JP2008064520A - 電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単電池の電圧検出系を二系統用いずに、単電池電圧の検出が正常に切り替わっていることを検出できる電圧測定装置を提供する。
【解決手段】電圧測定装置１０は、組電池１を構成する各単電池の＋端子を選択するマルチプレクサ２と各単電池の−端子を選択するマルチプレクサ３とを用いて各単電池の＋端子と−端子とをそれぞれ差動増幅器４の＋入力端子および−入力端子に接続し、差動増幅器４の出力電圧を検出するが、測定対象となる単電池を順番に切りかえる場合に、マルチプレクサ２、３を同時に切り替えないで＋端子のみ切り替えた状態と−端子のみを切り替えた状態とでも差動増幅器４の出力電圧を検出する。その検出値と切替前の検出値とを比較して差がなければ、故障装置、または、電圧異常と判断できる。
【選択図】図１

Description

本発明は電圧測定装置に係り、特に、単電池が直列に接続された電池群の各単電池の＋端子を選択する第１のマルチプレクサと各単電池の−端子を選択する第２のマルチプレクサとを用いて各単電池の＋端子と−端子とをそれぞれ差動増幅器の＋入力端子および−入力端子に接続し、差動増幅器の出力電圧を検出することで各単電池の電圧を測定する電圧測定装置に関する。

従来、複数の単電池が直列に接続された組電池（電池群）用の制御回路として、組電池を構成する各単電池の電圧を計測して制御する方式が用いられている（例えば、特許文献１、２参照）。組電池を構成する各単電池の電圧を測定するのは、安全性に影響を及ぼす過充電状態を確実に検出するためと、単電池電圧のバラツキをなくして組電池全体の寿命と入出力特性とを最大限に引き出すためである。また、安全性に影響を及ぼす過充電状態を確実に検出するために、単電池電圧の検出回路を二組設け、過充電状態の検出のみは別の系統で検出する制御回路が用いられている。図２にその構成例を示す。

図２に示すように、単電池が４直列に接続された組電池１の単電池端子が、＋端子を切り替えるマルチプレクサ２と−端子を切り替えるマルチプレクサ３の入力に接続され、マルチプレクサ２とマルチプレクサ３の出力は差動増幅器４の入力に接続される。差動増幅器4の出力はマイコン５のＡＤコンバータ入力に接続されており、マイコン５はマルチプレクサ２とマルチプレクサ３の入力切替端子を制御出力して、単電池の電圧を測定する。マイコン５は単電池電圧が過充電電圧に達してれば過充電状態と判断し、上位の制御システムへ信号を送出する。また、差動増幅器５−１から差動増幅器５−４は、各々の単電池の端子を入力とし、出力は比較電圧が過充電検電圧と同じ電圧源８の過充電検出用のコンパレータ６−１から６−４の入力となる。コンパレータ６の出力はＯＲ回路７を経由して過充電信号の出力となり、上位の制御システムに信号が送出される。

図２に示す電圧測定装置では、単電池の過充電検出系が二系統あるので、どちらかの過充電検出系が故障しても、安全性に影響を及ぼす過充電状態を検出できるようになっている。

特開２００３−２８２１５７号公報 特開２００５−１０６５０４号公報

ところが、従来の電圧測定装置では、単電池の電圧検出系を二系統必要とするため、コスト高となり、回路規模も大きくなる、という課題を有している。単電池の電圧検出系を一系統にした場合、マルチプレクサ、差動増幅器、ＡＤコンバータのいずれかが故障した場合は、単電池電圧を誤って測定するため過充電状態での安全性を確保できないおそれがある。この構成要素の中で、差動増幅器とＡＤコンバータは、ＡＤコンバータとは別の基準電圧を測定することで、正常に動作しているかどうか診断することが可能であるが、マルチプレクサが故障した場合、特に単電池の入力選択が制御できない故障の場合には、単電池電圧の検出が不可能となり、過充電状態を検出できないことになる。

本発明は上記事案に鑑み、単電池の電圧検出系を二系統用いずに、単電池電圧の検出が正常に切り替わっていることを検出できる電圧測定装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、単電池が直列に接続された電池群の各単電池の＋端子を選択する第１のマルチプレクサと各単電池の−端子を選択する第２のマルチプレクサとを用いて前記各単電池の＋端子と−端子とをそれぞれ差動増幅器の＋入力端子および−入力端子に接続し、前記差動増幅器の出力電圧を検出することで前記各単電池の電圧を測定する電圧測定装置において、測定対象となる単電池を順番に切りかえる場合に、前記第１および第２のマルチプレクサを同時に切り替えないで前記＋端子のみ切り替えた状態と前記−端子のみを切り替えた状態とでも前記差動増幅器の出力電圧を検出することを特徴とする。

本発明では、単電池の電圧検出の入力切替時に、マルチプレクサの＋入力端子と−入力端子を同時に切り替えるのではなく＋端子のみ切り替えた状態と−端子のみを切り替えた状態とでも差動増幅器の出力電圧を検出している。切り替える単電池の電池電圧が０Ｖでないかぎり、＋端子か−端子のどちらかの入力端子を切り替えれば、差動増幅の出力電圧は変わるため、切り替えた状態で差動増幅の出力電圧を検出して比較すれば、マルチプレクサが正常に切り替わっているかどうかを診断することができる。従って、本発明によれば、単電池の電圧検出系を二系統用いずに、単電池電圧の検出が正常に切り替わっていることを検出できる電圧測定装置を得ることができる。

本発明において、差動増幅器の出力電圧をＡＤコンバータで測定し、＋端子と−端子との両方を切り替える前のＡＤコンバータ測定値Ｖ１と、＋端子のみを切り替えた場合のＡＤコンバータ測定値Ｖ２と、−端子のみを切り替えた場合のＡＤコンバータ測定値Ｖ３と、＋端子と−端子との両方を切り替えた場合のＡＤコンバータ測定値Ｖ４を比較して装置の診断を行うようにすれば、ＡＤコンバータ測定値Ｖ１ないしＶ４を比較できるため、マルチプレクサが正常に切り替わっているかどうかの診断を数値で行うことが可能となる。この態様において、ＡＤコンバータ測定値Ｖ１とＡＤコンバータ測定値Ｖ４とが０Ｖでなく、かつ、ＡＤコンバータ測定値Ｖ１ないしＶ４の値が同一または予め定められた設定範囲内の場合には、単電池の電圧が０Ｖであれば、＋入力端子か−入力端子を切り替えても差動増幅の出力電圧が変化しない可能性があるが、単電池の電圧が０Ｖでなければ、差動増幅器の＋入力と−入力のどちらかの入力端子を切り替えれば必ず差動増幅器の出力電圧が変化するため、マルチプレクサの切り替えが異常であり装置故障と診断することができる。このとき、上位の制御システムに信号を送出するようにしてもよい。

本発明によれば、単電池の電圧検出の入力切替時に、マルチプレクサの＋入力端子と−入力端子を同時に切り替えるのではなく＋端子のみ切り替えた状態と−端子のみを切り替えた状態とでも差動増幅器の出力電圧を検出しているので、＋端子か−端子のどちらかの入力端子を切り替えることで差動増幅の出力電圧は変わるため、切り替えた状態で差動増幅の出力電圧を検出して比較すれば、マルチプレクサが正常に切り替わっているかどうかを診断することができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明を、電気自動車の電源となる電池モジュールを構成する各単電池の電池電圧を測定する電圧測定装置に適用した実施の形態について説明する。

（構成）
電池モジュールは、複数個の組電池１を直列接続することで所定電圧が確保されている。図１に示すように、組電池１（電池群）は４直列の単電池で構成されている。本実施形態では、組電池１を構成する各単電池にリチウムイオン二次電池が用いられている。

本実施形態の電圧測定装置１０は、マルチプレクサ２、３、差動増幅器４、マイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）５を有して構成されている。すなわち、組電池１を構成する各単電池の＋端子はマルチプレクサ２（第１のマルチプレクサ）の入力端子に接続されており、各単電池の−端子はマルチプレクサ３（第２のマルチプレクサ）の入力端子に接続されている。マルチプレクサ２、３の出力端子は、それぞれ、差動増幅器４の＋入力端子（正相入力端子）、−入力端子（逆相入力端子）に接続されている。なお、本実施形態では、差動増幅器４がＯＰアンプと複数の抵抗とで構成されている。

また、マルチプレクサ２、３は、それぞれ単電池切替出力線でマイコン５の出力ポートに接続されている。マイコン５には不図示のＡＤコンバータが内蔵されており、差動増幅器４の出力端子はマイコン５のＡＤ入力端子（ＡＤコンバータの入力端子）に接続されている。このため、マイコン５は出力ポートを介してマルチプレクサ２、３に信号を送出することで、組電池１を構成する各単電池の端子を選択して差動増幅器４に出力させることができ、差動増幅器４から入力されたアナログ電圧をＡＤコンバータでデジタル電圧に変換することで、各単電池の電池電圧を測定することができる。

本実施形態では、各単電池の電池電圧は、単電池の＋端子を入力とするマルチプレクサ２と単電池の−端子を入力とするマルチプレクサ３により切り替えられ、マルチプレクサ２とマルチプレクサ３との切替入力信号はマイコン５により別々に出力制御される。

また、マイコン５は、電気自動車全体を制御する車両側マイコン（上位の制御システム）と通信を行うための通信用ＩＣおよびインターフェースを有している。車両側マイコンと通信を行うための通信線は電池モジュールを構成する複数の電圧測定装置１０間でデージーチェーン状に接続されており、その一端が車両側マイコンのインターフェースに接続されている。

（動作）
次に、本実施形態の電圧測定装置１０の動作について、マイコン５のＣＰＵ（以下、単にＣＰＵという。）を主体として説明する。

ＣＰＵは、下表１に示す順番で、マルチプレクサ２、３の入力切替を行い、ＡＤコンバータを介して各単電池（セル）の電池電圧をデジタル値で取得する。

表１において、セル１〜４は、組電池１を構成する各単電池を図１に示す上側から順にセル１〜４としたものであり（セル１は最上位の単電池、セル４は最下位の単電池）、Ｖ１〜Ｖ４はマイコン５のＡＤコンバータから出力される電圧であり、Ｖ１は各単電池の＋端子と−端子との両方を切り替える前のＡＤコンバータ測定値、Ｖ２は＋端子のみを切り替えた場合のＡＤコンバータ測定値、Ｖ３は−端子のみを切り替えた場合のＡＤコンバータ測定値、Ｖ４は＋端子と−端子との両方を切り替えた場合のＡＤコンバータ測定値である。なお、Ｖ１〜Ｖ４は単電池電圧を有しているものとする（Ｖ１＞０、Ｖ２＞０、Ｖ３＞０、Ｖ４＞０）。また、測定ＮＯは、マイコン５が１→８の順にマルチプレクサの切替と電圧測定を行うことを意味しており、本実施形態の電圧測定装置１０では、測定ＮＯ８が終了すると測定ＮＯ１に戻って動作を継続する。

ＣＰＵは、マルチプレクサ２、マルチプレクサ３を同時には切り替えないで、いずれか片方を切り替えて次のステップ（測定ＮＯ）に移行する。

ここで、表１に示すように、測定ＮＯ１、３、５、７は、各単電池の電池電圧が差動増幅器４からの出力電圧（各単電池の電圧）である。ＣＰＵは、従来技術と同様に、各単電池の電圧と、予めマイコン５のＲＯＭに格納されており、ＲＡＭに展開された過充電あるいは過放電電圧とを比較し、各単電池が過充電状態あるいは過放電状態にあるか否かを判断する。否定判断のときは、上述したように、次の測定ＮＯでの測定を行い、否定判断のときは通信線を介して車両側マイコンに特定の（過充電状態あるいは過放電状態にある）単電池の電池異常を報知する。車両側マイコンは、報知を受けると、電池異常がある旨をインストルメントパネルに表示する。これにより、ドライバはサービスステーションで特定の単電池、組電池１の修理点検、交換を受けることができる。

一方、測定ＮＯ２、４、６は単電池以外の２個の単電池の電圧の和が差動増幅器４の出力電圧となる。ＣＰＵは、測定ＮＯ１、３、５、７での測定値との比較を行い差があるか否かを判断する。差がない場合は、マルチプレクサに異常があるか、単電池電圧が０Ｖになったとみなすことができる。なお、測定ＮＯ８では差動増幅器４の出力電圧が負となるが、一般的なマイコン内蔵のＡＤコンバータは負電圧が測定できず０Ｖと検出される。このため、ＣＰＵは、０Ｖ以外の場合に、マルチプレクサの異常か、電池電圧が負の異常電圧となったと判定することができる。従って、ＣＰＵは、Ｖ１とＶ４とが０Ｖではなく、かつ、Ｖ１ないしＶ４の値が同一（または予め定められた所定範囲内）の場合に、電圧測定装置１０が故障したと判断することができる。装置故障の判断をすると、ＣＰＵは、通信線を介して車両側マイコンに電圧測定装置１０の装置故障を報知する。車両側マイコンは、報知を受けると、電圧測定装置１０の装置故障をインストルメントパネルに表示する。これにより、ドライバはサービスステーションで電圧測定装置１０の修理点検、交換を受けることができる。

（作用・効果等）
本実施形態の電圧測定装置１０は、測定対象となる単電池を順番に切り替える場合に、マルチプレクサ２、３を同時に切り替えないで、＋端子のみ切り替えた状態と−端子のみ切り替えた状態とでも差動増幅器４の出力電圧を検出（ＡＤコンバータを介して測定）するので、マルチプレクサが正常に切り替わっていること及び故障したことを検出することができる。従来技術では、電圧検出系統を二系統有し、いずれかの系統が故障した場合でも異常な状態を検出して電池の充放電を止めることができたが、本発明では電圧測定回路１０が故障したことを検出することができるので、電圧検出系統が一系統のみで電池の充放電を止めることができる。このため、本実施形態の電圧測定装置１０は、構成回路をコンパクトにすることができ、コストを低減させることができる。

図３に、各単電池の電圧が図中に表記されている場合の差動増幅器の入力電圧と出力電圧との変化を示す。図３に示すように、単電池電圧以外の測定時には出力電圧が変化しており、変化しない場合は単電池電圧が０Ｖの異常状態か、マルチプレクサが故障したと判断できることが分かる。

なお、本実施形態では、組電池１を４直列のリチウムイオン二次電池で構成した例を示したが、本発明はこれに限定されるものでない。すなわち、組電池である必要はなく、直並列に接続された電池群一般に適用でき、直列数も４直列に限られるものではない。また、本実施形態では、説明を簡単にするため、マルチプレクサ２、３及び差動増幅器４を別々に示したが、これらを一体とした回路ないしユニットを構成するようにしてもよい。更に、マイコン５にＡＤコンバータを内蔵した例を示したが、ＡＤコンバータをマイコン５の外に配置するようにしてもよいことは云うまでもない。また、本実施形態では、上位の制御システムとして車両側マイコンを例示したが、電池モジュール全体を制御するマイコンを上位の制御システムとしてそのマイコンに電池異常ないし装置異常を報知するようにしてもよい。

本発明は単電池の電圧検出系を二系統用いずに、単電池電圧の検出が正常に切り替わっていることを検出できる電圧測定装置を提供するものであるため、回路をコンパクト化、低コスト化できることから、電圧測定装置の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の電圧測定装置のブロック回路図である。 従来の電圧測定装置のブロック回路図である。 実施形態の電圧測定装置で単電池電圧を測定した場合の差動増幅器の入出力電圧の変化を示す特性線図である。

符号の説明

１ 組電池（電池群）
２ マルチプレクサ（第１のマルチプレクサ）
３ マルチプレクサ（第２のマルチプレクサ）
４ 差動増幅器
５ マイコン
１０ 電圧測定装置

Claims (4)

1. 単電池が直列に接続された電池群の各単電池の＋端子を選択する第１のマルチプレクサと各単電池の−端子を選択する第２のマルチプレクサとを用いて前記各単電池の＋端子と−端子とをそれぞれ差動増幅器の＋入力端子および−入力端子に接続し、前記差動増幅器の出力電圧を検出することで前記各単電池の電圧を測定する電圧測定装置において、測定対象となる単電池を順番に切りかえる場合に、前記第１および第２のマルチプレクサを同時に切り替えないで前記＋端子のみ切り替えた状態と前記−端子のみを切り替えた状態とでも前記差動増幅器の出力電圧を検出することを特徴とする電圧測定装置。
2. 前記差動増幅器の出力電圧をＡＤコンバータで測定し、前記＋端子と前記−端子との両方を切り替える前のＡＤコンバータ測定値Ｖ１と、前記＋端子のみを切り替えた場合のＡＤコンバータ測定値Ｖ２と、前記−端子のみを切り替えた場合のＡＤコンバータ測定値Ｖ３と、前記＋端子と前記−端子との両方を切り替えた場合のＡＤコンバータ測定値Ｖ４を比較して装置の診断を行うことを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
3. 前記ＡＤコンバータ測定値Ｖ１と前記ＡＤコンバータ測定値Ｖ４とが０Ｖでなく、かつ、前記ＡＤコンバータ測定値Ｖ１ないしＶ４の値が同一または予め定められた設定範囲内の場合に、装置故障と診断することを特徴とする請求項２に記載の電圧測定装置。
4. 前記装置故障と診断したときに、上位の制御システムに信号を送出することを特徴とする請求項３に記載の電圧測定装置。

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