JP2010066038A - 電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直列に接続された単位セルからなるブロックの電圧を検出する際に、電圧検出の異常を安価、かつ、確実に判別することができる電圧検出装置を提供する。
【解決手段】
電圧検出回路１１、１２に電流源２５、２７と検出回路２６、２８とを設け、電流源２５と電流源２７との間に、同じ抵抗値の抵抗Ｒｔｅｓｔ１、抵抗Ｒｔｅｓｔ２と、抵抗Ｒｓｕｂ１と、を接続して、検出回路２６で抵抗Ｒｔｅｓｔ１の両端電圧を検出し、検出回路２８で抵抗Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧を検出して、双方の検出結果に基づいて、双方の検出結果が異なる場合はメインマイコン３０が異常と判別し、予め算出した両端電圧と比較して異常な電圧検出回路を判別する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電圧検出装置に係り、特に、互いに直列接続された複数の単位セルからなる車載高圧バッテリの電圧を検出する電圧検出装置に関するものである。

近年、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド自動車（以下ＨＥＶ）が普及してきている。このＨＥＶは、上記エンジン始動用の１２Ｖ程度の低圧バッテリと、上記電動モータ駆動用の高圧バッテリとの２種類のバッテリを備えている。上述した高圧バッテリは、ニッケル−水素電池やリチウム電池といった二次電池を単電池または二次電池を少なくとも１つ以上含む単位セルとして、これらを複数直列接続して高電圧を得ている。

上述した高圧バッテリは充放電を繰り返すうちに各二次電池の両端電圧、即ち充電状態（ＳＯＣ）にバラツキが生じる。バッテリの充放電にあたっては、各二次電池の耐久性や安全確保の観点より、ＳＯＣ（又は両端電圧）の最も高い二次電池が設定上限ＳＯＣ（又は上限両端電圧値）に到達した時点で充電を禁止し、ＳＯＣ（又は両端電圧）の最も低い二次電池が設定下限ＳＯＣ（又は下限両端電圧値）に到達した時点で放電を禁止する必要がある。従って、各二次電池にＳＯＣのバラツキが生じると、実質上、バッテリの使用可能容量が減少することになる。このため、ＨＥＶにおいては、登坂時にガソリンに対してバッテリエネルギーを補充したり、降坂時にバッテリにエネルギーを回生したりする、いわゆるアシスト・回生が不十分となり、実車動力性能や燃費を低下させることになる。そこで、各二次電池のＳＯＣを均等化するために、各二次電池の両端電圧を検出する必要がある。

従来、上述した高圧バッテリを構成する各二次電池の両端電圧を検出する電圧検出装置として特許文献１に示すような装置が提案されている。特許文献１の電圧検出装置は高圧バッテリを複数のモジュールに分割しモジュール毎に配置したＣＰＵ等により各モジュール内の各二次電池の両端電圧を検出する。このような構成にすることにより同時に複数の二次電池の両端電圧の検出が行えると共に、両端電圧を検出するのに使用するデバイスの耐圧を下げることができる。

上述した従来の電圧検出装置は、各モジュールの両端電圧の検出に使用する基準電圧やＡ／Ｄ変換器などの精度のバラツキにより、モジュール間で検出誤差が発生してしまう。モジュール間の検出誤差が大きいと各二次電池のＳＯＣを均等化する際に均等化誤差を生じてしまうため、各二次電池を効率的に使用できないことがあった。高精度の基準電圧やＡ／Ｄ変換器を使用すればこの誤差を解消することができるが、高精度の基準電圧やＡ／Ｄ変換器が分割したモジュール分必要となりコストアップになってしまうという問題があった。

このような誤差を補正する方法として特許文献２に記載の電圧補正方法が提案されている。特許文献２に記載の電圧補正方法は、各ブロック毎に測定値の平均値を算出してブロックの代表値とし、その代表値を比較して、代表値に差がある場合はその差を補正している。
特開２００３−２４３０４４号公報 特開２００５−６２０２８号公報

しかしながら、特許文献２に記載の電圧補正方法は、ブロックの電圧自体が変動した場合、電圧検出自体は正常に行われているにもかかわらず、電圧の差を誤差として補正してしまうという問題があった。

また、特許文献２に記載の電圧法制方法で検出値の異常を判別させるためには、精度の良い電源を各ブロックに追加する必要があり高価な構成となってしまう。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、直列に接続された単位セルからなるブロックの電圧を検出する際に、電圧検出の異常を安価、かつ、確実に判別することができる電圧検出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なされた請求項１に記載の発明は、単位セルが複数直列接続された車載高圧バッテリの前記単位セルを少なくとも一つ有した複数のブロックと、前記ブロックにそれぞれ対応して設けられるとともに前記ブロック内の前記単位セルの両端電圧を検出する電圧検出手段と、を備えた電圧検出装置において、前記電圧検出手段に、電流源とその電流源に接続された電流検出素子および前記電流検出素子の両端電圧を測定する電圧測定手段が設けられ、前記電圧測定手段が測定した前記電流検出素子の両端電圧に基づいて前記電圧検出手段の異常を検出する異常検出手段が設けられ、そして、隣接する前記ブロックに対応する前記電圧検出手段に設けられた前記電流検出素子が互いに接続されていることを特徴とする電圧検出装置である。

請求項２に記載の発明は、前記異常検出手段が、互いに接続された前記電流検出素子の両端電圧が異なる場合に前記電圧検出手段が異常であると判別することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記異常検出手段には予め正常時の前記電流検出素子の両端電圧が設定され、前記異常検出手段が、前記電圧測定手段によって測定された前記電流検出素子の両端電圧が正常時の前記電流検出素子の両端電圧と異なる場合に前記電圧検出手段が異常であると判別することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、電流検出素子が、抵抗素子であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記抵抗素子の互いに接続されている素子同士の抵抗値が等しくなっていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、互いに接続されている前記電流検出素子の間に電圧調整用素子を接続したことを特徴とする。

以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、電流源と電流検出素子および電流検出素子の両端電圧を測定する電圧測定手段を電圧検出手段に設けて、隣接するブロックに対応する電圧検出手段の電流検出素子を互いに接続し、電流源から電流検出素子に電流を流して、そのときの電流検出素子の両端電圧から異常検出手段が電圧検出手段の異常を判別しているので、電流源から流れる電流が一定で電流検出素子の抵抗値が予め分かっていれば電流検出素子の両端電圧が算出された電圧と測定した電圧とが異なるか否かで異常を判別することができるので、電圧検出手段の異常を安価、かつ、確実に判別することができる。

請求項２に記載の発明によれば、互いに接続された電流検出素子の両端電圧が異なる場合に電圧検出手段が異常であると異常検出手段が判別しているので、一致するはずの電流検出素子の両端電圧が一致しないことによって異常を確実に判別することができる。

請求項３に記載の発明によれば、予め正常時の電流検出素子の両端電圧を設定し、電圧測定手段によって測定された電流検出素子の両端電圧が正常時の電流検出素子の両端電圧と異なる場合に電圧検出手段が異常であると異常検出手段が判別しているので、電圧検出手段内の異常を確実に判別することができる。

請求項４に記載の発明によれば、電流検出素子が、抵抗素子であるので、安価に電流検出素子を構成することができる。

請求項５に記載の発明によれば、互いに接続されている素子同士の抵抗値は等しくなっているので、電流源からは同じ電流が流れるために両端電圧は同じ値となることから、この値の変化を検出することで異常を確実に判別することができる。

請求項６に記載の発明によれば、互いに接続されている電流検出素子の間に電圧調整用素子を接続したので、電流検出素子の両端電圧を、電流源の端子電圧よりも低くすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の電圧検出装置の一実施形態を示す回路図である。図中引用符号ＢＨは高圧バッテリである。上記高圧バッテリＢＨは、エンジンと電動モータＭを走行駆動源として併用するＨＥＶにおいて前記電動モータＭの電源として用いられ、その両端には電動モータＭが必要に応じて負荷として接続されると共にオルタネータ等（図示せず）が必要に応じて充電器として接続される。

高圧バッテリＢＨは、複数個（本実施形態では５個）のブロックＢ１〜Ｂ５に分けられている。ブロックＢ１はｎ個（ｎは１以上の任意の整数）の単位セルＣ１１〜Ｃ１ｎから構成されている。単位セルＣ１１〜Ｃ１ｎは少なくとも一つ以上の二次電池から構成されている。他のブロックＢ２〜Ｂ５も同様にｎ個の単位セルから構成されている。

電圧検出装置は、電圧検出手段としての電圧検出回路１１〜１５と、電流検出回路２１〜２４と、異常検出手段としてのメインマイコン３０と、絶縁インタフェース４０と、を備えている。

電圧検出回路１１〜１５は、各ブロックＢ１〜Ｂ５にそれぞれ対応して設けられている。電圧検出回路１１〜１５は、複数のブロックＢ１〜Ｂ５のうち対応するブロックＢ１〜Ｂ５を構成する単位セルＣ１１〜Ｃ１ｎから電源供給を受けて動作する。

電圧検出回路１１〜１５は、それぞれ対応するブロック全体の両端電圧値およびブロック内の各単位セルＣ１１〜Ｃ１ｎ各々の両端電圧を検出する差動増幅器と、各ブロックＢ１〜Ｂ５の両端および各ブロックＢ１〜Ｂ５を構成する単位セルＣ１１〜Ｃ１ｎの両端を選択的に差動増幅器に接続する選択スイッチ群と、差動増幅器が検出した両端電圧をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、上記選択スイッチ群を制御する制御部などを備えている。

また、電圧検出回路１１〜１５は、対応するブロックＢ１〜Ｂ５の供給電圧から上記差動増幅器、Ａ／Ｄ変換器及び制御部の動作電源となる定電圧を出力する高圧系電源回路と、該高圧系電源回路から差動増幅器及びＡ／Ｄ変換器との間に設けた遮断スイッチとを備えている。この遮断スイッチは制御部によってオンオフが制御される。

また、上述した電圧検出回路１１〜１５はそれぞれがワンチップで構成されている。また、電圧検出回路１１〜１５には図示しない外付け抵抗が接続されている。この外付け抵抗は各ブロックＢ１〜Ｂ５のアドレスに対応するものであり、各々異なる抵抗値となっている。外付け抵抗Ｒ１〜Ｒ５は、各々高圧系電源回路からの電源投入に応じて制御部が抵抗値を読み取り、各電圧検出回路のアドレスとして図示しないメモリなどに記憶する。

メインマイコン３０は、図示しないＣＰＵおよびメモリを内蔵する。そして、メモリに内蔵された制御プログラムなどに基づいてＣＰＵが電圧検出回路１１〜１ｍの制御等を行う。

電圧検出回路１１とメインマイコン３０との間には、送信用バスラインＢＬｔ及び受信用バスラインＢＬｒが設けられている。また、送信用バスラインＢＬｔ及び受信用バスラインＢＬｒ上には、絶縁インタフェース４０が設けられている。

絶縁インタフェース４０は、電圧検出回路１１とメインマイコン３０とを電気的に絶縁した状態で結合するものである。メインマイコン３０及び電圧検出回路１１は、絶縁インタフェース４０によって互いに絶縁した状態で情報の送受信を行うことができる。これにより、高圧バッテリＢＨとメインマイコン３０に電源供給する図示しない低圧バッテリとの絶縁を保つことができる。絶縁インタフェース４０としては、例えば発光素子及び受光素子から成るフォトカプラといった光を媒体にしたものや、磁気カプラといった磁気を媒体にしたものが公知である。

また、電圧検出回路１１〜１５は、電圧検出回路１１、１２、１３、１４、１５の順にディジーチェーン接続されている。電圧検出回路は１１〜１５は、隣接する電圧検出回路同士で通信を行うことによって自身の検出結果やメインマイコン３０からの命令などを伝達する。

電流検出回路２１〜２４は、隣接する電圧検出回路間を接続するように設けられている。例えば電流検出回路２１は電圧検出回路１１と１２間を接続されるように設けられている。同様に電流検出回路２２は電圧検出回路１２と１３間、電流検出回路２３は電圧検出回路１３と１４間、電流検出回路２４は電圧検出回路１４と１５間を接続するように設けられている。これらは、図１に示したように上記ディジーチェーン接続とは別の接続である。

電流検出回路２１は、図２に示したように電流検出素子としての抵抗Ｒｔｅｓｔ１と、電流検出素子としての抵抗Ｒｔｅｓｔ２と、電圧調整素子としての抵抗Ｒｓｕｂ１と、を備えている。抵抗Ｒｓｕｂ１は抵抗Ｒｔｅｓｔ１と抵抗Ｒｔｅｓｔ２との間に接続されている。これらの抵抗Ｒｔｅｓｔ１と、抵抗Ｒｓｕｂ１と、抵抗Ｒｔｅｓｔ２と、は全て抵抗値が等しい。なお、抵抗Ｒｔｅｓｔ１と抵抗Ｒｔｅｓｔ２は同じ抵抗値である必要があるが、抵抗Ｒｓｕｂ１は、抵抗Ｒｔｅｓｔ１と抵抗Ｒｔｅｓｔ２と異なる抵抗値としてもよい。以降電流検出回路２１と電圧検出回路１１、１２で説明するが、電流検出回路２２〜２４および電圧検出回路１３〜１５も同様の構成であり同様の動作をする。

電流検出回路２１は、図２に示したように電圧検出回路１１内の電流源２５と検出回路２６が、電圧検出回路１２内の電流源２７と検出回路２８が、それぞれ接続されている。

電流源２５は、抵抗Ｒｔｅｓｔ１に所定の電流を流すための電流源であり、電流検出回路２１の抵抗Ｒｔｅｓｔ１に接続され、ブロックＢ１の両端電圧を電源として、ブロックＢ１の上端の電位（Ｖｅｐ）を基準として−Ｖ１ボルト（Ｖｅｐ−Ｖ１）の電圧を生成する。電流源２７は、抵抗Ｒｔｅｓｔ１に所定の電流を流すための電流源であり、電流検出回路２１の抵抗Ｒｔｅｓｔ２に接続され、ブロックＢ２の両端電圧を電源として、ブロックＢ２の下端の電位（Ｖｅｐ）を基準として＋Ｖ２ボルト（Ｖｅｐ＋Ｖ２）の電圧を生成する。

電圧測定手段としての検出回路２６、２８は、それぞれ抵抗Ｒｔｅｓｔ１、抵抗Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧を検出（測定）する。

また、電流源２５と電流検出回路２１との間にはスイッチＳＷ１が、検出回路２６と、電流検出回路２１のＲｔｅｓｔ１の両端の間にはスイッチＳＷ２、ＳＷ３が、電流源２７と電流検出回路２１との間にはスイッチＳＷ６が、検出回路２８と、電流検出回路２１のＲｔｅｓｔ２の両端の間にはスイッチＳＷ４、ＳＷ５が、それぞれ設けられている。これらスイッチは電流検出回路２１を用いた電圧検出回路１１、１２の異常検出動作時に閉制御される。

本実施形態では、検出回路２６、２８はフライングキャパシタ方式により抵抗Ｒｔｅｓｔ１および抵抗Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧を検出している。フライングキャパシタ方式は、例えば検出回路２６の場合、スイッチＳＷ２、ＳＷ３を閉制御して、検出回路２６に内蔵した接地から浮かせた状態のコンデンサ（すなわち、フライングキャパシタ）に抵抗Ｒｔｅｓｔ１の電圧を充電して、スイッチＳＷ２、ＳＷ３を開制御した後にコンデンサの両端電圧を検出する周知の方式である。フライングキャパシタ方式で検出することによって、接地電位を基準とした電圧に変換することができる。また、フライングキャパシタ方式以外にオペアンプを用いた差動方式としてもよい。

図２に示した回路において、電流検出回路２１に流れる電流をＩ１とすると、Ｉ１は次の式で求められる。
Ｉ１＝（（Ｖｅｐ＋Ｖ２）−（Ｖｅｐ−Ｖ１））／（Ｒｔｅｓｔ１＋Ｒｓｕｂ１＋Ｒｔｅｓｔ２）・・・（１）

したがって、検出回路２６、２８で検出されるべき電圧はそれぞれ次の式で求められる。
検出回路２６で検出されるべき電圧＝Ｒｔｅｓｔ１×Ｉ１・・・（２）
検出回路２８で検出されるべき電圧＝Ｒｔｅｓｔ２×Ｉ１・・・（３）

ここで、電流源２７から流れ出す電流Ｉ１と電流源２５へ流れ込む電流Ｉ１とは等しく、またＲｔｅｓｔ１とＲｔｅｓｔ２が同じ抵抗値であることから検出回路２６、２８とで検出される電圧は同じ電圧となる。

メインマイコン３０では、検出回路２６で検出した電圧値と、検出回路２８で検出した電圧値とを比較して、異なる電圧であった場合は異常と判別する。つまり、電圧検出回路１１または１２で測定した対応するブロックや単位セルの測定値が正確でないと判別する。すなわち、互いに接続された抵抗Ｒｔｅｓｔ１とＲｔｅｓｔ２の両端電圧が異なる場合に電圧検出回路が異常であると判別している。どちらが異常なのかは、上記（１）〜（３）式により、検出回路２６で検出されるべき電圧と検出回路２８で検出されるべき電圧とを予め算出しておき、それらと比較することで判別可能である。すなわち、予め正常時の抵抗Ｒｔｅｓｔ１、Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧を設定し、検出回路２６、２８によって測定された抵抗Ｒｔｅｓｔ１、Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧が正常時の抵抗Ｒｔｅｓｔ１、Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧と異なる場合に電圧検出回路が異常であると判別している。また、異常と判別し、測定した電圧と本来測定されるべき電圧との差が小さい場合は補正をし、差が大きい場合は異常警告などを行ってもよい。

以上の電圧検出装置によれば、電圧検出回路１１、１２に電流源２５、２７と検出回路２６、２８とを設け、電流源２５と電流源２７との間に、同じ抵抗値の抵抗Ｒｔｅｓｔ１、抵抗Ｒｔｅｓｔ２と、抵抗Ｒｓｕｂ１と、を接続して、検出回路２６で抵抗Ｒｔｅｓｔ１の両端電圧を検出し、検出回路２８で抵抗Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧を検出して、双方の検出結果に基づいて、双方の検出結果が異なる場合はメインマイコン３０が異常と判別し、予め算出した両端電圧と比較して異常な電圧検出回路を判別をしているので、電圧検出回路の異常が確実に判別することができる。

また、抵抗Ｒｔｅｓｔ１と抵抗Ｒｔｅｓｔ２を用いているので、安価に構成することができる。

また、抵抗Ｒｓｕｂ１を抵抗Ｒｔｅｓｔ１と抵抗Ｒｔｅｓｔ２の間に設けたので、抵抗Ｒｔｅｓｔ１と抵抗Ｒｔｅｓｔ２の両端電圧を、電流源２５、２７の端子電圧（すなわちＶ１やＶ２）よりも低くすることができる。

なお、上述した実施形態では、電流検出素子として抵抗を用いたが、ダイオードやトランジスタなど直列に接続して定電流を流したときに同じ電圧が発生する素子であれば用いることが可能である。

また、上述した実施形態では、各電圧検出回路間に電流検出回路を設けていたが、例えば図１の場合、電流検出回路２２または２３は省略してもよい。電流検出回路２２を省略した場合は、電圧検出回路１２の異常は電流検出回路２１で検出可能であり、電圧検出回路１３の異常は電流検出回路２３で検出可能である。同様に、電流検出回路２３を省略した場合は、電圧検出回路１３の異常は電流検出回路２２で検出可能であり、電圧検出回路１４の異常は電流検出回路２４で検出可能である。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の電圧検出装置の一実施形態を示す回路図である。 図１に示す電圧検出装置における電流検出回路の回路図である。

符号の説明

ＢＨ 高圧バッテリ(車載高圧バッテリ)
Ｃ１１〜Ｃｍｎ 単位セル
Ｂ１〜Ｂ５ ブロック
１１〜１５ 電圧検出回路(電圧検出手段)
２１〜２４ 電流検出回路
２５、２７ 電流源
２６、２８ 検出回路（電圧測定手段）
３０ メインマイコン(異常検出手段)
Ｒｔｅｓｔ１ 抵抗（電流検出素子）
Ｒｔｅｓｔ２ 抵抗（電流検出素子）
Ｒｓｕｂ１ 抵抗（電圧調整用素子）

Claims (6)

1. 単位セルが複数直列接続された車載高圧バッテリの前記単位セルを少なくとも一つ有した複数のブロックと、前記ブロックにそれぞれ対応して設けられるとともに前記ブロック内の前記単位セルの両端電圧を検出する電圧検出手段と、を備えた電圧検出装置において、
   前記電圧検出手段に、電流源とその電流源に接続された電流検出素子および前記電流検出素子の両端電圧を測定する電圧測定手段が設けられ、
   前記電圧測定手段が測定した前記電流検出素子の両端電圧に基づいて前記電圧検出手段の異常を検出する異常検出手段が設けられ、そして、
   隣接する前記ブロックに対応する前記電圧検出手段に設けられた前記電流検出素子が互いに接続されている
   ことを特徴とする電圧検出装置。
2. 前記異常検出手段が、互いに接続された前記電流検出素子の両端電圧が異なる場合に前記電圧検出手段が異常であると判別することを特徴とする請求項１に記載の電圧検出装置。
3. 前記異常検出手段には予め正常時の前記電流検出素子の両端電圧が設定され、前記異常検出手段が、前記電圧測定手段によって測定された前記電流検出素子の両端電圧が正常時の前記電流検出素子の両端電圧と異なる場合に前記電圧検出手段が異常であると判別することを特徴とする請求項１または２に記載の電圧検出装置。
4. 前記電流検出素子が、抵抗素子であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の電圧検出装置。
5. 前記抵抗素子の互いに接続されている素子同士の抵抗値が等しくなっていることを特徴とする請求項４に記載の電圧検出装置。
6. 互いに接続されている前記電流検出素子の間に電圧調整用素子を接続したことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の電圧検出装置。

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