JP2009109271A - 電源装置の温度検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａ／Ｄコンバータのサンプリングを高速化することなく、複数の温度センサの検出電圧をデジタル信号に変換しながら、必要な電池の温度を速やかに検出して、温度検出の時間遅れによる制御の悪影響を防止する。
【解決手段】電源装置の温度検出方法は、複数の素電池１の温度を複数の温度センサ２で検出し、複数の温度センサ２の検出信号を所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換する。さらに、温度検出方法は、温度センサ２の検出温度によって、温度センサ２からの出力信号をデジタル信号に変換する順番を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の素電池の温度を複数の温度センサで検出し、検出した温度信号を所定の周期でデジタル信号に変換して出力する電源装置の温度検出方法に関する。

複数の素電池を直列や並列に接続している電源装置は、素電池の温度を検出して、電池の充放電の電流をコントロールしている。電池が温度特性を有し、温度によって充放電できる最大電流が変化するからである。とくに、多数の素電池を直列や並列に接続している電源装置は、大出力が要求されることから電池の電流が大きく、大電流によって素電池の温度が高くなることがある。電池は、温度が高くなると電流を制限して電池温度を低くする必要がある。電池の高温における大電流が性能を低下させるからである。また、温度に対する安全性からも、温度が高い状態での大電流を制限することが大切である。

さらに、多数の素電池を直列に接続している電源装置は、全ての素電池の温度を均一にできない。このため、複数の温度センサを使用して複数の素電池の温度を検出している。理想的なシステムは、全ての素電池に温度センサを熱結合し、各々の素電池の温度を温度センサで検出するものである。ただ、このシステムは、多数の素電池を備える電源装置にあっては、極めて多数の温度センサを必要とする。この弊害を避けるために、複数の素電池の温度を、集熱部材を介してひとつの温度センサで検出するシステムが開発されている。（特許文献１参照）
特開２０００−３３１６５９号公報

特許文献１の電源装置は、ひとつの温度センサで複数の素電池の温度を検出できることから、少ない温度センサで多数の素電池の温度を検出できる。この電源装置は、各々の電池の温度を検出するシステムに比較して温度センサの個数を減少できるが、車両用の電源装置のように、多数の素電池を備える装置にあっては、減少した温度センサの個数も相当な数になる。

複数の温度センサで素電池の温度を検出する電源装置は、温度センサから出力される温度信号をデジタル信号に変換している。電池の電流をコントロールする制御回路がデジタル処理するからである。温度センサの温度信号は、Ａ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換する方式は、各々の温度センサの出力に専用のＡ／Ｄコンバータを接続する専用方式と、複数の温度センサの出力を一定の周期で順番に切り換えてひとつのＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換する切り換え方式とがある。専用方式は、温度センサと同じ個数のＡ／Ｄコンバータを必要とすることから、回路構成が複雑になってコストが高くなる。切り換え方式は、ひとつのＡ／Ｄコンバータで複数の温度センサの温度信号をデジタル信号に変換できることから、コストを低減でき、多くの電源装置はこの方式を採用している。ただ、切り換え方式は、複数の温度センサを一定のサンプリング周期で順番に切り換えて、温度信号をデジタル信号に変換することから、温度を検出するタイミングが長くなる。とくに、温度センサの個数に比例して、温度を検出するタイミングが長くなる。たとえば、アナログ信号をデジタル信号に変換するサンプリング周期を１０ｍｓｅｃとするＡ／Ｄコンバータで１０個の温度センサの温度信号をデジタル信号に変換する方式にあっては、各々の温度センサの温度信号は１００ｍｓｅｃのサンプリング周期でデジタル信号に変換される。すなわち、温度センサの温度信号がデジタル信号に変換される周期は、温度センサの個数が多くなると長くなり、素電池の温度を検出するタイミングが遅れる。さらに、温度センサで検出される温度で電池の電流をコントロールする方式は、１回の検出温度で電流をコントロールするのではなく、複数回の検出温度から電池の温度を特定して電流をコントロールすることから、素電池の温度検出が遅れると、現実に電流をコントロールする時間はさらに遅れることになる。

この弊害は、Ａ／Ｄコンバータのサンプリング周期を短く、すなわち高速処理のＡ／Ｄコンバータを使用して解消できる。ただ、高速処理のＡ／Ｄコンバータはコストが高く、現実の電源回路においては、部品コストからＡ／Ｄコンバータのサンプリング周期に制限を受ける。このため、多数の温度センサで素電池の温度を検出する電源装置にあっては、電池の温度検出の時間遅れが制御に悪影響を与える欠点がある。

本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、Ａ／Ｄコンバータのサンプリングを高速化することなく、複数の温度センサの検出電圧をデジタル信号に変換しながら、必要な電池の温度を速やかに検出して、温度検出の時間遅れによる制御の悪影響を防止できる電源装置の温度検出方法を提供することにある。

本発明の電源装置の温度検出方法は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
電源装置の温度検出方法は、複数の素電池１の温度を複数の温度センサ２で検出し、複数の温度センサ２の検出信号を所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換する。さらに、温度検出方法は、温度センサ２の検出温度によって、温度センサ２からの出力信号をデジタル信号に変換する順番を変更する。

本発明の請求項２の電源装置の温度検出方法は、検出温度が高くて温度差が大きく、又は温度上昇率が大きい温度センサを優先温度センサとし、この優先温度センサから出力される温度信号を優先してデジタル信号に変換する。

本発明の請求項３の電源装置の温度検出方法は、複数の温度センサ２から出力される温度信号をマルチプレクサ４に入力し、マルチプレクサ４が入力側に接続している温度センサ２を順番に切り換えて、各々の温度センサ２から入力される温度信号をＡ／Ｄコンバータ５に出力し、Ａ／Ｄコンバータ５でもってマルチプレクサ４から入力される温度信号をデジタル信号に変換する。さらに、この温度検出方法は、マルチプレクサ４が、優先温度センサを優先して入力側に接続するように切り換える順番を変更して、優先温度センサからの温度信号を優先してデジタル信号に変換する。

さらに、本発明の請求項４の電源装置の温度検出方法は、電源装置を車両用の電源装置としている。

本発明の電源装置の温度検出方法は、Ａ／Ｄコンバータを高速化することなく、ひとつのＡ／Ｄコンバータでもって、複数の温度センサの検出電圧を順番に切り換えてデジタル信号に変換しながら、必要な電池の温度を速やかに検出して、温度検出の時間遅れによる制御の悪影響を防止できる。それは、本発明の温度検出方法が、従来のように、一定の決められた順番で繰り返し複数の温度センサの温度信号をデジタル信号に変換するのではなく、温度センサの検出温度によって、温度センサからの出力信号をデジタル信号に変換する順番を変更するからである。

とくに、本発明の請求項２の温度検出方法は、検出温度が高くて温度差が大きく、又は温度上昇率が大きい温度センサを優先温度センサとし、この優先温度センサから出力される温度信号を優先してデジタル信号に変換して、優先温度センサのサンプリング周期を短くする。この方法は、温度が他の電池温度よりも高くて温度差が大きい電池の温度を短いサンプリング周期で検出できるので、高温になって電流を制限する電池の温度を、速やかに時間遅れを少なくして検出できる。このため、温度が高くなった電池の電流を速やかに最適電流に制御して、温度と電流による電池の劣化を防止できる。

また、本発明の請求項３の温度検出方法は、複数の温度センサから出力される温度信号をマルチプレクサに入力し、マルチプレクサが入力側に接続される温度センサを順番に切り換えて、各々の温度センサから入力される温度信号をＡ／Ｄコンバータに出力し、Ａ／Ｄコンバータでもってマルチプレクサから入力される温度信号をデジタル信号に変換すると共に、マルチプレクサが、優先温度センサを優先して入力側に接続するように切り換える順番を変更して、優先温度センサからの温度信号を優先してデジタル信号に変換する。この方法は、マルチプレクサが温度センサを切り換える順番を変更して、優先温度センサの温度を速やかに検出できる。

また、本発明の請求項４は、電源装置を車両用の電源装置とするが、車両用の電源装置は特に多数の素電池と温度センサを備えることから、温度で電流を制限する電池の温度を速やかに検出して、電池の温度による電流値を最適値にコントロールして電池の寿命を長く、また理想的な状態にコントロールできる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置の温度検出方法を例示するものであって、本発明は温度検出方法を以下の方法に特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

以下、電源装置が、ハイブリッドカーや電気自動車などの車両用の電源装置である具体例を詳述する。ただし、本発明は、電源装置として、多数の素電池を直列又は並列に接続している全てのもの、たとえば、無停電電源装置、電動バイクや電動自転車等の電源装置も利用できることから、電源装置を車両用の電源装置に特定しない。

図１の電源装置は、直列に接続している複数の素電池１と、複数の素電池１の温度を検出する温度センサ２と、温度センサ２から出力される温度信号をデジタル信号に変換する変換回路３とを備える。

素電池１は、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池である。ただし、素電池には現在使用され、あるいはこれから開発される全ての充電できる電池を使用できる。素電池をニッケル水素電池とする電源装置は、複数の素電池を直列に直線状に連結して電池モジュールとし、さらに複数の電池モジュールを直列に接続している。この素電池は、各々の電池モジュールの温度を温度センサで検出し、あるいは集熱部材を介して複数の電池モジュールの温度を温度センサで検出し、あるいはまた、高温領域や低温領域にある特定の電池モジュールの温度を温度センサで検出する。たとえば、４０〜５０個の電池モジュールを直列に接続している車両用の電源装置にあっては、１０個の温度センサで電池モジュールの温度を検出する。ただし、車両用の電源装置は、素電池の個数が異なり、また電池モジュールの個数も異なることから、温度センサの個数も異なり、たとえば、５〜２０個とすることもできる。さらに、素電池をリチウムイオン電池とする車両用の電源装置にあっても、約３〜２０個の温度センサで素電池の温度を検出する。

温度センサ２は、素電池１に密着して、すなわち素電池１に熱結合するように固定されて、素電池１の温度を検出する。温度センサ２はサーミスタである。ただし、温度センサには、温度で電気抵抗が変化する全ての素子を使用できる。温度センサ２は、直接に素電池１の表面に密着して熱結合され、あるいは集熱部材（図示せず）を介して素電池に熱結合するように固定される。温度センサ２は、温度で電気抵抗が変化される。図１の電源装置は、温度センサ２と直列に分圧抵抗８を接続している。温度センサ２と分圧抵抗８の直列回路は、温度センサ２の一端をアース側に、分圧抵抗８の一端を定電圧電源９の＋側に接続している。この回路は、温度センサ２の電気抵抗が変化すると、温度センサ２と分圧抵抗８の接続点１０の電圧が変化する。サーミスタは、温度が上昇すると電気抵抗が減少する。したがって、温度センサ２が検出する温度が高くなると、接続点１０の電圧は低下する。このため、接続点１０の電圧を検出して、温度センサ２の電気抵抗を検出でき、この電気抵抗から温度を検出できる。このことから、接続点１０の電圧が素電池１の温度信号として出力される。

変換回路３は、温度センサ２から出力される温度信号、すなわち接続点１０の電圧をデジタル信号に変換して出力する。図の変換回路３は、温度センサ２を切り換えるマルチプレクサ４と、このマルチプレクサ４の出力側に接続されてマルチプレクサ４から出力される温度信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ５と、このＡ／Ｄコンバータ５の出力をデジタル処理してマルチプレクサ４が切り換える順番をコントロールする制御回路６とを備える。

マルチプレクサ４は、ひとつのスイッチ７を順番にオンに切り換えて、ひとつの温度センサ２をＡ／Ｄコンバータ５に接続する。マルチプレクサ４は、ひとつのスイッチ７をオン、他のスイッチ７をオフとして、オン状態のスイッチに接続される温度センサ２の温度信号をＡ／Ｄコンバータ５に入力する。マルチプレクサ４がスイッチ７を切り換えるタイミングは、Ａ／Ｄコンバータ５が入力信号をデジタル信号に変換できるサンプリング周期を考慮して特定される。たとえば、１０ｍｓｅｃのサンプリング周期で入力される信号をデジタル信号に変換できるＡ／Ｄコンバータ５に接続されるマルチプレクサ４は、１０ｍｓｅｃのサンプリング周期でスイッチ７を切り換える。マルチプレクサ４がスイッチ７を切り換えて温度センサ２をＡ／Ｄコンバータ５に接続した後、Ａ／Ｄコンバータ５は入力される温度信号をデジタル信号に変換する。マルチプレクサ４は、制御回路６から入力されるタイミング信号に制御されてスイッチ７を切り換え、さらにＡ／Ｄコンバータ５も制御回路６から入力されるタイミング信号に制御されて、入力される信号をデジタル信号に変換する。すなわち、マルチプレクサ４がスイッチ７を切り換えるタイミングと、Ａ／Ｄコンバータ５が入力信号をデジタル信号に変換するタイミングは制御回路６で制御される。制御回路６は、スイッチ７を切り換えるタイミング信号をマルチプレクサ４に出力した後、Ａ／Ｄコンバータ５に、デジタル信号に変換するタイミングを出力する。

制御回路６は、マルチプレクサ４にタイミング信号を出力してスイッチ７を切り換える。タイミング信号は、スイッチ７を切り換えるタイミングを特定すると共に、オンに切り換えるスイッチ７を特定する。ノーマル状態において、制御回路６はマルチプレクサ４のスイッチ７を順番にオンに切り換えて、温度センサ２を順番にＡ／Ｄコンバータ５に接続する。たとえば、１０個のスイッチ７を備えるマルチプレクサ４は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２・・・ＳＷ１０の順番にオンに切り換え、さらに、この順番で繰り返しスイッチ７をオンに切り換えて、温度センサ２の温度信号をＡ／Ｄコンバータ５に入力する。

さらに、制御回路６は、常に決められた順番でスイッチ７を切り換えず、温度センサ２の検出温度によって、マルチプレクサ４のスイッチ７を切り換える順番を変更する。したがって、温度センサ２の検出温度によって、温度センサ２から出力される温度信号をデジタル信号に変換する順番を変更する。すなわち、制御回路６は、電池の温度を検出してノーマル状態と異常状態を判別し、異常状態においては、マルチプレクサ４のスイッチ７をオンに切り換える順番を変更して、温度を検出する必要性の高い温度センサを優先温度センサとして、優先温度センサを優先的にＡ／Ｄコンバータ５に接続する。すなわち、優先温度センサが検出する温度信号が優先してデジタル信号に変換して検出される。

制御回路６は、ノーマル状態と異常状態を、温度センサ２が検出する電池の温度で識別する。異常状態とは、特定の電池の温度を優先して検出する必要がある状態であり、ノーマル状態とは、全ての電池の温度を検出する状態である。異常状態は、特定の温度センサの検出温度が高く、しかも、この温度センサの検出温度が他の温度センサの検出温度よりも高い第１の異常状態と、特定の温度センサが検出する温度上昇率が大きい第２の異常状態である。

第１の異常状態は、特定の電池の温度が他の電池の温度よりも高く、しかも設定温度よりも高くなって、この電池の電流を速やかに制限する必要がある状態である。全ての電池の温度が設定温度よりも高くなると、全ての電池の温度を検出する必要がある。したがって、第１の異常状態は、全部でなくて一部の温度センサの検出温度が設定温度よりも高くなるが、設定温度よりも低い温度を検出する温度センサもある状態である。第１の異常状態は、たとえば１０個の温度センサ２において、温度センサＴ１〜Ｔ５の検出温度が４０℃を超え、温度センサＴ６〜Ｔ１０の検出温度が４０℃となる状態である。この異常状態において、４０℃を超える温度を検出した温度センサＴ１〜Ｔ５を優先温度センサとし、４０℃以下の温度を検出する温度センサＴ６〜Ｔ１０を非優先温度センサとし、優先温度センサを非優先温度センサに優先して温度を検出する。

第２の異常状態は、特定の温度センサが検出する温度上昇率が設定値よりも大きくなり、他の温度センサの検出する温度上昇率が設定値よりも小さい状態で、温度上昇率の高い電池の電流をコントロールする必要がある状態である。第２の異常状態は、特定の電池の温度上昇率が設定値よりも大きくなって、この電池の電流を速やかに制限する必要がある状態である。全ての電池の温度上昇率が設定温度よりも高くなると、全ての電池の温度を検出する必要がある。したがって、第２の異常状態は、全部でなくて一部の温度センサが検出する温度上昇率が設定値よりも高くなるが、温度上昇率が設定値よりも低くなる温度センサもある状態である。第２の異常状態は、たとえば１０個の温度センサ２において、温度センサＴ１〜Ｔ５の温度上昇率が１℃／ｓｅｃを超え、温度センサＴ６〜Ｔ１０が検出する温度上昇率が１℃／ｓｅｃ以下となる状態である。この異常状態において、１℃／ｓｅｃを超える温度上昇率の温度センサＴ１〜Ｔ５を優先温度センサとし、温度上昇率が１℃／ｓｅｃ以下である温度センサＴ６〜Ｔ１０を非優先温度センサとし、優先温度センサを非優先温度センサに優先して温度を検出する。

異常状態において、制御回路６は、優先温度センサに接続されるマルチプレクサ４のスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を優先してオンに切り換えて、温度センサＴ１〜Ｔ５の温度を優先して検出する。ただ、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のみを繰り返しオンに切り換えて、スイッチＳＷ６〜ＳＷ１０をオンに切り換えないと、温度センサＴ６〜Ｔ１０の検出温度をデジタル信号に変換できなくなる。したがって、制御回路６は、マルチプレクサ４のスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を優先してオンに切り換えて、このスイッチ７に接続している温度センサ２の温度信号をデジタル信号に変換した後は、全てのスイッチ７をオンに切り換えて、再び全ての温度センサ２の検出温度を検出し、その後、また優先温度センサに接続しているスイッチを優先してオンに切り換える。すなわち、制御回路６は、全てのスイッチ７を順番にオンに切り換える全スイッチ切換タイミングと、優先温度センサに接続しているスイッチのみをオンに切り換える優先スイッチ切換タイミングとを繰り返して、温度センサ２の温度信号をデジタル信号に変換する。制御回路６は、全スイッチ切換タイミングと優先スイッチ切換タイミングとを交互に切り換え、あるいは優先スイッチ切換タイミングを複数回繰り返した後、全スイッチ切換タイミングに切り換えて、優先温度センサの温度信号を優先してデジタル信号に変換する。

Ａ／Ｄコンバータ５は、オン状態のスイッチ７を介して温度センサ２に接続される。したがって、スイッチ７が切り換えられる毎に、温度センサ２から入力される温度信号をデジタル信号に変換する。制御回路６は、スイッチ７を切り換えるタイミング信号をマルチプレクサ４に出力した後、Ａ／Ｄコンバータ５に入力される温度信号をデジタル信号に変換するタイミング信号を出力する。Ａ／Ｄコンバータ５は、タイミング信号が入力されると、入力される温度信号をデジタル信号に変換して出力する。

図２は、制御回路６がマルチプレクサ４のスイッチ７を順番にオンに切り換えるフローチャートを示す。
［ｎ＝１のステップ］
制御回路６は、全スイッチ切換タイミングとして、マルチプレクサ４の全てのスイッチＳＷ１〜ＳＷ１０を順番にオンに切り換える。このステップにおいて、Ａ／Ｄコンバータ５は、オン状態のスイッチ７を介して接続される温度センサ２から出力される温度信号をデジタル信号に変換する。
［ｎ＝２のステップ］
制御回路６は、Ａ／Ｄコンバータ５から入力される温度信号から異常状態かノーマル状態かを判定する。異常状態であるとｎ＝３のステップに進み、異常状態でないとノーマル状態と判定して、ｎ＝１のステップにジャンプして、ｎ＝１、２のステップをループする。
［ｎ＝３のステップ］
異常状態と判定されると、制御回路６は優先温度センサと非優先温度センサを識別する。
［ｎ＝４のステップ］
制御回路６は、優先スイッチ切換タイミングとして、優先温度センサに接続しているスイッチのみを順番にオンに切り換える。このステップで、優先温度センサのみがＡ／Ｄコンバータ５に接続される。したがって、優先温度センサの温度信号のみがデジタル信号に変換して出力される。
［ｎ＝５のステップ］
優先スイッチ切換タイミングを所定回数繰り返したかどうかを判定する。優先スイッチ切換タイミングを繰り返す回数は、例えば、２〜３回とすることができる。優先スイッチ切換タイミングを所定回数繰り返すまで、ｎ＝４、５のステップをループして、優先温度センサに接続しているスイッチのみを順番にオンに切り換え、優先温度センサの温度信号を優先してデジタル信号に変換して出力する。
優先スイッチ切換タイミングが所定回数繰り返されると、ｎ＝１のステップにループして、再び全スイッチ切換タイミングとして、全てのスイッチを順番にオンに切り換えて、全ての温度センサ２の温度信号をデジタル信号に変換して出力する。

本発明の一実施例にかかる温度検出方法に使用する電源装置の概略構成図である。 制御回路がマルチプレクサのスイッチを制御するフローチャートである。

符号の説明

１…素電池
２…温度センサ
３…変換回路
４…マルチプレクサ
５…Ａ／Ｄコンバータ
６…制御回路
７…スイッチ
８…分圧抵抗
９…定電圧電源
１０…接続点

Claims (4)

1. 複数の素電池(1)の温度を複数の温度センサ(2)で検出し、複数の温度センサ(2)の検出信号を所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換する電源装置の温度検出方法において、
   温度センサ(2)の検出温度によって、温度センサ(2)からの出力信号をデジタル信号に変換する順番を変更することを特徴とする電源装置の温度検出方法。
2. 検出温度が高くて温度差が大きく、又は温度上昇率が大きい温度センサを優先温度センサとし、この優先温度センサから出力される温度信号を優先してデジタル信号に変換する請求項１に記載される電源装置の温度検出方法。
3. 複数の温度センサ(2)から出力される温度信号をマルチプレクサ(4)に入力し、マルチプレクサ(4)が入力側に接続している温度センサ(2)を順番に切り換えて、各々の温度センサ(2)から入力される温度信号をＡ／Ｄコンバータ(5)に出力し、Ａ／Ｄコンバータ(5)でもってマルチプレクサ(4)から入力される温度信号をデジタル信号に変換すると共に、
   マルチプレクサ(4)が、優先温度センサを優先して入力側に接続するように切り換える順番を変更して、優先温度センサからの温度信号を優先してデジタル信号に変換する請求項１に記載される電源装置の温度検出方法。
4. 前記電源装置が車両用の電源装置である請求項１に記載される電源装置の温度検出方法。

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