ(データ処理回路)
VB1〜VB7 電池モジュール
S1〜S8 入力側サンプリングスイッチ
S10 出力側サンプリングスイッチ
S11 出力側サンプリングスイッチ
S12 出力側サンプリングスイッチ
C1 第一のフライングキャパシタ
C2 第二のフライングキャパシタ
RS1〜RS3、Sr 誤差補正用アナログスイッチ
2 マルチプレクサ(モジュール電圧分配回路)
31、32 差動電圧検出回路
4 コントローラ(データ処理回路)
VB1〜VB7 電池モジュール
S1〜S8 入力側サンプリングスイッチ
S10 出力側サンプリングスイッチ
S11 出力側サンプリングスイッチ
S12 出力側サンプリングスイッチ
C1 第一のフライングキャパシタ
C2 第二のフライングキャパシタ
RS1〜RS3、Sr 誤差補正用アナログスイッチ
Claims (2)
- フライングキャパシタと、
互いに直列接続された多数の電池モジュールからなる組電池の各電池モジュール電圧を前記フライングキャパシタに時間順次に入力するための複数の入力側サンプリングスイッチを有する入力マルチプレクサ回路と、
前記フライングキャパシタの蓄電電圧を差動増幅する差動電圧検出回路と、
前記フライングキャパシタと前記差動電圧検出回路との間に介設される出力側サンプリングスイッチと、
前記出力側サンプリングスイッチが遮断されている状態での前記差動電圧検出回路の出力電圧のばらつきに関連するデータを採取するとともに前記データに基づいて前記差動電圧検出回路の基準入力電圧の変動を補正するデータ処理回路と、
を備えることを特徴とするフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置。 - フライングキャパシタと、
互いに直列接続された多数の電池モジュールからなる組電池の各電池モジュール電圧を前記フライングキャパシタに時間順次に入力するための複数の入力側サンプリングスイッチを有する入力マルチプレクサ回路と、
前記フライングキャパシタの蓄電電圧を差動増幅する差動電圧検出回路と、
前記フライングキャパシタと前記差動電圧検出回路との間に介設される出力側サンプリングスイッチと、
前記モジュール電圧分配回路の前記入力側サンプリングスイッチが遮断されている時に前記フライングキャパシタを短絡する短絡スイッチと、
前記短絡スイッチにより前記フライングキャパシタが短絡されている状態での前記差動電圧検出回路の出力電圧のばらつきに関連するデータを採取するとともに前記データに基づいて前記差動電圧検出回路の基準入力電圧の変動を補正するデータ処理回路と、
を備えることを特徴とするフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置。
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