JP2007212443A - 電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】故障を確実に検出することができる電圧検出装置を提供する。
【解決手段】スイッチ２１により電池１の出力電圧Voutを所定の周期で振動させて直流電圧から交流電圧に変換し、一次コイル２４１から二次コイル２４２へ伝達する。二次コイル２４２の両端にそれぞれ生じる交流電圧Vh、Vlを交流直流変換器２５により検出し、Voutが大きくなるにつれて上昇する電圧V1と、Voutが大きくなるにつれて下降する電圧V2に変換する。さらに、Voutが０であるときのV1とV2が所定のしきい値を超えてオフセットした場合は、電圧検出装置が故障していると判定する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、電池やキャパシタなどから出力される直流出力電圧を検出する装置に関する。

従来、例えば電気自動車やＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）などの、電池から出力される電力によって駆動する電気モータを備え、電気モータの駆動力で走行する車両において、電池から回路上に印加される直流電圧（以下、電池の出力電圧とも記載する）を検出対象の電圧として検出するために様々な方法が用いられている。たとえば、電池の出力電圧に応じた電流をケーブルに流すことにより、電池から離れた位置でもその出力電圧を正確に検出できるようにした非絶縁型の電圧センサが知られている（特許文献１参照）。

特開２００１−１２４８０５号公報

特許文献１に開示される電圧センサ（以下では、電圧検出装置とも言う）において、ノイズやＡＤ変換時の量子化誤差などの影響を軽減して検出精度を高めるためには、ケーブルに流す電流のダイナミックレンジを大きくする必要がある。しかし、ケーブルに流す電流のダイナミックレンジを大きくすると、それに応じてケーブル損失による無駄な電力消費が発生するという問題がある。
これを解決する為に、検出対象の直流電圧が大きくなるにつれて上昇する第１の電圧と、検出対象の直流電圧が大きくなるにつれて下降する第２の電圧とを出力する電圧変換回路を備え、この電圧変換回路から出力された第１の電圧と第２の電圧の差分に基づいて検出対象の直流電圧を算出する電圧センサが考えられる。ところが、このような電圧センサを用いた場合には従来の電圧センサに比べて回路が複雑化する為、故障が発生する可能性が高くなるという問題が有る。そこで、電圧検出装置の故障を確実に検出する必要が有る。

本発明による電圧検出装置は、直流電圧が印加される直流回路に接続されて、この直流回路上に印加される直流電圧を検出する電圧検出装置であって、直流電圧が大きくなるにつれて上昇する第１の電圧と、直流電圧が大きくなるにつれて下降する第２の電圧とを出力する電圧変換手段と、電圧変換手段から出力された第１の電圧と第２の電圧とを入力し、入力した第１の電圧と第２の電圧との差分に基づいて直流電圧を算出する電圧算出手段と、第１の電圧または第２の電圧のうちのいずれか少なくとも一方が電圧算出手段に入力されない場合は、故障していると判定する第一の故障判定手段とを備えることを特徴とする電圧検出装置である。

本発明によれば、電圧検出装置の故障を確実に検出することができる。

−第１の実施の形態−
図１は、本発明を適用した一実施の形態による車両用電圧検出装置のブロック図である。この電圧検出装置は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）のように電池１から供給する電力によって駆動する電気モータ４を備え、該電気モータ４の駆動力で走行する車両などに搭載され、図１に示すように電池１の出力電圧（直流電圧）が印加される直流回路５に接続されて電池１の出力電圧を検出する電圧検出装置であって、電圧変換部２およびマイコン３を備えている。電圧変換部２には、スイッチ２１、トランス２４および交流直流変換器２５が備えられている。トランス２４において、入力段である電池１側には一次コイル２４１が設置され、出力段である交流直流変換器２５側には二次コイル２４２が設置されている。なお、一次コイル２４１と二次コイル２４２は電気的に絶縁されている。また、抵抗２２、２３は電池１の出力電圧が高電圧である事から、分圧して降圧した電圧を電圧検出装置に入力する為に設けられた分圧抵抗であり、電池１の出力電圧が電圧検出装置の耐圧以下であれば設けなくても良い。

電池１から出力される直流の出力電圧Voutは抵抗２２、抵抗２３（以下、分圧抵抗）によって降圧されて、直流の入力電圧として電圧変換部２に入力される。電圧変換部２は、入力された入力電圧（以下、単に入力電圧と記載する）に基づいて直流電圧V1およびV2をマイコン３へ出力する。マイコン３は、電圧変換部２から出力された直流電圧V1およびV2を検出し、その検出結果に基づいて電池１の出力電圧Voutを求める。図１に示す電圧検出装置では、このようにして電池出力電圧の検出が行われる。以下、電圧変換部２とマイコン３の具体的な動作内容について説明する。

電圧変換部２のスイッチ２１は、マイコン３からの制御信号に応じて開閉動作し、電池１と一次コイル２４１との接続状態を接続または切断のいずれかに切り替える。このスイッチ２１の開閉動作を所定の周期で繰り返し、電池１との接続状態を周期的に切り替えることにより、スイッチ２１の動作周期に応じて入力電圧が所定の周期で振動する。すると、入力電圧が直流電圧から交流電圧に変換され、入力電圧の大きさに応じた交流電圧がトランス２４の一次コイル２４１に印加される。すなわち、スイッチ２１は開閉動作を所定の周期で繰り返す事によって、直流の入力電圧を交流電圧に変換する直流交流変換手段として機能する。こうして印加された交流電圧により、交流電流が一次コイル２４１に流れる。このとき一次コイル２４１の両端間に発生する電位差をVsと表す。

一次コイル２４１の両端間電位差Vsは、スイッチ２１の開閉動作に応じて周期的に時間変化する。このときのVsの実行値をVsefと表すと、電池１の出力電圧VoutとVsefの比率は、抵抗２２、抵抗２３および一次コイル２４１の各インピーダンスの比率に応じて決定される。

抵抗２２と抵抗２３のインピーダンスは、それぞれの抵抗値から定まる。一次コイル２４１のインピーダンスは、一次コイル２４１に印加される印加電圧の周波数すなわちスイッチ２１の動作周波数と、一次コイル２４１のインダクタンスに応じて定まる。したがって、スイッチ２１を所定の動作周波数で動作させると、抵抗２２、抵抗２３および一次コイル２４１の各インピーダンスの比率は一定となる。すなわち、VoutとVsefの比率は、抵抗２２と抵抗２３の抵抗値および一次コイル２４１のインダクタンスと、スイッチ２１の動作周波数により、予め定めておくことができる。

図２のグラフは、マイコン３からの制御信号としてスイッチ２１に入力されるトリガ信号の例と、電池１の出力電圧Voutと一次コイル２４１の両端間電位差の実行値Vsefの関係を示している。たとえば、図２（ａ）に示すような周期Ｔのトリガ信号をスイッチ２１に入力し、これに応じてスイッチ２１を開閉する。このとき、電気モータ４の消費電力の変動等によって電池１の出力電圧Voutが変化する時間（周期）に対して周期Ｔを十分小さく設定し、スイッチ２１を高速に動作させることで、図２（ｂ）に示すように、出力電圧Voutの変化の様子をVsefにおいて忠実に再現することができる。

一次コイル２４１に印加された交流電圧は、トランス２４において入力段の一次コイル２４１から出力段の二次コイル２４２へ伝達される。ここで、一次コイル２４１と二次コイル２４２の巻数比を１とすると、一次コイル２４１に印加される交流電圧の大きさと二次コイル２４２に伝達される交流電圧の大きさは等しくなる。したがって、二次コイル２４２の両端間に生じる電位差も、一次コイル２４１と同じくVsと表すことができる。

なお、トランス２４において一次コイル２４１と二次コイル２４２の温度特性は同一であることが好ましい。このようにすれば、温度変化が生じた場合にも、一次コイル２４１に印加される交流電圧の大きさと二次コイル２４２に伝達される交流電圧の大きさを等しくすることができる。

抵抗２２の抵抗値を０とした場合は、前述のようにして直流電圧から交流電圧に変換されたVoutの全部が一次コイル２４１から二次コイルに伝達される。一方、抵抗２２の抵抗値が０でない場合は、交流電圧に変換されたVoutのうち一部が一次コイル２４１に入力され、二次コイル２４２へ伝達される。このときの伝達比は、前述のように抵抗２２と抵抗２３の抵抗値および一次コイル２４１のインダクタンスと、スイッチ２１の動作周波数によって決定される。

二次コイル２４２のインピーダンスが半分となる点、すなわち二次コイル２４２の略中心に位置する点には、交流直流変換器２５から出力される所定の基準電圧Vrefが印加されている。これにより、二次コイル２４２の両端にそれぞれ生じる電圧をそれぞれVh、Vlと表すと、これらは二次コイル２４２の両端間電位差Vsを用いて、以下の式（１）、（２）のようにそれぞれ表すことができる。なお、Vhは＋側（高電位側）であり、Vlは−側（低電位側）である。両端間電位差Vsは前述のようにスイッチ２１の動作にしたがって所定の周期で時間変化するため、Vh、Vlはいずれも基準電圧Vrefを中心に変化する交流電圧である。
Vh＝Vref＋（１／２）Vs ・・・（１）
Vl＝Vref−（１／２）Vs ・・・（２）

上記の式（１）、（２）によって表される交流電圧Vh、Vlは、交流直流変換器２５に入力される。交流直流変換器２５は、入力した交流電圧Vh、Vlの実効値を求め、下記（３）及び（４）式に基づいて直流電圧V1、V2にそれぞれ変換し、マイコン３のＡＤポートへと出力する。マイコン３は、ＡＤポートに入力された直流電圧V1、V2をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル値として取り込む。これにより、直流電圧V1、V2がマイコン３において検出される。

交流直流変換器２５が出力する直流電圧V1、V2は、上記の式（１）、（２）においてVsを実効値Vsefに置き換えることにより、以下の式（３）、（４）のようにそれぞれ表すことができる。
V1＝Vref＋（１／２）Vsef ・・・（３）
V2＝Vref−（１／２）Vsef ・・・（４）

ここで、前述のようにVoutとVsefの比率は、抵抗２２および抵抗２３の抵抗値や、一次コイル２４１のインダクタンス、スイッチ２１の動作周波数によって予め定められる。この比率を伝達比Rtと表すと、式（３）、（４）は以下の式（５）、（６）のように書き換えられる。
V1＝Vref＋（１／２）Rt・Vout ・・・（５）
V2＝Vref−（１／２）Rt・Vout ・・・（６）

式（５）、（６）から、以下の式（７）が導出される。
Vout＝（１／Rt）・（V1−V2）
V1−V2＝Vとすると、 Vout＝V／Rt ・・・（７）

マイコン３は、Ａ／Ｄポートから出力されるデジタル信号の直流電圧V1、V2を入力し、入力した直流電圧V1、V2に基づいて電池１の出力電圧Voutを求める電圧検出部３１、入力した直流電圧V1、V2に基づいて後述するオフセット電圧を検出するオフセット電圧検出部３２及び、入力した直流電圧V1、V2に基づいて電圧検出装置の故障を判定する故障判定部３３を有している。

図３のグラフは、電池１の出力電圧の大きさと、式（５）、（６）によって表される直流電圧V1、V2との関係を表している。横軸は電池側電圧電位、すなわち出力電圧Voutの大きさを表しており、縦軸は電圧検出出力段電位、すなわち直流電圧V1、V2の大きさを表している。図３のグラフに示されるように、直流電圧V1およびV2は出力電圧Voutに応じて変化する。Voutが大きくなるにつれてV1は上昇し、対称的に、Voutが大きくなるにつれてV2は下降する。なお、V1、V2のいずれも、Vout＝０のときには基準電圧Vrefに等しくなる。

電圧検出部３１は、入力した直流電圧V1、V2と、予め定められた所定の伝達比Rtとに基づいて、上記の式（７）から電池１の出力電圧Voutを求める。すなわち、電圧検出部３１は、図３に示すV1とV2の差分Vを算出して、算出したV1とV2の差分Vを上記の式（７）に適用して、電池１の出力電圧Voutを求める。このようにして電池１の出力電圧Voutを求めることにより、ケーブルに電流を流したときのように無駄な電力消費が発生することなく、高い精度で電圧検出を行うことができる。

なお、マイコン３のＡＤポートは、予め定められた所定の電圧検出範囲（検出可能な電圧範囲であり、例えば０Ｖから５Ｖ）を有している。したがって、この電圧検出範囲内となるように、電圧変換部２からV1とV2が出力される。図３に示すように電池１の最大出力電圧をVmaxとすると、Voutの範囲は０からVmaxとなる。このVoutに対して出力されるV1とV2が常にマイコン３のＡＤポートの電圧検出範囲内となるように、基準電圧Vrefと伝達比Rtが定められる。たとえば、マイコン３のＡＤポートの検出可能範囲が０〜５Ｖの場合、Vref＝２．５Ｖに設定し、さらに電池１の最大出力電圧VmaxのときにV1が５Ｖ以下、V2が０Ｖ以上となるような伝達比Rtが設定される。このようにすることで、マイコン３においてV1およびV2を検出することができる。

トランス２４において、一次コイル２４１と二次コイル２４２の間は電気的に絶縁されている。これにより、VoutとV1およびV2とは電気的に絶縁され、電池１からの出力電圧が直接伝わることがない。したがって、電池１からの出力電圧が高電圧であっても、その検出を安全に行うことができる。

なお、電池１の出力電圧Voutを検出中に異常が発生したとき、たとえばVoutが最大出力電圧Vmaxを超えて検出された場合などは、マイコン３からの制御信号によりスイッチ２１を開放することが好ましい。このようにすることで、異常発生時に電圧検出装置を保護することができる。

ところで、本実施形態の電圧検出装置は、マイコン３において直流電圧V1およびV2を検出する際に発生する様々な誤差を補正したり、あるいは故障診断を行ったりすることにより、電池１の出力電圧Voutを正確に求めることができるようにしている。その方法について以下に説明する。

図４は、電圧検出部３１においてV1およびV2を検出するときに、ＡＤポートにおいてアナログ信号からデジタル信号に変換する際にゲイン誤差が発生した場合を説明するための図である。図４（ａ）は、ゲイン誤差が発生していない正常時の電池側電圧電位と直流電圧V1、V2の関係を表している。このときのVoutとV1、V2の関係は上記の式（５）および（６）によって表されるため、V1とV2は基準電圧Vrefを中心にして、図４（ａ）に示すように上下対称に変化する。

図４（ｂ）は、マイコン３のＡＤポートにおいてゲイン誤差が発生した際の電池側電圧電位と直流電圧V1、V2の関係を表している。このときのゲイン誤差成分をGerrと表すと、VoutとV1、V2の関係は以下の式（８）および（９）のように表される。
V1＝Vref＋（１／２）Rt・Vout＋Gerr・Vout ・・・（８）
V2＝Vref−（１／２）Rt・Vout＋Gerr・Vout ・・・（９）

上記の式（８）および（９）によって表されるV1とV2は、電池側電圧電位に応じて、たとえば図４（ｂ）に示すように変化する。このように、図４（ａ）に示す正常時の波形に対して、ゲイン誤差発生時にはゲイン誤差成分Gerrの分だけV1およびV2の傾きが本来のものからずれる。

式（８）、（９）の両辺の差を計算するとゲイン誤差成分Gerrを削除することができ、式（７）が得られる。すなわち、ゲイン誤差成分の大きさに関わらずV1とV2の電圧差Vは一定である。したがって、ゲイン誤差が生じた場合であっても、本実施形態の電圧検出装置ではそれをキャンセルして式（７）からVoutを求めることができる。

次に、交流直流変換器２５から出力されるV1とV2にオフセット誤差が含まれる場合の補正方法を説明する。尚、オフセット誤差とは上述のゲイン誤差とは異なり、図５に示す様に交流直流変換器２５から出力されるV1とV2との０点が図中左右にオフセット（即ちV1とV2とが平行移動）する事により発生する誤差を言う。図５は、出力電圧Voutが０のときにV1＞V2となる場合を示している。このような場合、出力電圧Voutが０のときのV1−V2の値をオフセット誤差Vaとすると、このオフセット誤差Vaの分だけ式（７）の算出結果に誤差が生じる。そこで、V1とV2の電圧差Vからオフセット誤差Vaを求めるオフセット検出部３２を備え、電圧検出部３１はV1とV2の電圧差Vからオフセット検出部３２で求められたオフセット誤差Vaを減算した値（Vtaと表す）を用いることにより、オフセット誤差を補正してVoutを求める。

具体的には、オフセット誤差を検出するオフセット検出部３２にて出力電圧Voutが０のときにV1＞V2であると判定された場合、オフセット検出部３２はオフセット誤差Vaを算出し、電圧検出部３１は式（７）の代わりに下記の式（１０）を用いてVoutを求める。
Vout＝（１／Rt）・（V1−V2−Va）
V1−V2−Va＝Vtaとすると、 Vout＝Vta／Rt ・・・（１０）

図６は、出力電圧Voutが０のときにV1＜V2となる場合を示している。このような場合におけるVoutが０のときのV2−V1の値をオフセット誤差Vbとすると、図５で説明したのと同様に、V1とV2の電圧差Vにオフセット誤差Vbの分を加算した値（Vtbと表す）を用いることにより、オフセット誤差を補正してVoutを求めることができる。具体的には、オフセット誤差を検出するオフセット検出部３２にてVoutが０のときにV1＜V2であると判定された場合、オフセット検出部３２はオフセット誤差Vbを算出し、電圧検出部３１は式（７）の代わりに下記の式（１１）を用いてVoutを求める。
Vout＝（１／Rt）・（V1−V2＋Vb）
V1−V2＋Vb＝Vtbとすると、 Vout＝Vtb／Rt ・・・（１１）

以上説明したように、電池１の出力電圧Voutが０であるときのV1とV2の差分からオフセット誤差VaまたはVbを算出し、そのオフセット誤差を補正してVoutを算出することができる。なお、オフセット誤差VaまたはVbを求める際には、電池１の実際の出力電圧が０でなくても、オフセット検出部３２がオフセットを検出する際に電圧検出部３１へスイッチ２１を開放（開路）する指令を送信し、電圧検出部３１からの制御信号によりスイッチ２１を開放して電池１との接続状態をオフに切り替えることで、電池１から一次コイル２４１に印加される電圧を０として、電池1の出力電圧Voutが０であるときと同等の状態とすることができる。

または図９の変形例に示す様に、通常電気自動車に設けられている、電池１（直流電源）を回路から切り離す為のスイッチであるメインリレーMLをオフセット検出部３２からの制御信号によって開放する事により、電池１と電圧検出装置とを電気的に切断する事によっても、電池１から電圧変化部２に入力する電圧を０として、電池１の出力電圧Voutが０であるときと同等の状態とすることができる。すなわち、スイッチ２１若しくは通常設けられているメインリレーMLを切断する事によって、一次コイル２４１に印加される電圧を０として、電池１の出力電圧（電池１の状態）に関わらず任意のタイミングで、且つオフセット誤差を検出する為にスイッチを追加する事無く、オフセット誤差を検出することができる。このようにして、電池１の状態に関わらずオフセット誤差VaまたはVbを算出することができる。

次に、本実施形態の電圧検出装置において実施する故障診断について説明する。尚、本実施例においては上述したオフセット検出部３２におけるオフセット誤差の検出、電圧検出部３１における直流電圧の検出は同時に（並行して）行われているものとする。図７は、上記で説明したようなオフセット誤差がV1とV2の検出結果に含まれている場合の故障診断方法を説明するための図である。図７（ａ）には、正常時の電池側電圧電位と直流電圧V1、V2の関係を示している。一方、図７（ｂ）には、故障時の電池側電圧電位と直流電圧V1、V2の関係を示している。

図１及び図９に示す様に、マイコン３は入力されたV1及びV2に基づいて、電圧検出装置の故障を判定する故障判定部３３を備えている。図７（ａ）に示すように、電池１の出力電圧Voutが０のときにV1＞V2である場合は、オフセット誤差Vaが所定のしきい値Vcよりも小さければ、電圧検出装置が正常に動作していると故障判定部３３において判定する。その場合は、前述したような方法でオフセット誤差Vaの分を補正して電池出力Voutを求める。しかし、図７（ｂ）に示すように、オフセット誤差Vaがしきい値Vc以上である場合、故障判定部３３において電圧検出装置は故障しており、正常に動作していないと判定して、たとえば運転席に設けられたインジケーター等の報知装置に故障が発生している事を表す故障信号を出力して、故障発生の報知等を行う。

尚、このような電圧検出装置においては温度変化等の環境変化によって、V1及びV2に多少のオフセットが発生する。従って所定のしきい値Vcは、このような環境変化に伴うオフセットが発生した場合のオフセット誤差Va以上の値とされる。これにより、オフセット誤差Vaが環境変化に伴って発生した場合（即ちVa＜Vcの場合）にはオフセット誤差Vaの分を補正して電池出力Voutを求め、オフセット誤差Vaが電圧検出装置の故障に伴って発生した場合（即ちVa＞Vcの場合）には、上述の様に故障発生の報知等を行う。このような故障は、例えばスイッチ２１若しくはメインリレーMLを開放してオフセットを検出する場合に、スイッチ２１若しくはメインリレーMLが完全に開放できない故障（例えば接点の溶着故障）が発生した場合に発生する。

なお、上記では電池１の出力電圧Voutが０のときにV1＞V2である場合についてのみ説明したが、Voutが０のときにV1＜V2である場合にも、同様の方法で故障診断を行うことができる。すなわち、出力電圧Voutが０のときにV1＜V2である場合は、図６に示したオフセット誤差Vbがしきい値Vcよりも小さければ、故障判定部３３において電圧検出装置が正常に動作していると判定する。しかし、オフセット誤差Vbがしきい値Vc以上である場合は、電圧検出装置が故障しており、正常に動作していないと故障判定部３３において判定する。

以上説明したように、電池１の出力電圧Voutが０のときに検出されるV1とV2の差分から求められるオフセット誤差に基づいて故障診断を行う代わりに、V1またはV2のいずれか一方の測定結果に基づいて故障診断を行うこともできる。その方法について図８を用いて説明する。図８（ａ）は、V1の測定結果から故障診断を行う方法を説明するための図である。この図に示すように、Voutが０のときのV1の測定結果V1aが所定のしきい値Vd以上である場合は、故障判定部３３において電圧検出装置が故障していると判定できる。

上記で説明したV1の場合と同様に、V2の測定結果から故障診断を行うこともできる。図８（ｂ）は、V2の測定結果から故障診断を行う方法を説明するための図である。この図に示すように、Voutが０のときのV2の測定結果V2aが所定のしきい値Ve以下である場合は、故障判定部３３において電圧検出装置が故障していると判定できる。

なお、所定のしきい値Vd及びVeは、上述と同様に環境変化に伴うオフセットによって発生するV1及びV2の誤差以上の値とされる。これにより、オフセット誤差が電圧検出装置の故障に伴って発生した場合（即ちV1a＞Vd若しくはV2a＜Veの場合）には、上述の様に故障発生の報知等を行う。尚、このような故障は、例えば交流直流変換器２５がV1を算出する際のVrefが実際に二次コイル２４２の中心に印加しているVrefよりも大きくなっている、若しくはV2を算出する際のVrefが実際に二次コイル２４２の中心に印加しているVrefよりも小さくなっているような交流直流変換器２５の故障や、二次コイル２４２の一部にショートが発生する故障が考えられる。

上述した実施例においては、マイコン３はオフセット検出部３２におけるオフセット誤差の検出、電圧検出部３１における直流電圧の検出及び故障判定部３３における故障判定を同時に行う事としたがこれに限らず、例えば故障判定部３３における判定の結果、故障と判定された場合にオフセット検出部３２におけるオフセット誤差の検出、電圧検出部３１における直流電圧の検出を中止する等、適宜変更しても良い。

以上説明した実施の形態によれば、次の作用効果を奏することができる。
（１）マイコン３のオフセット検出部３２により、電池１の出力電圧Voutが０であるときに算出されるV1とV2の差分に基づいてオフセット誤差VaまたはVbを算出し、そのオフセット誤差VaまたはVbと、V1とV2の電位差Vとに基づいてVoutを算出することとした。このようにしたので、オフセット誤差があってもそれを補正して正確な電圧検出を行うことができる。

（２）スイッチ２１若しくはメインリレーMLをオフ（開路）する事によって、電池１から一次コイル２４１に印加される電圧を０とし、電池１の出力電圧Voutが０であるときと同等の状態として、オフセット誤差VaまたはVbを算出することとしたので、電池１の状態に関わらず任意のタイミングでオフセット誤差VaまたはVbを算出することができる。

（３）故障判定部３３により、オフセット誤差VaまたはVbが所定のしきい値Vc以上である場合は電圧検出装置が故障していると判定することとしたので、電圧検出装置の故障診断を容易に行うことができる。

（４）故障判定部３３により、電池１の出力電圧Voutが０のときに、V1の測定結果V1aが所定のしきい値Vd以上、またはV2の測定結果V2aが所定のしきい値Ve以下のいずれか少なくとも一方である場合は、電圧検出装置が故障していると判定する。このようにしたので、電圧検出装置の故障診断を容易に行うことができる。

−第２の実施の形態−
次に、本発明を適用した第２の実施形態による車両用電圧検出装置について説明する。図１０および１１は、第２の実施の形態による車両用電圧検出装置のブロック図である。この車両用検出装置において、マイコン３のＡＤポートは、入力されたアナログ信号の直流電圧V1、V2を読み込み、アナログ信号からデジタル信号に変換して出力する。これにより、図１および図９に示した第１の実施形態による車両用電圧検出装置と同様に、直流電圧V1、V2がマイコン３において検出される。このマイコン３は、図１および図９と同じ電圧検出部３１を有している。また、オフセット検出部３２および故障判定部３３に換えて、入力した直流電圧V1、V2に基づいて電圧検出装置の故障を判定するオフセット故障判定部３５および入力故障判定部３６を有している。

次に、本実施形態の電圧検出装置において実施する故障判定について説明する。

図１０および１１に示す様に、マイコン３は入力されたV1及びV2に基づいて、電圧検出装置の故障を判定するオフセット故障判定部３５を備えている。本実施形態に示すような電圧検出装置においては、例えば交流直流変換器２５がV1又はV2を算出する際のVref（即ち式（３）又は（４）中のVref）が実際に二次コイル２４２の中心に印加しているVrefに対して異なるような交流直流変換器２５の故障や、二次コイル２４２の一部がショートする故障が発生する可能性が有り、この場合には図１２に示す様にV1及びV2がオフセットする。オフセット故障判定部３５はこのような故障の発生を判定する。

図１２は、上述の様なオフセット故障が発生した場合の電池側電圧電位（すなわち出力電圧Vout）と電圧検出出力段電位（すなわち直流電圧V1、V2）との関係を表している。尚、図１２に記載のVrefは正規の（正常な）Vrefの値を示している。

図１２（ａ）は、交流直流変換器２５がV1を算出する際のVref（即ち式（３）中のVref）が実際に二次コイル２４２の中心に印加しているVrefに対して大きくなる故障が発生した場合の電池側電圧電位と電圧検出出力段電位との関係を表している。このような故障が発生した場合には、V1が図中上方にオフセットする。従って、この図に示すように、Voutが０のときのV1の測定結果V1aが所定のしきい値Vc以上である場合は、マイコン３のオフセット故障判定部３５は交流直流変換器２５が故障していると判定する事ができる。

図１２（ｂ）は、交流直流変換器２５がV2を算出する際のVref（即ち式（４）中のVref）が実際に二次コイル２４２の中心に印加しているVrefに対して小さくなる故障、若しくは二次コイル２４２の中心よりも低電圧側にショートが発生した場合の電池側電圧電位と電圧検出出力段電位との関係を表している。このような故障が発生した場合には、V2が図中下方にオフセットする。従ってこの図に示すように、Voutが０のときのV2の測定結果V2aが所定のしきい値Vd以下である場合は、マイコン３のオフセット故障判定部３５において電圧検出装置が故障していると判定できる。

尚、このような電圧検出装置においては温度変化等の環境変化によって、V1及びV2に多少のオフセット誤差が発生する。その為、所定のしきい値Vc及びVdは、上述と同様に環境変化に伴うオフセットによって発生するV1及びV2の誤差以上の値とされる。

このようにマイコン３のオフセット故障判定部３５は電圧変換部２の故障を検出し、故障と判定した場合には故障信号αを電圧検出部３１へ出力する。電圧検出部３１は故障信号αを受信すると直流電圧の検出動作（すなわち直流電圧の算出）を禁止する。尚、オフセット故障判定部３５から故障信号αを外部のディスプレイ等の報知装置に出力して故障を報知しても良い。

以上説明したように、オフセット故障判定部３５は電池１の出力電圧Voutが０であるときのV1とV2の値であるV1aとV2aとから電圧変換部２の故障を検出する。なお、オフセット故障判定部３５によるオフセット故障判定の際には、電池１の実際の出力電圧が０でなくても、オフセット故障判定部３５から電圧検出部３１へスイッチ２１を開放（開路）する指令を送信し、電圧検出部３１からの制御信号によりスイッチ２１を開放して電池１との接続状態をオフに切り替えることで、電池１から一次コイル２４１に印加される電圧を０として、電池１の出力電圧Voutが０であるときと同等の状態とすることができる。

または図１１に示す様に、通常電気自動車に設けられている、電池１（直流電源）を回路から切り離す為のスイッチであるメインリレーMLをオフセット故障判定部３５からの制御信号によって開放する事により、電池１と電圧検出装置とを電気的に切断する事によっても、電池１から電圧変換部２に入力する電圧を０として、電池１の出力電圧Voutが０であるときと同等の状態とすることができる。すなわち、スイッチ２１若しくは通常設けられているメインリレーMLを切断する事によって、一次コイル２４１に印加される電圧を０として、電池１の出力電圧（電池１の状態）に関わらず任意のタイミングで、且つオフセット故障判定の為にスイッチを追加する事無く、故障の判定を行うことができる。このようにしてオフセット故障判定部３５は、電池１の状態に関わらず故障判定を行うことができる。

さらに、本実施形態の電圧検出装置においては、マイコン３は図１０及び１１に示す様に、入力されたV1及びV2を記憶する記憶部３４、入力されたV1及びV2に基づいて後述する様な電圧検出装置の故障を判定する入力故障判定部３６を備えている。

本実施形態の様な電圧検出装置においては、例えば交流直流変換器２５がV1又はV2を出力できなくなる故障や、交流直流変換器２５からマイコン３へV1又はV2を送信する為の２本の通信線のうちの一方が断線する故障、マイコン３のＡＤポートがV1又はV2のいずれかを読み込めなくなる故障が発生する可能性が有る。入力故障判定部３６はV1またはV2のいずれか少なくとも一方を検出できない場合（即ちＡＤポートを介して入力されるV1又はV2が、入力されない場合）は、このような故障が発生していると判定し、故障信号βを電圧検出部３１及び記憶部３４へ出力する。

記憶部３４は、V1及びV2が入力される毎に記憶したV1及びV2を更新して記憶しているが、故障信号βが入力された場合には故障信号βが入力される直前の値を記憶したまま、V1及びV2の更新を停止する。すなわち、記憶部３４は故障信号βが入力された場合には、故障信号βが入力される前のV1及びV2を記憶して保持する。

電圧検出部３１は入力故障判定部３３からの故障信号βを受信すると、記憶部３４に記憶されている、故障信号βが判定される前のV1及びV2を読み出し、読み出したV1及びV2と、交流直流変換器２５から入力されたV1及びV2のうちのいずれか一方の検出可能な値とを用いて直流電圧を検出する。

図１３は、V2が検出できなくなった場合の様子を示している。このようにV２が検出できなくなった場合には、電圧検出部３１は記憶部３４に記憶された故障前のV1とV2の中間値と、検出可能なV1との差分を２倍した電圧値（Vtcと表す）を求め、このVtcを式（７）においてVの代わりに用いる。すなわち、電圧検出部３１は故障信号βを受信すると、故障前のV1とV2の中間値をVrefとして算出し、算出されたこのVrefと検出可能なV1の差分を２倍した電圧値であるVtcをV1とV2の差分であるVとして、直流電圧Voutとして算出する。

なお、V1が検出できなくなった場合も、以上説明したV2の場合と同様に、故障前のV1とV2の中間値をVrefとし、それと検出可能なV2との差分を２倍した電圧値を式（７）においてVの代わりに用いることで、Voutを算出することができる。

以上説明した第２の実施の形態によれば、次の作用効果を奏することができる。
（１）V1またはV2のいずれか少なくとも一方を検出できない場合は電圧検出装置が故障していると判断することとしたので、電圧検出装置の故障診断を容易に行うことができる。

（２）電池１の出力電圧Voutが０であるときに検出されるV1とV2の値をそれぞれ記憶する。そして、V1またはV2のいずれか一方を検出できない故障が発生した場合、記憶された故障前のV1とV2の中間値と、検出可能なV1またはV2のいずれかとの差分を２倍した値Vtcに基づいて、電池１の出力電圧Voutを算出することとした。このようにしたので、V1またはV2のいずれか一方を検出できない場合であっても、電圧検出を行うことができる。

（３）電池１の出力電圧Voutが０のときに、V1の測定結果V1aが所定のしきい値Vc以上、またはV2の測定結果V2aが所定のしきい値Vd以下のいずれか少なくとも一方である場合は、出力電圧Voutの算出を行わない。従って、大きな誤差が発生しているV1又はV2に基づいて出力電圧Voutを算出する事によって、実際の電池の出力電圧とは大きく異なる出力電圧が算出される事を防止する事ができる。

なお、上記の各実施形態では電池１の出力電圧を検出対象としたが、電池以外のものを電圧検出対象としてもよい。たとえば、複数の電池を組み合わせて構成される組電池や、キャパシタなどからの出力電圧、或いは回路上の任意の箇所の直流電圧等、どのような直流電圧も検出対象とすることができる。直流電圧を出力するものである限り、どのようなものを電圧検出の対象としてもよい。また、直流電源が接続された直流回路上に抵抗を設けて直流電流を直流電圧に変換し、変換された直流電圧を検出する事によって直流電流を検出する電流検出装置に適用しても良い。

以上説明した実施の形態や各種の変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されない。

上記の各実施の形態では、電圧変換手段を電圧変換部２によって実現し、電圧算出手段をマイコン３の電圧検出部３１によって実現している。また、直流交流変換手段および接続切替手段をスイッチ２１、トランス手段をトランス２４、基準電圧印加手段および交流直流変換手段を交流直流変換器２５により実現することとした。さらに、第１の実施の形態においては、誤差検出手段をマイコン３のオフセット検出部３２、故障判定手段をマイコン３の故障判定部３３によりそれぞれ実現し、第２の実施の形態においては、第一の故障判定手段をマイコン３の入力故障判定部３６、第二の故障判定手段をマイコン３のオフセット故障判定部３５、記憶手段をマイコン３の記憶部３４によりそれぞれ実現することとした。しかし、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

第１の実施の形態による車両用電圧検出装置のブロック図である。 （ａ）はスイッチに入力されるトリガ信号を示す図であり、（ｂ）は電池出力電圧Voutと一次コイルの両端間電位差の実行値Vsefの関係を示す図である。 電池出力電圧Voutと直流電圧V1、V2との関係を表した図である。 ゲイン誤差が発生した場合の補正方法を説明するための図である。 出力電圧Voutが０のときにV1＞V2となるオフセット誤差が含まれる場合の補正方法を説明するための図である。 出力電圧Voutが０のときにV1＜V2となるオフセット誤差が含まれる場合の補正方法を説明するための図である。 オフセット誤差が含まれている場合の故障診断方法を説明するための図である。 第１の実施の形態においてV1またはV2のいずれか一方の測定結果に基づいて故障診断を行う方法を説明するための図である。 第１の実施の形態による車両用電圧検出装置の変形例を示す図である。 第２の実施の形態による車両用電圧検出装置のブロック図である。 第２の実施の形態による車両用電圧検出装置の変形例を示す図である。 第２の実施の形態においてV1またはV2のいずれか一方の測定結果に基づいて故障診断を行う方法を説明するための図である。 V2が検出できなくなった場合に電池出力電圧Voutを求める方法について説明するための図である。

符号の説明

１：電池 ２：電圧変換部
３：マイコン ２１：スイッチ
２２：抵抗 ２３：抵抗
２４：トランス ２５：交流直流変換器
２４１：一次コイル ２４２：二次コイル

Claims (6)

1. 直流電圧が印加される直流回路に接続されて、前記直流回路上に印加される前記直流電圧を検出する電圧検出装置であって、
   前記直流電圧が大きくなるにつれて上昇する第１の電圧と、前記直流電圧が大きくなるにつれて下降する第２の電圧とを出力する電圧変換手段と、
   前記電圧変換手段から出力された第１の電圧と第２の電圧とを入力し、入力した第１の電圧と第２の電圧との差分に基づいて前記直流電圧を算出する電圧算出手段と、
   前記第１の電圧または第２の電圧のうちのいずれか少なくとも一方が前記電圧算出手段に入力されない場合は、故障していると判定する第一の故障判定手段とを備えることを特徴とする電圧検出装置。
2. 請求項１に記載の電圧検出装置において、
   前記第１の電圧と第２の電圧をそれぞれ記憶する記憶手段をさらに備え、
   前記電圧算出手段は、前記故障判定手段によって故障が発生していると判定された場合には、前記記憶手段により記憶された故障発生前の前記第１の電圧と第２の電圧の中間値と、入力された前記第１の電圧または前記第２の電圧のうちのいずれかの電圧との差分を２倍した値に基づいて、前記直流電圧を算出することを特徴とする電圧検出装置。
3. 請求項２に記載の電圧検出装置において、
   前記直流電圧が０である時に、前記第１の電圧が予め定められた所定値以上若しくは前記第２の電圧が予め定められた所定値以下である場合に故障と判定する第二の故障判定手段をさらに備え、
   前記電圧算出手段は、前記第２の故障判定手段によって故障と判定された場合には、前記直流電圧の算出を行わないことを特徴とする電圧検出装置。
4. 請求項３に記載の電圧検出装置において、
   前記直流電圧は直流電源から前記直流回路へ印加される電圧であって、前記直流電源と前記直流回路とを接続状態又は切断状態に切り替える接続切替手段をさらに備え、
   前記直流電圧が０である状態は、前記接続切替手段によって前記直流電源と前記直流回路とを切断状態としている状態であることを特徴とする電圧検出装置。
5. 請求項３に記載の電圧検出装置において、
   前記電圧変換手段は、
   前記直流電圧を所定の周期で振動させて直流電圧から交流電圧に変換する直流交流変換手段と、
   前記直流交流変換手段により交流電圧に変換された出力電圧の全部または一部を、一次コイルに印加して二次コイルへ所定の伝達比Rtで伝達するトランス手段と、
   前記二次コイルの両端間の略中心に位置する点に対して所定の基準電圧Vrefを印加する基準電圧印加手段と、
   前記二次コイルの両端にそれぞれ生じる交流電圧Vh、Vlを検出して前記第１の電圧および第２の電圧にそれぞれ変換する交流直流変換手段とを有することを特徴とする電圧検出装置。
6. 請求項５に記載の電圧検出装置において、
   前記直流交流変換手段は、前記直流回路と前記一次コイルの間に接続されたスイッチを所定周期で開閉動作する事により、前記直流電圧を所定の周期で振動させて直流電圧から交流電圧に変換し、
   前記直流電圧が０である状態は、前記スイッチを開路している状態であることを特徴とする電圧検出装置。

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