JP2009276297A - 電圧測定装置及び電圧測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フライングキャパシタ方式で電池セルの電圧を測定するにあたり、測定誤差がより小さい測定を行う一方、測定時間の短時間化が要求される状況下においては測定時間をより短くすること。
【解決手段】直列接続された複数の電池セルから構成される電池セルユニットの前記電池セルの電圧を測定する電圧測定装置において、測定対象とする前記電池セルに並列接続されて充電される、容量が可変のコンデンサ部と、前記コンデンサ部と前記電池セルとの接続を切り替えるスイッチ回路と、測定対象とする前記電池セルにより充電され、前記電池セルから切り離された前記コンデンサ部の電圧を測定する電圧測定手段と、予め定めた条件に応じて前記コンデンサ部の容量を変更する変更手段と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、直列接続された複数の電池セルの電圧を測定する技術に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等においては、電動モータの電源として、複数の電池セルを直列接続した電池セルユニットが用いられている。ここで、電池セルの個体差等に起因して、電池セル間で充放電の偏りが生じえる。電池セルが過充電或いは過放電となると、その劣化が生じ易いという問題がある。そこで、電池セルの電圧を測定し、各電池セル間の蓄電量を調整することが提案されている。

電池セルの電圧の測定方法としては、フライングキャパシタ方式が提案されている（特許文献１等）。フライングキャパシタ方式は、スイッチ回路によって、コンデンサと測定対象とする電池セルとを並列接続して充電し、両者を切り離した後、コンデンサの電圧を測定することで測定対象とする電池セルの電圧を測定するものである。

特開２００７−４０８４２号公報

ここで、各電池セル間の蓄電量を調整する前提として、電池セルの電圧の測定には一定の精度が求められる。しかし、フライングキャパシタ方式で電池セルの電圧を測定する場合、スイッチ回路には寄生容量が存在することから、コンデンサの測定電圧と電池セルの実電圧との間に誤差が生じ得る。コンデンサの容量を大きくすることで、スイッチ回路の寄生容量の影響を小さくすることができるが、コンデンサの容量を大きくすると充電に時間がかかり、測定時間が長くなってしまう。電池セルが過充電或いは過放電に至る蓋然性が高い状況下においては、測定時間をより短くして、電圧の変化の推移を監視できることが望ましい。

本発明の目的は、フライングキャパシタ方式で電池セルの電圧を測定するにあたり、測定誤差がより小さい測定を行う一方、測定時間の短時間化が要求される状況下においては測定時間をより短くすることにある。

本発明によれば、直列接続された複数の電池セルから構成される電池セルユニットの前記電池セルの電圧を測定する電圧測定装置において、測定対象とする前記電池セルに並列接続されて充電される、容量が可変のコンデンサ部と、前記コンデンサ部と前記電池セルとの接続を切り替えるスイッチ回路と、測定対象とする前記電池セルにより充電され、前記電池セルから切り離された前記コンデンサ部の電圧を測定する電圧測定手段と、予め定めた条件に応じて前記コンデンサ部の容量を変更する変更手段と、を備えたことを特徴とする電圧測定装置が提供される。

本発明では、前記コンデンサ部の容量を可変とし、前記変更手段を設けたことにより、測定誤差の少ない測定を行う場合は前記コンデンサ部の容量を大きくし、測定時間の短時間化が要求される場合は測定精度よりも測定時間を優先して前記コンデンサ部の容量を小さくすることができる。このように前記コンデンサ部の容量を変更することで、測定誤差がより小さい測定を行う一方、測定時間の短時間化が要求される状況下においては測定時間をより短くすることができる。

本発明においては、前記変更手段は、前記電池セルの電圧が予め定めた下限値と上限値との範囲内の場合は、前記コンデンサ部の容量を相対的に大きくし、前記下限値を下回った場合及び前記上限値を上回った場合は、前記コンデンサ部の容量を相対的に小さくするようにしてもよい。

この構成によれば、前記電池セルの電圧が、前記下限値を下回った場合及び前記上限値を上回った場合は、測定時間を短くして前記電池セルが過充電或いは過放電に至る虞があることをより確実に検出できる一方、前記電池セルの電圧が前記下限値と前記上限値との範囲内の場合は、より高い精度で前記電池セルの電圧を測定できる。

また、本発明においては、前記電池セルユニットに入出力される電流量を測定する電流量測定手段を更に備え、前記変更手段は、前記電流量測定手段により測定された前記電流量の変化率が相対的に高い場合は前記コンデンサ部の容量を相対的に小さくし、前記電流量の変化率が相対的に小さい場合は前記コンデンサ部の容量を相対的に大きくするようにしてもよい。

この構成によれば、前記電流量の変化により、前記電池セルの急激な電圧上昇或いは電圧降下が生じる虞がある場合には測定時間をより短くして、前記電池セルが過充電或いは過放電に至る虞があることをより確実に検出できる一方、前記電池セルの電圧上昇或いは電圧降下が緩やかな場合には、より高い精度で前記電池セルの電圧を測定できる。

また、本発明においては、前記コンデンサ部と前記スイッチ回路とが、連続する複数の前記電池セルから構成される電池セルグループ毎に設けられ、前記電池セルユニットの中性点電位からの電位差が相対的に小さい前記電池セルグループに対応する前記コンデンサ部を、固定容量のコンデンサから構成してもよい。

この構成によれば、測定誤差がより大きい前記電池セルグループについては、前記コンデンサ部を可変容量とすることで容量切り替えを行う一方、測定誤差がより小さい前記電池セルグループについては、前記コンデンサ部を固定容量とすることで、構成を簡素化することができる。

また、本発明においては、前記コンデンサ部が、容量の異なる複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサのいずれかを、測定対象とする前記電池セルに並列接続する切替手段と、を備えてもよい。

この構成によれば、簡易な構成で前記コンデンサ部の容量を可変とすることができる。

また、本発明においては、前記コンデンサ部が、複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサのうち、測定対象とする前記電池セルに並列接続するコンデンサの数を切り替える切替手段と、を備えてもよい。

この構成によれば、簡易な構成で前記コンデンサ部の容量を可変とすることができる。

また、本発明によれば、直列接続された複数の電池セルから構成される電池セルユニットの前記電池セルの電圧を測定する電圧測定方法において、容量が可変のコンデンサ部の容量を、予め定めた条件に応じて設定する設定工程と、前記コンデンサ部を、測定対象とする前記電池セルに並列接続して充電する充電工程と、測定対象とする前記電池セルにより充電され、前記電池セルから切り離された前記コンデンサ部の電圧を測定する測定工程と、を備えたことを特徴とする電圧測定方法が提供される。

本発明においては、前記設定工程は、前記電池セルの電圧が予め定めた下限値と上限値との範囲内の場合は、前記コンデンサ部の容量を相対的に大きく設定し、前記下限値を下回った場合及び前記上限値を上回った場合は、前記コンデンサ部の容量を相対的に小さく設定してもよい。

また、本発明においては、前記設定工程は、前記電池セルユニットに入出力される電流量の変化率が相対的に高い場合は前記コンデンサ部の容量を相対的に小さく設定し、前記電流量の変化率が相対的に小さい場合は前記コンデンサ部の容量を相対的に大きく設定してもよい。

以上述べた通り、本発明によれば、フライングキャパシタ方式で電池セルの電圧を測定するにあたり、測定誤差がより小さい測定を行う一方、測定時間の短時間化が要求される状況下においては測定時間をより短くすることができる。

＜第１実施形態＞
＜全体の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電圧測定装置Ａのブロック図である。電圧測定装置Ａは、複数の測定ユニット１０と、制御ユニット２０と、を備え、電池セルユニット１を構成する個々の電池セルＣＬの電圧を測定する。電池セルＣＬは、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等の充電可能な二次電池であり、直列接続されて電池セルユニット１を構成している。本実施形態の場合、各電池セルＣＬは同じ電池セルである場合を想定している。

電池セルＣＬは、連続する複数の電池セルから構成される電池セルグループＣＬＧにグループ分けされている。本実施形態の場合、電池セルＣＬは、＋＃１〜＋＃４及び−＃１〜−＃４まで合計８つの電池セルグループＣＬＧにグループ分けされているが、そのグループ数は任意に設定できる。本実施形態の場合、各電池セルグループＣＬＧは同数の電池セルＣＬを有しており、電池セルＣＬ１〜ＣＬｋまでのｋ個の電池セルＣＬを有している。

本実施形態の場合、電池セルユニット１は、フローティング電源として利用されることを想定しており、その中性点ＮＰの電位が、電池セルユニット１の両端子間電位差の中間電位（電池セルグループＣＬＧ（＋＃１）と電池セルグループＣＬＧ（−＃１）との接続点）である場合を想定している。中性点ＮＰについて図３（ａ）を参照して説明する。

図３（ａ）において、電池セルユニット１はインバータ２により充放電される電源として利用されており、これらがハイブリッド自動車、電気自動車に適用される場合を想定している。コンデンサＣ０は、電池セルユニット１の各端子とインバータ２とを接続する送電線に一方端子が接続され、他方端子が車体に接地されたノイズ除去等を目的としたコンデンサであり、互いに容量が等しい場合を想定している。

図３（ａ）において、電池セルユニット１の両端子間の電位差をＥ、＋側端子の電位をＶとすると、−側端子の電位はＶ−Ｅとなる。この系のエネルギーＷは、
Ｗ＝１／２・Ｃ０・（Ｖ²＋（Ｖ−Ｅ）²）
であり、エネルギー最小の原理から、
ｄＷ／ｄＶ＝２・Ｃ０・Ｖ−Ｃ０・Ｅ＝０
である。すなわち、Ｖ＝１／２・Ｅ、Ｖ−Ｅ＝−１／２・Ｅでエネルギーが最小であり、中性点電位は、電池セルユニット１の中間電位となる。なお、コンデンサＣ０が互いに異なる容量を持つ場合は、中性点電位も異なるものとなるが、同様の考え方により特定することができる。尤も、通常は送電線に接続されるコンデンサの容量は等しい。

図１に戻り、測定ユニット１０は、各電池セルグループＣＬＧ毎に、本実施形態の場合８つ設けられており、それぞれフライングキャパシタとなる容量が可変のコンデンサ部ＣＦが設けられている。本実施形態では、電池セルグループＣＬＧ毎に測定ユニット１０を設ける構成としたが、１つの測定ユニット１０で全ての電池セルＣＬの電圧を測定するように構成することも可能である。尤も、電池セルグループＣＬＧ毎に測定ユニット１０を設けることで、各電池セルグループＣＬＧ毎に並列的に電池セルＣＬの電圧測定ができ、処理時間を短縮できる。

なお、特定の電池セルグループＣＬＧに対応する測定ユニット１０或いはコンデンサ部ＣＦを指す場合は、添え字を付して特定することにし、例えば、電池セルグループＣＬＧ（＋＃１）に対応する測定ユニット１０、コンデンサ部ＣＦを指す場合は、測定ユニット１０（＋＃１）、コンデンサ部ＣＦ（＋＃１）と、表記する。

図２（ａ）は各測定ユニット１０のブロック図である。測定ユニット１０は、スイッチ回路１１と、上記の通りフライングキャパシタとなるコンデンサ部ＣＦと、スイッチ回路１２と、スイッチ回路１３と、電圧測定回路１４と、を備える。なお、同図において抵抗素子は図示を省略している。また、本実施形態の場合、電圧測定回路１４を各測定ユニット１０に設けたが、全ての測定ユニット１０について共通に１つのみ設けるか、或いは、複数の測定ユニット１０毎に１つずつ設け、スイッチ回路により切り替えて接続するようにしてもよい。但し、電圧測定回路１４を各測定ユニット１０に設けることで、各電池セルグループＣＬＧ毎に並列的に電池セルＣＬの電圧測定ができ、処理時間を短縮できる。

スイッチ回路１１は、サンプリングスイッチとして機能するものであり、各電池セルＣＬの接続点、及び、電池セルＣＬ１の＋側と、電池セルＣＬｋの−側と、にそれぞれ１つずつスイッチ素子が配されている。スイッチ回路１１は、各スイッチ素子のＯＮ・ＯＦＦにより、電池セルＣＬ１乃至ＣＬｋのうち、電圧の測定対象とするいずれかの電池セルＣＬをコンデンサ部ＣＦに切り替えて並列接続する。例えば、電池セルＣＬ１を測定対象とする場合は、同図最上段のスイッチ素子と、２段目のスイッチ素子とをＯＮにし、他のスイッチ素子はＯＦＦとする。また、例えば、電池セルＣＬ２を測定対象とする場合は同図２段目のスイッチ素子と、３段目のスイッチ素子とをＯＮにし、他のスイッチ素子はＯＦＦとする。

なお、添え字が奇数の電池セルＣＬをコンデンサ部ＣＦに並列接続する場合と、添え字が偶数の電池セルＣＬをコンデンサ部ＣＦに並列接続する場合とでは、コンデンサ部ＣＦの両端子の正負が反転することになる。

コンデンサ部ＣＦは、互いに並列関係にある固定容量のコンデンサＣｆ１及びコンデンサＣｆ２と、コンデンサＣｆ１及びコンデンサＣｆ２とにそれぞれ直列接続された２つのスイッチ素子を有するスイッチ回路ＳＷと、を備える。コンデンサＣｆ１とコンデンサＣｆ２との容量は互いに異なっており、例えば、コンデンサＣｆ１の容量＜コンデンサＣｆ２の容量である。本実施形態ではこのような構成によりコンデンサ部ＣＦの容量を可変とする。

図５（ａ）はコンデンサ部ＣＦの容量変更の説明図である。同図の例では、スイッチ回路ＳＷにより、コンデンサＣｆ１とコンデンサＣｆ２とのいずれかを測定対象とする電池セルＣＬに切り替えて並列接続する。図５（ａ）の左側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＮにし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＦＦとしている。したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ１が並列接続され、コンデンサＣｆ１がフライングキャパシタとして機能する。図５（ａ）の右側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＦＦにし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＮとしている。したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ２が並列接続され、コンデンサＣｆ２がフライングキャパシタとして機能する。このような構成により、本実施形態では、コンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることができる。

なお、複数のコンデンサＣｆ１及びＣｆ２のうち、測定対象とする電池セルＣＬに並列接続するコンデンサの数を切り替えることで、コンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることもできる。図５（ｂ）は、この場合のコンデンサ部ＣＦの容量変更の説明図である。

図５（ｂ）の例では、スイッチ回路ＳＷにより、コンデンサＣｆ１のみを測定対象とする電池セルＣＬに並列接続する場合と、コンデンサＣｆ１及びＣｆ２の双方を測定対象とする電池セルＣＬに並列接続する場合とで、接続関係を切り替える。図５（ｂ）の左側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＮにし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＦＦとしている。したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ１が並列接続され、コンデンサＣｆ１がフライングキャパシタとして機能する。図５（ｂ）の右側の図では、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子及びコンデンサＣｆ２側のスイッチ素子の双方をＯＮとしている。

したがって、測定対象とする電池セルＣＬにはコンデンサＣｆ１及びＣｆ２が並列接続され、コンデンサＣｆ１及びＣｆ２の双方がフライングキャパシタとして機能する。この場合の容量は、コンデンサＣｆ１及びＣｆ２の容量を足した容量となる。このような構成でも、コンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることができ、この構成の場合は、コンデンサＣｆ１及びコンデンサＣｆ２として、互いに容量が同じコンデンサを用いることができる。

図５（ａ）及び（ｂ）のいずれの構成の場合も、比較的簡易な構成でコンデンサ部ＣＦの容量を可変とすることができる。なお、上記の各例では、コンデンサ部ＣＦのコンデンサの数を２つとしたが、３以上としてもよく、この場合、スイッチ素子をそれぞれ設けることでコンデンサ部ＣＦの容量を３以上に切り替えられるが、実用上は２種類に切り替えられれば足りる。

図２（ａ）に戻り、スイッチ回路１２は、トランスファスイッチとして機能するものであり、コンデンサ部ＣＦの両端子と、電圧測定回路の２つの入力端子の断続を行う。スイッチ回路１３は、リセットスイッチとして機能するものであり、コンデンサ部ＣＦの両端子間の断続を行い、コンデンサ部ＣＦを放電する場合にＯＮにされる。

図２（ｂ）は電圧測定回路１４のブロック図である。電圧測定回路１４はオペアンプ１５と、Ａ／Ｄ変換器１６とを備える。オペアンプ１５の２つの入力端子には、それぞれ、コンデンサ部ＣＦの一方端子、他方端子が接続され、オペアンプ１５はその電位差を増幅して出力する差動増幅回路を構成している。Ａ／Ｄ変換器１６はオペアンプ１５から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。

次に、係る構成からなる測定ユニット１０による電池セルＣＬの電圧の測定動作について説明する。まず、スイッチ回路ＳＷにより、コンデンサ部ＣＦの容量がセットされ、スイッチ回路１１乃至１３が全てＯＦＦとされる。スイッチ回路１１により、測定対象とする１つの電池セルＣＬがコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、コンデンサ部ＣＦの容量に応じてコンデンサ部ＣＦが満充電される時間、維持される。次に、スイッチ回路１１により、測定対象とする電池セルＣＬからコンデンサ部ＣＦを切り離し、その後、スイッチ回路１２をＯＮとして、オペアンプ１５の２つの入力端子とコンデンサ部ＣＦの両端子間を接続する。これにより、オペアンプ１５からは、コンデンサ部ＣＦの電位差に応じたアナログ信号が出力され、Ａ／Ｄ変換器１６は、これをデジタル信号に変換して保持し、制御ユニット２０へ出力することになる。

次に、スイッチ回路１２をＯＦＦとしてコンデンサ部ＣＦとオペアンプ１５とを切り離し、スイッチ回路１３をＯＮにする。スイッチ回路１３はコンデンサ部ＣＦの容量に応じた時間だけＯＮにされ、コンデンサ部ＣＦを完全に放電する。その後、スイッチ回路１３をＯＦＦとする。以降、測定対象とする電池セルＣＬを代えて同様の手順により、順次各電池セルＣＬの電圧を測定することになる。

次に、図１に戻り、制御ユニット２０について説明する。制御ユニット２０は、ＣＰＵ２１と、ＲＯＭ２２と、ＲＡＭ２３と、Ｉ／Ｆ（インターフェース）２４とを備える。ＣＰＵ２１はＲＯＭ２２に記憶された制御プログラムを実行して、各測定ユニット１０を制御する。ＲＡＭ２３には一時的なデータが記憶され、例えば、各電池セルＣＬの電圧の測定結果が電池セルＣＬ毎に記憶される。なお、ＲＯＭ２２及びＲＡＭ２３としては他の記憶手段でもよい。

Ｉ／Ｆ２４には、スイッチ回路１１乃至１３及びＳＷ、Ａ／Ｄ変換器１６が接続され、ＣＰＵ２１は、これらを制御し、また、Ａ／Ｄ変換器１６から出力される測定結果を取得することができる。

＜測定誤差＞
次に、測定誤差について説明する。本実施形態の電圧測定装置Ａのように、スイッチ回路１１により電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続切り替えを行う構成の場合、スイッチ回路１１の各スイッチ素子に存する寄生容量の影響により測定誤差が生じる。なお、この測定誤差は、中性点電位ＮＰからの電位差が大きい電池セルＣＬ程大きくなることを見出した。

図４（ａ）は測定誤差の測定結果を示す図である。測定誤差は、実験により、電圧測定装置Ａと同様な構成の電圧測定装置において、コンデンサ部ＣＦを１μＦの固定容量として各電池セルＣＬの電圧を測定する一方、別の測定装置によりスイッチ回路１１を介さずに各電池セルＣＬの電圧を測定し、両者の差分をとったものである。

同図において、測定誤差は、各電池セル毎に示しており、中性点からの電位差が大きい電池セル程、誤差が大きくなっていることが分かる。このように中性点電位ＮＰからの電位差が大きい電池セルＣＬ程、測定誤差が大きくなる理由は、以下の通りである。

図３（ｂ）はスイッチ回路１１の寄生容量による測定誤差の説明図である。同図に示すように、測定対象の電池セルＣＬ１の実電圧をＶｃｌ、電池セルＣＬ１の中性点ＮＰからの電位をＥ１とおき、スイッチ回路１１の寄生容量をＣｓとおくと、コンデンサ部ＣＦ（容量Ｃｆ）の測定電圧Ｖは、
Ｖ＝１／Ｃｆ×（Ｃｆ・Ｖｃｌ＋・Ｃｓ・Ｅ１）
である。ここで、ΔＶ＝Ｖｃｌ−Ｖとして、式を変形すると、
ΔＶ＝Ｃｓ／Ｃｆ×Ｅ１
である。ΔＶは測定誤差を示し、したがって、電位Ｅ１が大きいほど、測定誤差が大きくなることになる。また、寄生容量Ｃｓに対して、コンデンサ部ＣＦの容量が大きい程、測定誤差が小さくなることになる。

図４（ｂ）はコンデンサ部ＣＦの容量を大きくすることで測定誤差が減少した結果を示す図である。同図の例は、コンデンサ部ＣＦの容量を１０μＦの固定容量に、つまり、図４（ａ）の実験の場合よりも１０倍の容量のコンデンサを用いて同様の実験を行った結果である。中性点からの電位差に関わらず、測定誤差が著しく小さいことが分かる。

＜コンデンサ部ＣＦの容量の変更＞
上記の通り、測定誤差はコンデンサ部ＣＦの容量を大きくすれば、測定誤差を小さくすることができる。しかし、コンデンサ部ＣＦの容量を大きくすると、充電（及び放電）に要する時間も長くなる。したがって、単位時間あたりの電池セルＣＬの個数が少なくなってしまい、電池セルＣＬの急激な電圧変化に対応できない場合が生じ得る。

そこで、本実施形態では、上記の通りコンデンサ部ＣＦの容量を可変とし、測定誤差の少ない測定を行う場合はコンデンサ部ＣＦの容量を大きくし、測定時間の短時間化が要求される場合は測定精度よりも測定時間を優先してコンデンサ部ＣＦの容量を小さくする。このようにコンデンサ部ＣＦの容量を変更することで、測定誤差がより小さい測定を行う一方、測定時間の短時間化が要求される状況下においては測定時間をより短くすることができる。以下、コンデンサ部ＣＦの容量を変更する制御例について説明する。

図６は、ＣＰＵ２１が実行する処理の例を示すフローチャートである。ここでは、各電池セルＣＬの電圧が、予め定めた下限値と上限値との範囲内の場合は、コンデンサ部ＣＦの容量を相対的に大きくし、下限値を下回った場合及び上限値を上回った場合は、コンデンサ部ＣＦの容量を相対的に小さくする例について説明する。コンデンサ部ＣＦの容量は、測定ユニット１０単位（電池セルグループＣＬＧ単位）で設定する。

Ｓ１ではスイッチ回路１１乃至１３が全てＯＦＦとされた後、コンデンサ部ＣＦの容量を大容量にセットする。具体的には、図４（ａ）の右側に示すように、スイッチ回路ＳＷにより、相対的に大容量のコンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＮとし、コンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＦＦとする。

Ｓ２では、コンデンサ部ＣＦの充電時間及び放電時間を相対的に長い予め定めた時間に設定する。Ｓ３では、スイッチ回路１１により、測定対象とする１つの電池セルＣＬがコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、現在設定されているコンデンサ部ＣＦの充電時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが満充電される。その後、スイッチ回路１１により、測定対象とする電池セルＣＬからコンデンサ部ＣＦを切り離す。

Ｓ４では、スイッチ回路１２をＯＮとして電圧測定回路１４によりコンデンサ部ＣＦの電圧を測定する。ＣＰＵ２１は測定結果をＡ／Ｄ変換器１６から取得し、ＲＡＭ２３に保存する。Ｓ５では、スイッチ回路１２をＯＦＦとし、スイッチ回路１３をＯＮにする。スイッチ回路１３は、現在設定されているコンデンサ部ＣＦの放電時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される。その後、スイッチ回路１３をＯＦＦにする。

Ｓ６では、Ｓ４で取得した測定結果が、下限値と上限値の範囲内か否かを判定する。該当する場合は、Ｓ１０へ進み、該当しない場合（下限値を下回っている場合又は上限値を上回っている場合）はＳ７へ進む。Ｓ７では、コンデンサ部ＣＦの現在の容量が小容量となっているか否かを判定する。該当する場合はＳ３へ戻り、測定対象となる電池セルＣＬを代えて同様の処理を繰り返すことになる。該当しない場合はＳ８へ進む。

Ｓ８では、コンデンサ部ＣＦの容量を小容量にセットする。具体的には、図４（ａ）の左側に示すように、スイッチ回路ＳＷにより、相対的に小容量のコンデンサＣｆ１側のスイッチ素子をＯＮとし、コンデンサＣｆ２側のスイッチ素子をＯＦＦとする。Ｓ８では、コンデンサ部ＣＦの充電時間及び放電時間を相対的に短い予め定めた時間に設定する。その後、Ｓ３へ戻り、測定対象となる電池セルＣＬを代えて同様の処理を繰り返すことになる。

Ｓ１０では、コンデンサ部ＣＦの現在の容量が大容量となっているか否かを判定する。該当する場合はＳ３へ戻り、測定対象となる電池セルＣＬを代えて同様の処理を繰り返すことになる。該当しない場合はＳ１１へ進む。Ｓ１１では、コンデンサ部ＣＦの容量を大容量にセットし、Ｓ１２では、コンデンサ部ＣＦの充電時間及び放電時間を相対的に長い予め定めた時間に設定する。上述したＳ１及びＳ２の処理と同様の処理である。その後、Ｓ３へ戻り、測定対象となる電池セルＣＬを代えて同様の処理を繰り返すことになる。

このような処理により、電池セルＣＬの電圧測定結果が下限値と上限値との範囲内にある場合は、大容量にしたコンデンサ部ＣＦによってより高精度の電圧測定ができ、電池セルＣＬの電圧測定結果が下限値を下回っている場合又は上限値を上回っている場合は、小容量にしたコンデンサ部ＣＦによってより短時間の電圧測定ができる。

図７は、上記制御による、電池セルＣＬの電圧の変化とコンデンサ部ＣＦの容量変更の例を示すタイミングチャートである。同図において、「充電リミット」及び「放電リミット」とは、電池セルＣＬの劣化等が生じる電圧を示し、「切替用下限値」及び「切替用上限値」は、上記制御における下限値、上限値に相当する。「切替用下限値」は「放電リミット」よりも高く、「切替用上限値」は「充電リミット」よりも低く設定されている。

同図に示すように、コンデンサ部ＣＦは、電池セルＣＬの電圧測定結果が下限値と上限値との範囲内にある場合は大容量に設定される。この場合は、測定誤差の少ない、より高い精度で前記電池セルの電圧を測定できる。一方、下限値を下回った場合や上限値を上回った場合は小容量に設定される。この場合は、測定誤差が大きい可能性があるが、測定時間を短くして電池セルＣＬが過充電或いは過放電に至る虞があることを、より確実に検出できる。

なお、本実施形態では、電池セルＣＬ毎の電圧測定結果を参照して、その電池セルＣＬを含む電池セルグループＣＬＧに対応する測定ユニット１０のコンデンサ部ＣＦの容量を変更したが、電池セルグループＣＬＧ毎にその電圧を測定するセンサを設け、該センサの測定結果を参照して、対応する測定ユニット１０のコンデンサ部ＣＦの容量を変更してもよい。また、電池セルユニット１全体の電圧を測定するセンサを設け、該センサの測定結果を参照して、全測定ユニット１０のコンデンサ部ＣＦの容量を変更するようにしてもよい。

＜第２実施形態＞
上記第１実施形態では、電池セルＣＬの電圧測定結果に基づいてコンデンサ部ＣＦの容量を変更したが、電池セルユニット１に入出力される電流量を測定するセンサを設け、該センサにより測定された電流量の変化率が相対的に高い場合はコンデンサ部ＣＦの容量を相対的に小さくし、電流量の変化率が相対的に小さい場合はコンデンサ部ＣＦの容量を相対的に大きくするようにしてもよい。

図８は電流センサ３０を設けた場合の構成例を示すブロック図である。電流センサ３０は、電池セルユニット１とインバータ２との間の送電線に設けられ、送電線を流れる電流を測定することで、電池セルユニット１に入出力される電流量を測定する。

図９は、ＣＰＵ２１が実行する処理の他の例を示すフローチャートであり、電流センサ３０により測定された電流量の変化率に基づいてコンデンサ部ＣＦの容量を変更する制御例を示す。

Ｓ２１では、電流センサ３０の測定結果を取得し、ＲＡＭ２３に保存する。Ｓ２２では前回の測定結果と今回の測定結果との差分の絶対値を演算し、これを変化率とする。Ｓ２３ではＳ２２で演算した変化率が予め定めた規定値を超えたか否かを判定する。該当する場合は、Ｓ２６へ進み、該当しない場合はＳ２４へ進む。

Ｓ２４では、全ての測定ユニット１０のコンデンサ部ＣＦの容量を大容量にセットし、Ｓ２５では、全ての測定ユニット１０についてコンデンサ部ＣＦの充電時間及び放電時間を相対的に長い予め定めた時間に設定する。Ｓ２６では、全ての測定ユニット１０のコンデンサ部ＣＦの容量を小容量にセットし、Ｓ２７では、全ての測定ユニット１０についてコンデンサ部ＣＦの充電時間及び放電時間を相対的に短い予め定めた時間に設定する。

Ｓ２８では、スイッチ回路１１により、測定対象とする１つの電池セルＣＬがコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、現在設定されているコンデンサ部ＣＦの充電時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが満充電される。その後、スイッチ回路１１により、測定対象とする電池セルＣＬからコンデンサ部ＣＦを切り離す。

Ｓ２９では、スイッチ回路１２をＯＮとして電圧測定回路１４によりコンデンサ部ＣＦの電圧を測定する。ＣＰＵ２１は測定結果をＡ／Ｄ変換器１６から取得し、ＲＡＭ２３に保存する。Ｓ３０では、スイッチ回路１２をＯＦＦとし、スイッチ回路１３をＯＮにする。スイッチ回路１３は、現在設定されているコンデンサ部ＣＦの放電時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される。その後、スイッチ回路１３をＯＦＦにする。

Ｓ３１では、１単位の処理（各測定ユニット１０毎に、測定対象の電池セルＣＬが一巡（ＣＬ１〜ＣＬｋ）すること）が終了したか否かを判定する。該当する場合は、Ｓ２１へ戻り同様の処理を繰り返す。該当しない場合は、Ｓ２８へ戻り、測定対象とする電池セルＣＬを代えて同様の処理を繰り返す。なお、各電池セルＣＬの電圧測定毎にＳ２１へ戻る処理も採用可能である。

図１０は、上記制御による、電池セルＣＬの電圧の変化とコンデンサ部ＣＦの容量変更の例を示すタイミングチャートである。同図に示すように、コンデンサ部ＣＦは、電池セルＣＬの電圧変化が大きい場合（すなわち、電池セルユニット１に入出力される電流量の変化率が相対的に大きい場合）は小容量にセットされ、電池セルの電圧変化が小さい場合は大容量にセットされている。

このようにコンデンサ部ＣＦの容量を変更することで、電流量の変化により、電池セルＣＬの急激な電圧上昇或いは電圧降下が生じる虞がある場合には測定時間をより短くして、電池セルＣＬが過充電或いは過放電に至る虞があることをより確実に検出できる一方、電池セルＣＬの電圧上昇或いは電圧降下が緩やかな場合には、より高い精度で電池セルＣＬの電圧を測定できる。

＜第３実施形態＞
本実施形態では、電池セルユニット１に入出力される電流量の変化率と、電池セルＣＬの電圧測定結果とに基づいてコンデンサ部ＣＦの容量を変更する。ここでは、電池セルユニット１に入出力される電流量の変化率が規定値以上であって、かつ、電池セルＣＬの電圧測定結果が下限値を下回った場合、及び、上限値を上回った場合にコンデンサ部ＣＦの容量を小容量にセットし、その他の場合は大容量とする。コンデンサ部ＣＦの容量の変更は、測定ユニット１０単位とする。

図１１は、ＣＰＵ２１が実行する処理の他の例を示すフローチャートであり、本実施形態における、コンデンサ部ＣＦの容量を変更する制御例を示す。

Ｓ４１では、コンデンサ部ＣＦの容量を大容量にセットし、Ｓ４２では、コンデンサ部ＣＦの充電時間及び放電時間を相対的に長い予め定めた時間に設定する。Ｓ４３では、電流センサ３０の測定結果を取得し、ＲＡＭ２３に保存する。Ｓ４４では前回の測定結果と今回の測定結果との差分の絶対値を演算し、これを変化率とする。Ｓ４５ではＳ４４で演算した変化率が予め定めた規定値を超えたか否かを判定する。該当する場合は、Ｓ４７へ進み、該当しない場合はＳ４６へ進む。

Ｓ４６では、ＲＡＭ２３の一部の記憶領域を利用した切替フラグをＯＦＦにセットし、Ｓ４７では切替フラグをＯＮにセットする。この切替フラグは、電池セルユニット１に入出力される電流量の変化率が規定値を超えたか否かを示すフラグとなる。

Ｓ４８では、スイッチ回路１１により、測定対象とする１つの電池セルＣＬがコンデンサ部ＣＦに並列接続される。電池セルＣＬとコンデンサ部ＣＦとの接続は、現在設定されているコンデンサ部ＣＦの充電時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが満充電される。その後、スイッチ回路１１により、測定対象とする電池セルＣＬからコンデンサ部ＣＦを切り離す。

Ｓ４９では、スイッチ回路１２をＯＮとして電圧測定回路１４によりコンデンサ部ＣＦの電圧を測定する。ＣＰＵ２１は測定結果をＡ／Ｄ変換器１６から取得し、ＲＡＭ２３に保存する。Ｓ５０では、スイッチ回路１２をＯＦＦとし、スイッチ回路１３をＯＮにする。スイッチ回路１３は、現在設定されているコンデンサ部ＣＦの放電時間の間、維持されてコンデンサ部ＣＦが完全に放電される。その後、スイッチ回路１３をＯＦＦにする。

Ｓ５１では、Ｓ４９で取得した測定結果が、下限値と上限値の範囲内か否かを判定する。該当する場合は、Ｓ５６へ進み、該当しない場合（下限値を下回っている場合又は上限値を上回っている場合）はＳ５２へ進む。Ｓ５２では、コンデンサ部ＣＦの現在の容量が小容量となっているか否かを判定する。該当する場合はＳ５９へ進み、該当しない場合はＳ５３へ進む。

Ｓ５３では、切替フラグがＯＮか否かを判定する。該当する場合はＳ５４へ進み、該当しない場合はＳ５９へ進む。Ｓ５４では、コンデンサ部ＣＦの容量を小容量にセットし、Ｓ５５では、コンデンサ部ＣＦの充電時間及び放電時間を相対的に短い予め定めた時間に設定する。Ｓ５４及びＳ５５の処理は測定ユニット１０単位に行う。

Ｓ５６では、コンデンサ部ＣＦの現在の容量が大容量となっているか否かを判定する。該当する場合はＳ５９へ進み、該当しない場合はＳ５７へ進む。Ｓ５７では、コンデンサ部ＣＦの容量を大容量にセットし、Ｓ５８ではコンデンサ部ＣＦの充電時間及び放電時間を相対的に長い予め定めた時間に設定する。Ｓ５７及びＳ５８の処理は測定ユニット１０単位に行う。

Ｓ５９では、１単位の処理（各測定ユニット１０毎に、測定対象の電池セルＣＬが一巡すること）が終了したか否かを判定する。該当する場合は、Ｓ４３へ戻り同様の処理を繰り返す。該当しない場合は、Ｓ４８へ戻り、測定対象とする電池セルＣＬを代えて同様の処理を繰り返す。なお、各電池セルＣＬの電圧測定毎にＳ４３へ戻る処理も採用可能である。

図１１は、上記制御による、電池セルＣＬの電圧の変化とコンデンサ部ＣＦの容量変更の例を示すタイミングチャートである。同図に示すように、コンデンサ部ＣＦは、電池セルＣＬの電圧変化が大きい場合（すなわち、電池セルユニット１に入出力される電流量の変化率が相対的に大きい場合）であって、かつ、電池セルＣＬの電圧測定結果が下限値を下回っている場合又は上限値を上回っている場合は小容量にセットされ、他の場合は大容量にセットされている。

このようにコンデンサ部ＣＦの容量を変更することで、電池セルＣＬの電圧が、上限リミット又は下限リミットに達する蓋然性が極めて高い場合のみ、測定時間を短くしてこれをより確実に検出できる一方、その他の場合は、より高い精度で電池セルＣＬの電圧を測定できる。

なお、本実施形態では、電池セルＣＬ毎の電圧測定結果を参照して、その電池セルＣＬを含む電池セルグループＣＬＧに対応する測定ユニット１０のコンデンサ部ＣＦの容量を変更したが、電池セルグループＣＬＧ毎にその電圧を測定するセンサを設け、該センサの測定結果を参照して、対応する測定ユニット１０のコンデンサ部ＣＦの容量を変更してもよい。また、電池セルユニット１全体の電圧を測定するセンサを設け、該センサの測定結果を参照して、全測定ユニット１０のコンデンサ部ＣＦの容量を変更するようにしてもよい。更に、本実施形態では、電池セルユニット１に入出力される電流量の変化率が規定値以上であって、かつ、電池セルＣＬの電圧測定結果が下限値を下回った場合、及び、上限値を上回った場合にコンデンサ部ＣＦの容量を小容量にセットしたが、電池セルユニット１に入出力される電流量の変化率が規定値以上の場合、又は、電池セルＣＬの電圧測定結果が下限値を下回った場合、及び、上限値を上回った場合にコンデンサ部ＣＦの容量を小容量にセットするようにしてもよい。

＜第４実施形態＞
上記の通り、測定誤差は、中性点からの電位差が大きい程、大きくなり、中性点からの電位差が小さい程、小さい。そこで、本実施形態では、電池セルユニット１の中性点ＮＰの電位からの電位差が相対的に大きい電池セルグループＣＬＧに対応する測定ユニット１０のコンデンサ部ＣＦについては、上記の通り、可変容量とし、電位差が相対的に小さい電池セルグループＣＬＧに対応する測定ユニット１０のコンデンサ部ＣＦについては、測定誤差が元々小さいことから、固定容量とする。測定誤差がより大きい電池セルグループＣＬＧについては、コンデンサ部ＣＦを可変容量とすることで容量切り替えを行う一方、測定誤差がより小さい電池セルグループＣＬＧについては、コンデンサ部ＣＦを固定容量とすることで、構成を簡素化することができる。

図１３は、本実施形態に係る電圧測定装置Ｂのブロック図である。同図の例では、電池セルグループＣＬＧ（＋＃３、＋＃４、−＃３、−＃４）に対応する測定ユニット１０（＋＃３、＋＃４、−＃３、−＃４）については、コンデンサ部ＣＦ（＋＃３、＋＃４、−＃３、−＃４）を可変容量としており、測定ユニット１０の構成は図２（ａ）に示したものである。一方、電池セルグループＣＬＧ（＋＃１、＋＃２、−＃１、−＃２）に対応する測定ユニット１０（＋＃１、＋＃２、−＃１、−＃２）については、コンデンサ部ＣＦ（＋＃１、＋＃２、−＃１、−＃２）を固定容量としており、測定ユニット１０の構成を図１４に示す。

図１４に示す測定ユニット１０の構成は、図２（ａ）の構成と比べて、コンデンサ部ＣＦの構成のみ異なっており、コンデンサ部ＣＦは１つの固定容量コンデンサＣｆから構成されている。コンデンサＣｆの容量は、可変容量のコンデンサ部ＣＦの小容量時の容量と同じとすることができる。

なお、コンデンサ部ＣＦを可変容量とする測定ユニット１０は、電池セルグループＣＬＧ（＋＃４、−＃４）のみとしてもよく、その組合せは適宜選択できる。

本発明の一実施形態に係る電圧測定装置Ａのブロック図である。 （ａ）は各測定ユニット１０のブロック図、（ｂ）は電圧測定回路１４のブロック図である。 （ａ）は中性点の説明図、（ｂ）はスイッチ回路１１の寄生容量による測定誤差の説明図である。 （ａ）は測定誤差の測定結果を示す図、（ｂ）はコンデンサ部ＣＦの容量を大きくすることで測定誤差が減少した結果を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）はコンデンサ部ＣＦの容量変更の説明図である。 ＣＰＵ２１が実行する処理の例を示すフローチャートである。 電池セルＣＬの電圧の変化とコンデンサ部ＣＦの容量変更の例を示すタイミングチャートである。 電流センサ３０を設けた場合の構成例を示すブロック図である。 ＣＰＵ２１が実行する処理の他の例を示すフローチャートである。 電池セルＣＬの電圧の変化とコンデンサ部ＣＦの容量変更の他の例を示すタイミングチャートである。 ＣＰＵ２１が実行する処理の他の例を示すフローチャートである。 電池セルＣＬの電圧の変化とコンデンサ部ＣＦの容量変更の他の例を示すタイミングチャートである。 本発明の他の実施形態に係る電圧測定装置Ｂのブロック図である。 コンデンサ部ＣＦの容量が固定の測定ユニット１０のブロック図である。

符号の説明

Ａ、Ｂ 電圧測定装置
ＣＦ コンデンサ部
Ｃｆ１、Ｃｆ２ コンデンサ
ＣＬ 電池セル
ＣＬＧ 電池セルグループ
１ 電池セルユニット
２ 測定ユニット
１０ スイッチ回路
１４ 電圧測定回路
２０ 制御ユニット

Claims (9)

1. 直列接続された複数の電池セルから構成される電池セルユニットの前記電池セルの電圧を測定する電圧測定装置において、
   測定対象とする前記電池セルに並列接続されて充電される、容量が可変のコンデンサ部と、
   前記コンデンサ部と前記電池セルとの接続を切り替えるスイッチ回路と、
   測定対象とする前記電池セルにより充電され、前記電池セルから切り離された前記コンデンサ部の電圧を測定する電圧測定手段と、
   予め定めた条件に応じて前記コンデンサ部の容量を変更する変更手段と、
   を備えたことを特徴とする電圧測定装置。
2. 前記変更手段は、
   前記電池セルの電圧が予め定めた下限値と上限値との範囲内の場合は、前記コンデンサ部の容量を相対的に大きくし、前記下限値を下回った場合及び前記上限値を上回った場合は、前記コンデンサ部の容量を相対的に小さくすることを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
3. 前記電池セルユニットに入出力される電流量を測定する電流量測定手段を更に備え、
   前記変更手段は、
   前記電流量測定手段により測定された前記電流量の変化率が相対的に高い場合は前記コンデンサ部の容量を相対的に小さくし、前記電流量の変化率が相対的に小さい場合は前記コンデンサ部の容量を相対的に大きくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧測定装置。
4. 前記コンデンサ部と前記スイッチ回路とが、連続する複数の前記電池セルから構成される電池セルグループ毎に設けられ、
   前記電池セルユニットの中性点電位からの電位差が相対的に小さい前記電池セルグループに対応する前記コンデンサ部を、固定容量のコンデンサから構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
5. 前記コンデンサ部が、
   容量の異なる複数のコンデンサと、
   前記複数のコンデンサのいずれかを、測定対象とする前記電池セルに並列接続する切替手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
6. 前記コンデンサ部が、
   複数のコンデンサと、
   前記複数のコンデンサのうち、測定対象とする前記電池セルに並列接続するコンデンサの数を切り替える切替手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
7. 直列接続された複数の電池セルから構成される電池セルユニットの前記電池セルの電圧を測定する電圧測定方法において、
   容量が可変のコンデンサ部の容量を、予め定めた条件に応じて設定する設定工程と、
   前記コンデンサ部を、測定対象とする前記電池セルに並列接続して充電する充電工程と、
   測定対象とする前記電池セルにより充電され、前記電池セルから切り離された前記コンデンサ部の電圧を測定する測定工程と、
   を備えたことを特徴とする電圧測定方法。
8. 前記設定工程は、
   前記電池セルの電圧が予め定めた下限値と上限値との範囲内の場合は、前記コンデンサ部の容量を相対的に大きく設定し、前記下限値を下回った場合及び前記上限値を上回った場合は、前記コンデンサ部の容量を相対的に小さく設定することを特徴とする請求項７に記載の電圧測定方法。
9. 前記設定工程は、
   前記電池セルユニットに入出力される電流量の変化率が相対的に高い場合は前記コンデンサ部の容量を相対的に小さく設定し、前記電流量の変化率が相対的に小さい場合は前記コンデンサ部の容量を相対的に大きく設定することを特徴とする請求項７又は８に記載の電圧測定方法。

Images