JP2009042080A - 電圧検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐コモンモードノイズ性能の診断が可能な電圧検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】一対の入力端子間の電位差を検出する差動電圧検出回路と、互いに直列接続された複数個の電池モジュールの各電極端子を前記差動電圧検出回路の入力端子に個別に接続するサンプリングスイッチを有するマルチプレクサと、このマルチプレクサと差動電圧検出回路間に接続されたフライングキャパシタ回路と、このフライングキャパシタ回路にコモンモードノイズを印加するシグナル発生器とから構成することにより、上述の課題を解決する電圧検出装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに直列接続された複数個の電池モジュールの電圧検出装置に関する。
近年、エンジンと電気モータとを併用したハイブリッドカーが広く用いられ、燃料電池車等の電気自動車の利用も拡大しつつある。このような、電気モータを動力源として用いる車両は、モータ駆動用の高圧電源を備えており、その高圧電源部に触れたユーザが感電することを防止するために、高圧電源と車体との間は絶縁構造にされている。
そのためモータ動作時はそのモータを駆動するインバータや電線、モータ内部と車体との浮遊容量等の差により、高圧電源部の電位が車体に対しコモンモードで大きく変動することになる。
そこでハイブリッドカーや燃料電池車等では、高圧電源を構成している二次電池電圧の監視には耐コモンモードノイズ特性に優れたフライングキャパシタ回路を広く用いている。
またその高圧電源を監視するフライングキャパシタ回路においては、そのマルチプレクサ部の故障を検出電圧が所定の異常時の場合に検出する方法（例えば、特許文献１、特許文献２参照）や、マルチプレクサのオン時間を変更した際の出力電圧の変化割合で動作不良を判定する方法（例えば、特許文献３参照）等が知られている。
特開２００２−２８１６８１号公報 特開２００３−８４０１５号公報 特開２００４−２４５７４３号公報
しかしながら、上記したフライングキャパシタ回路の故障診断方法では、回路の直流電圧精度の故障を検出する事はできるが、一度モータを駆動するインバータの電線やモータ内部と車体との浮遊容量等が変化した際に発生するコモンモードノイズの耐量診断は不十分である。フライングキャパシタ回路のコモンモードノイズ耐量が低下すると、高圧電源を構成している二次電池の電圧検出精度の低下や、更に二次電池の故障を検出するなどの誤った診断を行い、その後の適切な処置やサービス性の悪化等の問題が生じる。
そこで、本発明は、耐コモンモードノイズ性能の診断が可能なフライングキャパシタを用いた電圧検出装置を提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明の電圧検出装置は、一対の入力端子間の電位差を検出する差動電圧検出回路と、互いに直列接続された複数個の電池モジュールの各電極端子を前記差動電圧検出回路の入力端子に個別に接続するサンプリングスイッチを有するマルチプレクサと、このマルチプレクサと差動電圧検出回路間に接続されたフライングキャパシタ回路と、このフライングキャパシタ回路にコモンモードノイズを印加するシグナル発生器とから構成したことを特徴とするものである。
本発明に係る電圧検出回路の故障診断装置は、フライングキャパシタの一部もしくは差動増幅回路の入力端子にシグナル発生装置を接続し、そのシグナル発生装置からの入力に
より差動増幅回路の出力電圧が変化することを検出し耐コモンモードノイズ性能の診断を実施できる。
従来の電圧検出装置は、直流特性のみ故障診断を実施しているのが一般的で、二次電池に接続された負荷、例えばモータ内部の巻き線と対地間に浮遊する容量性結合やモータに電力を供給する電線と対地間に浮遊する容量性結合、またインバータを構成するＩＧＢＴ等の対地間容量等が変化する事により発生する二次電池の対地電圧の変化による電圧検出精度への影響までは診断できなかった。
本発明による回路構成では、フライングキャパシタ回路を構成している差動増幅回路のコモンモードノイズ耐量の低下を精度よく検出する事が可能で、その検出精度の低下により誤って二次電池の故障等を検出する事が発生しなくなる。
本発明の電圧検出装置は、一対の入力端子間の電位差を検出する差動電圧検出回路と、互いに直列接続された複数個の電池モジュールの各電極端子を前記差動電圧検出回路の入力端子に個別に接続するサンプリングスイッチを有するマルチプレクサと、このマルチプレクサと差動電圧検出回路間に接続されたフライングキャパシタ回路と、このフライングキャパシタ回路にコモンモードノイズを印加するシグナル発生器とから構成したことを特徴とするものである。
本発明に係る電圧検出回路の故障診断装置は、フライングキャパシタの一部もしくは差動増幅回路の入力端子にシグナル発生装置を接続し、そのシグナル発生装置からの入力により差動増幅回路の出力電圧が変化することを検出し耐コモンモードノイズ性能の診断を実施することができる。
また、本発明の電圧検出装置は、前記フライングキャパシタ回路が直列接続した２個以上のフライングキャパシタで構成され、シグナル発生器のコモンモードノイズをフライングキャパシタ回路の中点に印加するような構成であってもよい。
さらに、本発明の電圧検出装置は、シグナル発生器のコモンモードノイズを差動電圧検出回路の入力端子に印加するように構成してもよい。
（実施の形態１）
以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るシグナル発生装置を付加したフライングキャパシタ回路を備えた電圧検出装置の構成の一例を示す回路図である。
図１に示す電圧検出装置１は、複数個の電池モジュール４が直列接続した二次電池の電圧を検出するものであり、サンプリングスイッチ６を有するマルチプレクサ７と、フライングキャパシタ回路８と、差動電圧検出回路２と、フライングキャパシタ回路８にコモンモードノイズを印加するシグナル発生器９とを備えている。
二次電池には負荷が接続される。負荷としては例えば図１に示すようにモータ駆動用インバータ１１とモータ１３が接続される。モータ駆動用インバータ１１は、例えばハイブリッドカーや燃料電池車等の電気自動車の車両を動作させるためのモータ１３を駆動する回路であり、浮遊容量、対地抵抗１２は、モータ内部の巻き線と対地間に浮遊する容量性結合やモータに電力を供給する電線と対地間に浮遊する容量性結合、またインバータを構成するＩＧＢＴ等の対地間容量等である。
二次電池は１個１．２Ｖのニッケル水素二次電池が複数、例えば２４０個〜５００個程度直列に接続されて、例えば２８８Ｖ〜６００Ｖ程度の高電圧を出力し、その二次電池の電圧を検出するためのフライングキャパシタ回路８と、フライングキャパシタ回路８の出力により、二次電池の電圧計測や容量、故障診断を行うマイコン１６がある。シグナル発生器９は、フライングキャパシタ回路８のコモンモードノイズ耐量の低下等を検出するためのシグナル発生装置である。
図２はフライングキャパシタ回路８の回路図とその動作シーケンスを示した図で、二次電池２１は多数直列に接続された二次電池群で、スイッチ６はマイコン１６により選択的にＯＮ、ＯＦＦされるスイッチであり、キャパシタ２３に二次電池２１の電圧を選択的にコピーするスイッチである。スイッチ２３は、キャパシタ２４を差動増幅回路２５に接続し、マイコン１６によりスイッチ６で選択された二次電池２１の電池電圧を検出するためのスイッチで、スイッチ６とスイッチ２３のＯＮ，ＯＦＦにより二次電池２１と差動増幅回路２５が直接接続されないように構成されている。
図３は、シグナル発生器９の一例を示す図である。この例ではシグナル発生器９は電源３１、スイッチ３２、スイッチ３３、抵抗Ｒ３１、抵抗Ｒ３２を備える。抵抗Ｒ３１の一端が電源３１に接続される。抵抗Ｒ３１の他端からスイッチ３２、スイッチ３３、抵抗Ｒ３３が直列に接続され、抵抗Ｒ３３の他端はグラウンドに接続される。電源３１は予め設定された電圧で、１２Ｖでも５Ｖでも良い。スイッチ３２をＯＮするとシグナル発生器９の出力は電源３１の電圧となり、スイッチ３２をＯＦＦしスイッチ３３をＯＮすると、シグナル発生器出力は０Ｖとなる。なおシグナル発生器９の出力は、矩形波、正弦波、三角波でも良い。
図４は、フライングキャパシタ回路を構成する差動増幅回路のフィルタ特性の一例であり、シグナル発生装置から入力された電圧とマイコン入力電圧を図示したものである。
例えば差動増幅回路のフィルタ特性が、１Ｈｚで０ｄＢ、１ｋＨｚで−２０ｄＢとすると、シグナル発生装置の出力がＶｐ−ｐ＝５Ｖの正弦波でその周波数が１Ｈｚの場合は、マイコン入力のＶｐ−ｐは５Ｖとなるが、シグナル発生装置の出力がＶｐ−ｐ＝５Ｖで、その周波数が１ｋＨｚの場合は、マイコン入力のＶｐ−ｐは０．５Ｖとなる。その変化をマイコン１６にて計測する事で、フライングキャパシタ回路を構成する差動増幅回路の耐コモンモードノイズ性能の診断を行うことができる。
図５は、フライングキャパシタ回路を構成する作動増幅回路が故障した場合の一例で、故障により作動増幅回路のフィルタ特性が悪化することで、シグナル発生装置の出力電圧が十分に減衰されず、マイコン入力のＶｐ−ｐが高くなる状態を示した図である。
（実施の形態２）
図６は、本発明の一実施形態に係るシグナル発生装置を付加したフライングキャパシタ回路の構成の一例を示す回路図である。図６に示す電圧検出装置１は、複数個の電池モジュール４が直列接続した二次電池の電圧を検出する装置であり、サンプリングスイッチ６を有するマルチプレクサ７と、フライングキャパシタ回路８と、差動電圧検出回路２と、フライングキャパシタ回路８にコモンモードノイズを印加するシグナル発生器９とを備えている。差動電圧検出回路２の出力はマイコン１６に入力される。本実施の形態においては、シグナル発生器９が発生するコモンモードノイズを差動電圧検出回路２の入力端子に印加する。実施の形態１と同様に、マイコン１６で計測される電圧の周波数依存性からフライングキャパシタ回路を構成する差動増幅回路の耐コモンモードノイズの性能の診断を行うことができる。
本発明の電圧検出装置によると、絶縁された二次電池群とその電圧を検出するフライングキャパシタ回路に係り、特に電気自動車やハイブリッドエレベータ等のモータを駆動する電源システムの電圧検出回路の故障診断として好適に用いる事ができる。
本発明の一実施の形態に係る電圧検出装置を示す回路図 （ａ）フライングキャパシタ回路の回路図、（ｂ）フライングキャパシタ回路の動作シーケンスを示す図 （ａ）シグナル発生器の回路図、（ｂ）シグナル発生器の出力を示す図 （ａ）フライングキャパシタ回路を構成する差動増幅回路のフィルタ特性を示す図、（ｂ）その故障診断方法を示す図 （ａ）フライングキャパシタ回路を構成する差動増幅回路故障時のフィルタ特性を示す図、（ｂ）その故障診断方法を示す図 本発明の一実施形態に係るフライングキャパシタ回路とその故障診断回路を差動増幅回路の入力端子に接続した構成を示す回路図
符号の説明
１ 電圧検出装置
２ 差動電圧検出回路
４ 電池モジュール
５ 電極端子
６ サンプリングスイッチ
７ マルチプレクサ
８ フライングキャパシタ回路
９ シグナル発生器
１１ モータ駆動用インバータ
１２ 浮遊容量、対地抵抗
１３ モータ
１６ マイコン
２１ 二次電池
２３ スイッチ
２４ キャパシタ
２５ 差動増幅回路
３１ 電源
３２ スイッチ
３３ スイッチ
４２ シグナル発生器の出力電圧
４３ マイコン入力電圧の一例
５２ シグナル発生器の出力電圧
５３ 故障発生時のマイコン入力電圧の一例

Claims (3)

  1. 一対の入力端子間の電位差を検出する差動電圧検出回路と、
    直列接続された複数個の電池モジュールの各電極端子を前記差動電圧検出回路の入力端子に個別に接続するサンプリングスイッチを有するマルチプレクサと、
    前記マルチプレクサと前記差動電圧検出回路間に接続されたフライングキャパシタ回路と、
    前記フライングキャパシタ回路にコモンモードノイズを印加するシグナル発生器とから構成したことを特徴とする電圧検出装置。
  2. フライングキャパシタ回路が直列接続した２個以上のフライングキャパシタで構成され、シグナル発生器のコモンモードノイズをフライングキャパシタ回路の中点に印加するように構成した請求項１記載の電圧検出装置。
  3. シグナル発生器のコモンモードノイズを差動電圧検出回路の入力端子に印加するように構成した請求項１記載の電圧検出装置。
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