JP2007256113A - 電池電圧測定回路、電池電圧測定方法およびバッテリｅｃｕ - Google Patents

Abstract

【目的】比較的簡単かつ廉価な構成で、組電池の電圧を共通の測定回路で高精度に測定することが可能な電池電圧測定回路を提供する。
【構成】各単位電池Ｖの両端電圧は、差動増幅器Ａによって増幅され、変換器Ｔによって単位電池Ｖの両端電圧に対応する特定の変換量に変換され、検出回路１でレベルシフトされて、組電池の最下位電位を共通の基準電位とする電圧に逆変換される。さらに、この逆変換された電圧は、制御部２により、マルチプレクサで順次選択してＡ／Ｄ変換し、シリアルのデジタル信号として絶縁バッファ回路３を介して制御演算部４に送る。
【選択図】図１

Description

本発明は、多数のセルが直列に接続された組電池を構成する各セルの電圧を測定する技術に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池車などでは、配線抵抗損失の低減やスイッチング素子の小型化などを目的として、複数の二次電池や燃料電池からなる単位電池を直列接続して高圧の組電池として構成するのが一般的になっている。例えば、燃料電池を用いる場合、単位電池のセル電圧は１Ｖ程度であるため、一般には数百セルを直列に接続して必要な高電圧を得るようにしている。このような場合に、単位電池の１つに異常が生まれ、極端に低いまたは高い電圧で動作するようなことがあると、その不具合を起こした単位電池セルが腐蝕を起こしたり、耐圧不良を起こしたりして、組電池全体が破損するような状況に到る虞がある。このため、このような組電池を使用する場合には、各単位電池１個ずつまたは複数個ずつの電圧を順次スキャンしながら計測、監視して、異常があった場合に直ちに対処できるようにしている。

このような電圧監視を行なう例として、各単位電池の電圧をそれぞれ異なる差動増幅器で最下位端子を基準に検出した例（特許文献１参照）、あるいは組電池の中点と同電位の仮想グランドを基準に検出した例（特許文献２参照）が報告されている。
また、いわゆるフライングキャパシタ式と呼ばれる方法が報告されている。この方法では、各単位電池の電圧を一対のマルチプレクサを介して順次フライングキャパシタに印加した後、両マルチプレクサを遮断状態として単位電池電圧をサンプルホールドし、その後、フライングキャパシタの両端をそれぞれコンデンサ電位出力用のアナログスイッチを通じて電圧検出回路に導通させて、フライングキャパシタの電位差すなわち蓄電電圧が電圧検出回路により検出される（特許文献３参照）。
さらに、各単位電池の電圧を一対のマルチプレクサを介して初段差動増幅器の一対の入力端子に入力し、初段差動増幅器は組電池の最低電位を基準に差動増幅を行い、初段差動増幅器の出力電圧は後段の差動増幅器により車体アース電位を基準に増幅を行い、後段差動増幅器の出力電圧をＡ／Ｄ変換する例が報告されている（特許文献４参照）。

特開平１１−１１３１８２号公報（段落００１７、図１） 特開２００３−７０１７１号公報（段落００１７、図１） 特開２００２−１５６３９２号公報（要約、図１） 特開２００２−１２２６４３号公報（段落００４４〜段落００４８、図１）

しかしながら、前記した従来の方法において、特許文献１や特許文献２に示した方法のように、入力単位電池電圧を検出する初段増幅器または変換機の基準電圧を最下位端子あるいは組電池の中点と同電位の仮想グランドにした場合、初段増幅器または変換機への入力電圧が大きくなって、ゲインが大きくとれず、検出電圧精度が悪くなるという問題がある。また、暗電流が増加するなどの問題もあってこの面からも十分な精度が取れないという問題が生まれる。また、特許文献３などに示すフライングキャパシタ式の例では、電池側の高圧部と車体アース電位の低圧部とが絶縁されているため、素子に双方向耐圧が要求され、双方向耐圧が高い素子を多数用いる必要があるためコストがかかるという問題がある。さらに、特許文献３や特許文献４のように共通のマイコンやＡ／Ｄ変換器に入力するためスイッチで切り替える構成では、寄生容量などにより雑音の影響を受けやすいという問題がある。また、特許文献４に示すような車体グランドを基準として測定する構成では、組電池の基準電位と車体電位とは絶縁されているので、原因を特定することが困難な雑音が発生しやすく、また寄生雑音の影響を受けやすいという問題がある。

本発明は、これらの問題を解決して、比較的簡単かつ廉価な構成で、組電池の電圧を共通の測定回路で高精度に測定することが可能な電池電圧測定回路、電池電圧測定方法およびバッテリＥＣＵを実現することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の請求項１記載の発明は、複数の単位電池が直列に接続された組電池の各単位電池の出力電圧を測定する電池電圧測定回路において、各単位電池に対して設けられ当該単位電池の両電極間の電圧を所定の変換量に変換する変換手段と、前記複数の単位電池のおのおのに対し、前記変換手段で変換された前記変換量を共通に処理して計測する計測手段とを具備することを特徴とする。
これにより、より処理が容易な変換量を用いて計測を共通化し、測定を簡単容易にすることが可能な電池電圧測定回路を実現することができる。

請求項２記載の電池電圧測定回路は、各変換手段が前記両電極間の電圧を対応する数値を表すデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段を含むことを特徴とする。
これにより、比較的簡単廉価な変換手段で直接演算計測が可能なデジタル値に変換し、計測処理を容易にすることができる。

請求項３記載の電池電圧測定回路は、請求項１において、各変換手段に対して設けられ当該変換手段で変換された前記変換量を前記組電池の最下位電位を基準とする電圧に変換するレベルシフト手段をさらに具備し、前記計測手段が、前記複数の単位電池のおのおのに対し、前記の最下位電位を基準とする電圧に応じたデジタル値を順次出力することを特徴とする。
これにより、各単位電池の両電極間の電圧が前記組電池の最下位電位を基準とする電圧に変換されるので、単一の計測手段で共通に精度よく順に計測することが可能となる。

請求項４記載の電池電圧測定回路は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、前記複数の単位電池にそれぞれ対応する前記変換手段を隣接する所定数からなるグループに分割し、グループごとにチャージポンプ回路を備え、各グループの前記変換手段が当該グループに関係付けられた前記チャージポンプ回路からの電源で動作することを特徴とする。
これにより、測定する単位電池の測定端子の電位に見合う電源を比較的容易に実現することができ、測定を容易にすることができる。

請求項５記載の電池電圧測定回路は、請求項４において、前記組電池から電気的に絶縁され、各チャージポンプ回路の電源となるＤＣ／ＤＣ変換器をさらに具備することを特徴とする。
これにより、組電池の出力電圧の影響を受けることなく安定した電源を変換手段のグループに供給することが可能となる。

請求項６記載の電池電圧測定回路は、請求項１、請求項３ないし請求項５のいずれか一項において、前記変換手段が前記両電極間の電圧を対応する大きさの電流に変換する電圧／電流変換手段を含むことを特徴とする。
これにより、比較的簡単廉価な変換手段で変換して、レベルシフト、計測を容易に実現することができる。

請求項７記載の電池電圧測定回路は、請求項１、請求項３ないし請求項５のいずれか一項において、前記変換手段が前記両電極間の電圧を対応する周波数の交流信号に変換する電圧／周波数変換手段を含むことを特徴とする。
これにより、比較的簡単廉価な変換手段で変換して、レベルシフト、計測を容易に実現することができる。

請求項８記載の電池電圧測定回路は、請求項１ないし請求項７のいずれか一項において、前記組電池と電気的に絶縁された制御演算部と、各単位電池に対する前記デジタル値を、前記組電池と前記制御演算部との絶縁性を維持しながら前記計測手段から前記制御演算部へと電送する手段をさらに具備することを特徴とする。
これにより、組電池と制御演算部との絶縁性を維持されるので、制御演算部が組電池の影響を受けるおそれがないので、制御演算部の信頼性が向上する。

請求項９記載の発明は、複数の単位電池が直列に接続された組電池の各単位電池の両電極間の電圧を測定する電池電圧測定回路における電池電圧測定方法を提供する。本発明の電池電圧測定方法は、前記電池電圧測定回路が、各単位電池の両電極間の電圧を差動増幅する増幅ステップと、前記増幅ステップで得られた出力電圧を所定の変換量に変換する変換ステップと、前記変換ステップで変換された前記変換量を前記組電池の最下位電位を基準とする電圧にレベルシフトするレベルシフトステップと、前記複数の単位電池のおのおのに対し、前記レベルシフトステップでレベルシフトされた前記電圧を共通の計測手段を用いて計測する計測ステップとを含んで実行することを特徴とする。
これにより、組電池の単位電池の両電極間の電圧を前記組電池の最下位電位を基準とする電圧にレベルシフトすることで、片側耐圧の単一の計測手段で共通に計測することが可能となり、電池電圧測定が容易になる。

請求項１０記載の発明は、複数の単位電池が直列に接続された組電池の各単位電池の出力電圧を測定可能なバッテリＥＣＵ（Electric Control Unit）を提供する。本発明のバッテリＥＣＵは、各単位電池に対して設けられ当該単位電池の両電極間の電圧を入力部を介して検出して検出電圧を出力する差動増幅手段と、各差動増幅手段に対して設けられ当該差動増幅手段からの前記検出電圧を所定の変換量に変換する変換手段と、前記変換手段で変換された前記変換量を前記組電池の最下位電位を基準とする電圧にレベルシフトするレベルシフト手段と、前記レベルシフト手段によってレベルシフトされた前記電圧を計測する計測手段とを内蔵する処理装置を備えたことを特徴とする。
このバッテリＥＣＵは、組電池の単位電池の両電極間の電圧を前記組電池の最下位電位を基準とする電圧にレベルシフトすることで、片側耐圧の単一の計測手段で共通に計測することが可能となり、電池電圧測定が容易に行うことができる。

請求項１１記載のバッテリＥＣＵは、前記処理装置が集積回路であることを特徴とする。
これにより、バッテリＥＣＵを小型化することができる。

本発明によれば、組電池を構成する各単位電池の両電極間の電圧を組電池の最下位電位を基準とする電圧にレベルシフトすることで、片側耐圧の単一の計測手段で共通に計測することが可能となる。したがって、廉価な構成で、安全性を低下させることなく、組電池の各単位電池の電圧を高精度に測定することが可能となる。

以下、本発明を図面に沿って詳細に説明する。
なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。

図１は、本発明の電池電圧測定回路の概略ブロック図である。図１において、符号Ｖ，Ａ，Ｔに続く数字は、識別のための添え字であり、Ｋ（整数）およびＫを加減した数を添え字として使用する場合はＫの後に括弧（）付きで記した。符号Ｅは測定の対象である組電池である。符号Ｖ１，・・・，Ｖ（Ｋ），・・・は組電池Ｅを構成する個々の単位電池である。符号Ａ１，・・・，Ａ（Ｋ），・・・は単位電池Ｖ１，・・・，Ｖ（Ｋ），・・・の電圧をそれぞれ検出する差動増幅器である。符号Ｔ１，・・・，Ｔ（Ｋ），・・・は差動増幅器（ＡＭＰ）Ａ１，・・・，Ａ（Ｋ），・・・の出力を所定の変換量にそれぞれ変換する変換器である。符号１は変換器Ｔ１，・・・，Ｔ（Ｋ），・・・で変換された変換量を組電池Ｅの最下位電位を基準とする電気信号（例えば、Ｖ１，・・・，Ｖ（Ｋ），・・・の出力電圧に応じた電圧の直流信号またはＶ１，・・・，Ｖ（Ｋ），・・・の出力電圧に応じた周波数の交流信号であり、以降、変換信号と称する）にそれぞれ逆変換する検出回路である。符号２は、単位電池Ｖ１，・・・，Ｖ（Ｋ），・・・に対応して検出回路１から出力される変換信号を例えば組電池Ｅの最下位の単位電池に対応する変換信号から順に出力するマルチプレクス機能と、与えられる変換信号をその電圧または周波数に対応する数値を表すデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換機能とを含んだ高圧部の制御部である。符号３は制御部２からの信号を低圧部に送る絶縁バッファ回路である。制御部２からの信号は絶縁バッファ回路３を介して車体接地の制御演算部（後記する）に送られて処理される。
変換器Ｔは請求項の変換手段に含まれ、検出回路１は請求項のレベルシフト手段の機能を、制御部２は請求項の計測手段の機能を含んでいる。

このブロック図に沿って本発明の電池電圧測定回路の基本的な動作を説明する。
各単位電池Ｖの両端電圧は、差動増幅器Ａによって増幅され、変換器Ｔによって単位電池Ｖの両端電圧に対応する特定の変換量に変換される。この変換器Ｔによって変換された変換量は、検出回路１でレベルシフトされて、組電池の最下位電位を共通の基準とする電圧に変換される。

このようにして、検出回路１からの出力電圧は、共通の基準電位にレベルシフトされた単位電池Ｖの両端子間電圧に対応する。制御部２は、この各単位電池Ｖの両端電圧に対応した電圧をマルチプレクサで順次選択してＡ／Ｄ変換し、シリアルのデジタル信号としてホトカプラなどの絶縁バッファ回路３を介して制御演算部に送る。

ここで、変換器Ｔによって変換された変換量は、各単位電池Ｖの両端子間の電位差に対応するものでなければならないが、各端子の電位とは無関係に変換することができる。従って、検出回路１でレベルシフトして、組電池の最下位電位を共通の基準電位とする電圧に置き換えることにより、組電池の最下位電位を基準電位（すなわち、電位０）とした各単位電池の両端子間電圧に相当する電位、すなわち電位０を基準とする電圧を得ることができる。単位電池ごとに基準電圧にバラツキがないので、共通の検出回路１および制御部２を用いてすべての単位電池の出力電圧を精度良く測定することが可能となる。

一方、差動増幅器Ａおよび変換器Ｔの電源電圧は、単位電池Ｖの両端子電圧が、その電源電圧の正負のレンジ内に収まるものでなくてはならない。このため、単位電池Ｖにあわせて複数の電源を設ける必要がある。このような電源として、例えばチャージポンプ回路を用いることができる。

図２に、変換器として電圧／周波数変換器を用いた本発明の一実施形態のブロック図を示す。なお、各電圧／周波数変換器（Ｖ／Ｆ）Ｔｆ（Ｋ）は、図１の差動増幅器Ａ（Ｋ）を含むものとする。

図２に沿って、この実施形態での計測動作を説明する。
例えば、単位電池Ｖ（Ｋ）の両端子電圧は入力抵抗（請求項の入力部に相当する）Ｒ１を経てＶ／Ｆ（電圧／周波数）変換器Ｔｆ（Ｋ）に入力され、Ｖ／Ｆ変換器Ｔｆ（Ｋ）によって端子電圧に対応した周波数信号φ（ｆＫ）に変換される。この変換された周波数信号φ（ｆＫ）は周波数信号であるため、容量Ｃ１を介して組電池の最下位電位に接続された終端インピーダンスＣ２に接続されることによって単位電池Ｖ（Ｋ）側の直流電位とは切り離された信号とすることができ、基準電圧の異なる個別の単位電池電圧信号を組電池の最下位電位を基準電位とする周波数信号に容易にシフトダウンすることができる。
なお、入力抵抗Ｒ１は、請求項の入力部の一例である。

単位電池Ｖ１，・・・，Ｖ（Ｋ），・・・に対応するシフトダウンされた周波数信号φ（ｆ１），・・・，φ（ｆＫ），・・・は、入力マルチプレクサを有する共通の周波数／電圧変換器（ＭＵＸ／ＦＶＣ）１１によって組電池の最下位電位を基準電位とする周波数ｆ１，・・・，ｆＫ，・・・の交流電圧信号に順次変換さる。ＭＵＸ／ＦＶＣ１１から出力される多重化された交流電圧信号は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１２に入力されて、周波数ｆ１，・・・，ｆＫ，・・・に応じた数値を表すデジタル信号に変換され、ホトカプラなどの絶縁バッファ回路３を介して本体側の車体接地の制御演算部４に送られる。

このように、入力マルチプレクサを有する共通の周波数／電圧変換器ＭＵＸ／ＦＶＣ１１で電圧に変換し、共通のＡＤＣ１２でデジタル信号に変換するので、検出信号を一連のシリアルなデジタル信号に変換することができ、絶縁バッファ回路３を含め素子の数を削減することができる。また、このように共通のＭＵＸ／ＦＶＣ１１、共通のＡＤＣ１２からなる検出回路（図１での処理装置２と同等と考えてもよい）を用いているため、電池チャネルごとの計測バラつきを低減することができる。
ここでＶ／Ｆ変換器Ｔｆは請求項の変換手段に相当し、容量Ｃ１、Ｃ２は請求項のレベルシフト手段の機能を、ＭＵＸ／ＦＶＣ１１、ＡＤＣ１２および制御演算部４は請求項の計測手段の機能を含んでいる。

ところで、Ｖ／Ｆ変換器Ｔｆの基準電圧は計測対象の単位電池Ｖの電位によって異なってくるため、組電池Ｅの最下位電位から見た単位電池Ｖの電位に応じてＶ／Ｆ変換器Ｔｆの基準電位をレベルシフトアップする必要がある。このような目的に適うように電源をチャージポンプＰを用いて構成する。
図２の実施形態では、組電池Ｅを構成する単位電池を上下ほぼ同数の組Ｖ１，Ｖ２，・・・と組Ｖ（Ｋ−２），Ｖ（Ｋ−１）・・・の２組に分割し、ぞれぞれの組に直流電源Ｂ１，Ｂ２を備えている。さらに、上下の組とも隣接する２つの単位電池ごとにグループ化し、上下２組の最下位のグループには直流電源Ｂ１，Ｂ２の出力をそのまま使用し、それ以外のより上位のグループには、グループごとに専用のチャージポンプＰを用意している。下の組Ｖ１，Ｖ２，・・・のチャージポンプは直流電源Ｂ１を電源とし、上の組Ｖ（Ｋ−２），Ｖ（Ｋ−１）・・・のチャージポンプは直流電源Ｂ２を電源とする。
例えば、下の組では、直流電源Ｂ１をそのまま用いてＶ／Ｆ変換器Ｔｆ１およびＴｆ２へ電源を供給し、チャージポンプＰ１１で昇圧した電圧を用いてＶ／Ｆ変換器Ｔｆ３およびＴｆ４へ電源を供給している。下の組の他のＶ／Ｆ変換器Ｔｆ５，・・・も同様に、直流電源Ｂ１で駆動されるチャージポンプＰ１２，・・・から電力が供給される。

同様に上の組では、直流電源Ｂ２をそのまま用いてＶ／Ｆ変換器Ｔｆ（Ｋ−２）およびＴｆ（Ｋ−１）へ電源を供給し、チャージポンプＰ２１で昇圧した電圧を用いてＶ／Ｆ変換器ＴｆＫおよびＴｆ（Ｋ＋１）へ電源を供給している。
なお、Ｖ／Ｆ変換器Ｔｆの電源電圧が低下した場合は誤った変換結果を出力する虞があるため、電圧異常を検出する回路を設け、電源電圧が異常の場合には変換を停止するなどの方法で誤検出を防止することが好ましい。

この構成では、Ｖ／Ｆ変換器Ｔｆに用いられる素子およびチャージポンプＰに用いられるスイッチング素子および容量は組電池の電圧よりも高い耐圧を有するものである必要がある。しかしながら、組電池の最下位電位を基準電位とする信号に置き換えるため、片方向の耐圧で良く、このため、素子数を削減し、より廉価な素子を用いることができる。

図３に、変換器Ｔとして電圧／電流変換器Ｔｉを用いた本発明の他の実施形態のブロック図を示す。図３の電池電圧測定回路は、組電池Ｅを構成するＫ個の単位電池Ｖ１，Ｖ２，．．．，Ｖ（Ｋ−１）、Ｖ（Ｋ）のおのおのに対し、前段に増幅器を備えた電圧電流変換器（Ｖ／Ｉ変換器）Ｔｉ１，Ｔｉ２，・・・，Ｔｉ（Ｋ−１），Ｔｉ（Ｋ）を備える。ここで、説明を簡単にするためにＫを偶数であるとする。本実施形態では、隣り合う２つのＶ／Ｉ変換器Ｔｉごとに１つのチャージポンプＰを備えている。したがって、図２に示した実施形態のように組電池Ｅを複数の組に分割し、各組ごとに直流電源を設け、各組の最下位の単位電池には直流電源を用いることをせず、単純に２つのＶ／Ｉ変換器ＴｉごとにチャージポンプＰを割り当てた場合、（Ｋ／２）個のチャージポンプ１，・・・，ＰＪ（Ｊ＝Ｋ／２）を備えることになる。このため、同じチャージポンプから電源供給される２つのＶ／Ｉ変換器Ｔｉを１つのブロックで、例えば変換器Ｔｉ（Ｋ−１），Ｔｉ（Ｋ）、変換器Ｔｉ（Ｋ−３），Ｔｉ（Ｋ−４）、・・・のように示した。各単位電池Ｖ（ｋ）（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ）の高電位側の端子は抵抗Ｒ１（請求項の入力部の一例である）を介して対応するＶ／Ｉ変換器Ｔｉ（ｋ）の対応する入力端子に接続され、低電位側の端子はＶ／Ｉ変換器Ｔｉ（ｋ）の対応する入力端子に直に接続されている。Ｖ／Ｉ変換器Ｔｉ（Ｋ），Ｔｉ（Ｋ−１），Ｔｉ（Ｋ−２），・・・の出力は、電圧降下を利用して電圧を検出する検出抵抗Ｒ２（Ｋ），Ｒ２（Ｋ−１），・・・を介して共通の基準電位（すなわち、組電池Ｅの最下位電位）に接続されている。検出抵抗Ｒ２（Ｋ），Ｒ２（Ｋ−１），・・・の高電位側が増幅器Ａ（Ｋ），Ａ（Ｋ−１），・・・の入力端子にそれぞれ接続される。増幅器Ａ（Ｋ），Ａ（Ｋ−１），・・・の出力は、マルチプレクサ付きのアナログデジタル変換器（ＭＵＸ／ＡＤＣ）１３の対応する入力端子に接続される。ＭＵＸ／ＡＤＣ１３の出力は前記の絶縁バッファ回路３を介して、組電池Ｅと電気的に絶縁された回路ブロック（低電位側と称する）の制御演算部４に接続される。また、図３の電池電圧測定回路は、低電位側の直流電源Ｂの出力を電圧変換するＤＣ／ＤＣ変換器６および変換器６の出力をＩＣ（集積回路）用の電源電圧に適合するように調整するレギュレータ（ＲＥＧ）７を備えている。ＤＣ／ＤＣ変換器６は主にチャージポンプＰ（Ｊ），Ｐ（Ｊ−１），・・・の駆動に使用される。なお、Ｉ（Ｋ），Ｉ（Ｋ−１），Ｉ（Ｋ−２），・・・は、Ｖ／Ｉ変換器Ｔｉ（Ｋ），Ｔｉ（Ｋ−１），Ｔｉ（Ｋ−２），・・・の出力電流を表す。
この実施形態では、単位電池Ｖの端子間電圧を電流に変換して出力するようにしている。変換器Ｔｉは、単位電池Ｖの端子間電圧に対応する電流を出力する電圧制御電流源と見なすことができる。変換器Ｔｉの出力電流は、組電池Ｅの最下位電位から見た単位電池Ｖの直流電位とは独立な値である。従って、変換器Ｔｉの出力電流から、基準電圧の異なる各単位電池の出力電圧を組電池の最下位電位を基準電位とする電圧に容易にシフトダウンすることができる。

図３に沿って、この実施形態での計測動作を説明する。
各単位電池Ｖ（ｋ）の両端子電圧は入力抵抗Ｒ１を経てＶ／Ｉ変換器Ｔｉ（ｋ）に入力され、Ｖ／Ｉ変換器Ｔｉ（ｋ）によって端子間電圧に対応した電流信号Ｉ（ｋ）に変換される。この変換された電流信号Ｉ（ｋ）を、組電池Ｅの最下位電位に接続された同一の抵抗値の終端抵抗Ｒ２（ｋ）に流すことによって、組電池の最下位電位を共通の基準電位とする電圧信号に変換することができる。

変換された共通の基準電位の電圧信号はマルチプレクサ機能を有するＡ／Ｄ変換器ＭＵＸ／ＡＤＣ１３によって順次デジタル電圧信号に変換され、一連のシリアル信号となって、絶縁バッファ回路３を介して低電位側の車体接地の制御演算部４に送られる。
このように入力マルチプレクサを有する共通のアナログデジタル変換器ＭＵＸ／ＡＤＣ１３によって順次デジタル電圧信号に変換され、一連のシリアル信号に変換されて、絶縁バッファ回路３に送られるため、絶縁バッファ回路３を含む素子の数を削減することができる。また、共通のＭＵＸ／ＡＤＣ１３を用いているため、電池チャネルごとの計測バラつきを低減することができる。

ここでＶ／Ｉ変換器Ｔｉ（ｋ）は請求項の変換手段を含み、抵抗Ｒ２（ｋ）は請求項のレベルシフト手段の機能を、ＭＵＸ／ＡＤＣ１３および制御演算部４は請求項の計測手段の機能を含んでいる。

また、前記のように基準電源として低電位側の直流電源Ｂの電圧を変換する絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧を用い、この電圧を例えばチャージポンプＰ（Ｊ）でレベルシフトして外付けコンデンサＣ３に充電し、これをＶ／Ｉ変換器Ｔｉ（ｋ），Ｔｉ（ｋ−１）の電源としている。また、ＭＵＸ／ＡＤＣ１３および絶縁バッファ回路３などの共通部分の電源には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧をレギュレータ７で電圧調整して用いる。

このように、Ｖ／Ｉ変換器Ｔｉの電源を構成し、Ｖ／Ｉ変換器Ｔｉの出力電流の電力を直流電源Ｂからとっているので、計測のために被測定側の組電池Ｅの電力を消費することがない。従って、Ｖ／Ｉ変換器Ｔｉに内蔵された増幅器の入力抵抗の高抵抗化が可能になり、入力側に電池雑音除去用の低域ろ波フィルタを構成する場合にその容量を小さくすることができ、小型化、コストダウンが可能になる。

この実施形態の構成では、Ｖ／I変換器Ｔｉに用いられる素子およびチャージポンプＰに用いられるスイッチング素子および容量は組電池の電圧よりも高い耐圧を有するものである必要がある。しかしながら、組電池Ｅの最下位電位を基準電位とする信号に置き換えるため、片方向の耐圧で良く、このため、素子数を削減し、より廉価な素子を用いることができ、小型化、コストダウンが可能になる。
特に、本実施形態のように単位電池出力の変換器としてＶ／I変換器Ｔｉを用いた場合、ＭＵＸ／ＡＤＣ１３に内蔵されるマルチプレクサは、単位電池ごとに１つの入力接点を備えればよいので、構造が簡単になる。

以上の実施形態では、単位電池Ｖの端子間電圧を、周波数信号や電流に置換えてシフトダウンし、共通の検出回路を介してシリアルなデジタル電圧信号にし、絶縁バッファ回路３を介して制御演算部４に送るようにしている。しかし、単位電池Ｖの端子間電圧を直接Ａ／Ｄ変換してデジタル信号にし、各単位電池に対応するデジタル信号を順次演算処理することも可能である。

本発明のさらに他の実施形態として、以上に述べた本発明の電池電圧測定回路を内蔵したバッテリＥＣＵ（電子制御装置）について簡単に触れることにする。
図４は本発明のバッテリＥＣＵ１００のブロック図である。また、比較のために図５に上述の特許文献１に述べられているような型の従来のバッテリＥＣＵのブロック図を示す。なお、図５においては、図４の高圧制御部４２および低圧制御部４が高圧制御部５２および低圧制御部５４にそれぞれ置き換わっている。

図４において、ＨＶＩＣ（高耐圧ＩＣ）２１は変換器およびチャージポンプを含む回路を集積化したものである。高圧側制御部４２は、逆変換機能、マルチプレクサ機能およびＡ／Ｄ変換機能を有している。絶縁バッファ回路３は、高圧側制御部４２から低圧側の制御演算部４への計測データの転送と共に、低圧側の制御演算部４からの制御信号を高圧側制御部４２へ転送する上り下りの回線を形成している。ＤＣ／ＤＣコンバータ６およびレギュレータ７は図３の場合と同様の働きをする。

このようにＨＶＩＣ２１で入力回路部分を集積化することなどによって、高耐圧部品点数を削減することができ、小型化、コストダウンが可能になる。さらに回路全体の集積化が容易になり、電池電圧測定機能を１つのバッテリＥＣＵ１００に集積化することが可能になる。
これは、図５に示す従来のバッテリＥＣＵで、フォトＭＯＳスイッチ回路（チャンネルと称する）からなるスイッチ回路２５を備えて、低圧側の制御部５４から図示しない絶縁バッファ素子を介して送られる制御信号でこのスイッチ回路２５のチャンネルを順次選択する場合に比べて、はるかに回路構成が楽であり、絶縁バッファ回路などの絶縁素子数を少なくすることができる。

また、図４の実施形態では、単位電池Ｖ１，Ｖ２，．．．，Ｖ２０（説明を簡単にするために２０個とした）から構成される組電池Ｅ１の最下位電位を共通の基準電位とすることができるために、図４に示すように、電流や電圧の検出回路の構成が容易になり、バッテリ電流検出回路（ＩＢ）２２とイグニッションスイッチをオンにした際の電源回路のキャパシタ事前充電用のプリチャージコンタクタ（ＰＲＥＣＨＧ）２３をバッテリＥＣＵ１００の内部に取り込むことができ、高電圧と車体接地間の漏電検出回路（ＬＥＡＫ）２４も、組電池Ｅ１の最下位電位を基準電位として構成することで簡略化、最適化することができ、回路の絶縁箇所も削減することができるなどのメリットが生まれる。

以上述べたように、本発明では、各被測定電池の端子間電圧に相当する電圧を変換信号に変え、この変換信号を共通の基準電位に移し、共通の測定装置で精度良く検出し、検出結果をシリアル信号として絶縁素子を介して低圧部の制御演算部へ送るように構成している。これにより、廉価な構成で、安全性を保ちつつ、組電池の電圧を高精度に測定することが可能な電池電圧測定回路を実現するこができる。
以上は、本発明の説明のために実施の形態の例を掲げたに過ぎない。したがって、本発明の技術思想または原理に沿って前記の実施の形態に種々の変更、修正または追加を行うことは、当業者には容易である。
例えば、上述の説明は電池電圧測定回路を中心に述べてきたが、この電池電圧測定回路に用いられる測定方法も本発明の対象とするものである。

本発明によれば、組電池の単位電池のような電池の各電圧を動作中に従来よりも少ない部品点数で高精度に検出することができるので、燃料電池が用いられる広範囲な産業分野を中心に、電池の電圧監視が必要な産業分野で広く利用される可能性を有している。

本発明の電池電圧測定回路の概略ブロック図である。 電圧／周波数変換器を用いた本発明の一実施形態のブロック図である。 電圧／電流変換器を用いた本発明の他の実施形態のブロック図である。 本発明のバッテリＥＣＵのブロック図である。 従来のバッテリＥＣＵのブロック図である。

符号の説明

１ 検出回路
２ 制御部
３ 絶縁バッファ回路
４ 制御演算部
６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
７ レギュレータ
１１ ＭＵＸ／ＦＶＣ
１２ ＡＤＣ
１３ ＭＵＸ／ＡＤＣ
２１ ＨＶＩＣ（高耐圧ＩＣ）
２２ バッテリ電流検出機能回路
２３ プリチャージコンタクタ
２４ 漏電検出回路
２５ スイッチ回路
４２ 高圧側制御部
１００ バッテリＥＣＵ
Ａ 差動増幅器
Ｂ 直流電源
Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ
Ｅ，Ｅ１ 組電池
Ｐ チャージポンプ
Ｒ 抵抗
Ｔ 変換器
Ｖ 単位電池

Claims (11)

1. 複数の単位電池が直列に接続された組電池の各単位電池の出力電圧を測定する電池電圧測定回路において、
   各単位電池に対して設けられ当該単位電池の両電極間の電圧を所定の変換量に変換する変換手段と、
   前記複数の単位電池のおのおのに対し、前記変換手段で変換された前記変換量を共通に処理して計測する計測手段とを具備することを特徴とする電池電圧測定回路。
2. 各変換手段は前記両電極間の電圧を対応する数値を表すデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段を含むことを特徴とする請求項１記載の電池電圧測定回路。
3. 各変換手段に対して設けられ当該変換手段で変換された前記変換量を前記組電池の最下位電位を基準とする電圧に変換するレベルシフト手段をさらに具備し、
   前記計測手段は、前記複数の単位電池のおのおのに対し、前記の最下位電位を基準とする電圧に応じたデジタル値を順次出力することを特徴とする請求項１記載の電池電圧測定回路。
4. 前記複数の単位電池にそれぞれ対応する前記変換手段を隣接する所定数からなるグループに分割し、グループごとにチャージポンプ回路を備え、各グループの前記変換手段は当該グループに関係付けられた前記チャージポンプ回路からの電源で動作することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項記載の電池電圧測定回路。
5. 前記組電池から電気的に絶縁され、各チャージポンプ回路の電源となるＤＣ／ＤＣ変換器をさらに具備することを特徴とする請求項４記載の電池電圧測定回路。
6. 前記変換手段は前記両電極間の電圧を対応する大きさの電流に変換する電圧／電流変換手段を含むことを特徴とする請求項１、請求項３ないし請求項５のいずれか一項記載の電池電圧測定回路。
7. 前記変換手段は前記両電極間の電圧を対応する周波数の交流信号に変換する電圧／周波数変換手段を含むことを特徴とする請求項１、請求項３ないし請求項５のいずれか一項記載の電池電圧測定回路。
8. 前記組電池と電気的に絶縁された制御演算部と、
   各単位電池に対する前記デジタル値を、前記組電池と前記制御演算部との絶縁性を維持しながら前記計測手段から前記制御演算部へと電送する手段をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項記載の電池電圧測定回路。
9. 複数の単位電池が直列に接続された組電池の各単位電池の両電極間の電圧を測定する電池電圧測定回路における電池電圧測定方法であって、前記電池電圧測定回路が、
   各単位電池の両電極間の電圧を差動増幅する増幅ステップと、
   前記増幅ステップで得られた出力電圧を所定の変換量に変換する変換ステップと、
   前記変換ステップで変換された前記変換量を前記組電池の最下位電位を基準とする電圧にレベルシフトするレベルシフトステップと、
   前記複数の単位電池のおのおのに対し、前記レベルシフトステップでレベルシフトされた前記電圧を共通の計測手段を用いて計測する計測ステップとを含んで実行することを特徴とする電池電圧測定方法。
10. 複数の単位電池が直列に接続された組電池の各単位電池の出力電圧を測定可能なバッテリＥＣＵ（Electric Control Unit）であり、
    各単位電池に対して設けられ当該単位電池の両電極間の電圧を入力部を介して検出して検出電圧を出力する差動増幅手段と、
    各差動増幅手段に対して設けられ当該差動増幅手段からの前記検出電圧を所定の変換量に変換する変換手段と、
    前記変換手段で変換された前記変換量を前記組電池の最下位電位を基準とする電圧にレベルシフトするレベルシフト手段と、
    前記レベルシフト手段によってレベルシフトされた前記電圧を計測する計測手段とを内蔵する処理装置を備えたことを特徴とするバッテリＥＣＵ。
11. 前記処理装置は集積回路であることを特徴とする請求項１０記載のバッテリＥＣＵ。

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