JP2012018037A

JP2012018037A - 電圧測定回路及び方法

Info

Publication number: JP2012018037A
Application number: JP2010154610A
Authority: JP
Inventors: Yuki Hori; 裕基堀; Shin Suzuki; 伸鈴木
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-26
Also published as: CN103026245A; EP2592427B1; US20130066575A1; CN103026245B; EP2592427A1; EP2592427A4; US9395394B2; WO2012005186A1

Abstract

【課題】ノイズの影響を抑制して測定対象となる端子間の電圧を精度よく測定できる電圧測定回路及び方法を提供する。
【解決手段】測定対象となる２つの端子と並列に検出抵抗器を接続し、検出抵抗器に流れる電流値を測定すると共に該電流値を時間積分し、さらに積分後の電流値を積分時間で除算することで電流値の平均値である平均電流値を求める。平均電流値はデジタル信号に変換して演算手段（プロセッサ）に送信する。演算手段は平均電流値及び検出抵抗器の抵抗値から２つの端子間の電圧値を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は所要の端子間電圧の測定に好適な電圧測定回路及び方法に関する。

一般に、充放電するエネルギー量（電力）が大きい二次電池は、保護回路等により安全性を確保したうえで使用する。特にリチウムイオン二次電池は、同容量の他の二次電池と比べてエネルギー密度が高いため、保護回路と共に使用する必要がある。

保護回路の主な機能としては過充電保護と過放電保護とがある。過充電や過放電は、通常、二次電池の端子（正極及び負極）間電圧を監視することで検出する。そのため、過充電や過放電を防止するには二次電池の端子間電圧を精度よく測定する必要がある。

また、二次電池を利用する場合、二次電池に蓄積されている電力量（以下、電池残量と称す）を管理することも重要になる。二次電池の端子間電圧は電池残量の管理にも用いることが可能であり、例えば保護回路で測定した端子間電圧を基に、予め求めた端子間電圧と電池残量との関係からＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサにより電池残量を推定できる。

このような二次電池の端子間電圧を測定するための回路（以下、電圧測定回路と称す）としては、オペアンプを用いた構成が一般的に知られている。その一例を図２に示す。

図２に示す背景技術の電圧測定回路は、二次電池の端子間電圧を複数の固定抵抗器（抵抗値が一定の抵抗器）を用いて分圧し、分圧した電圧をオペアンプで構成されたインピーダンス変換回路を介してプロセッサへ出力する構成である。プロセッサは、オペアンプの出力電圧及び複数の固定抵抗器による分圧比に基づいて二次電池の端子間電圧を算出する。

また、オペアンプを用いて二次電池の端子間電圧を測定する回路としては、例えば特許文献１に記載された構成もある。特許文献１では、二次電池の正極及び負極の端子電圧をオペアンプで構成された差動増幅器でそれぞれ取り込み、該差動増幅器から二次電池の端子間電圧をＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換器へ出力する構成が記載されている。

特開２００２−３５０４７２号公報

近年、二次電池は、電気自動車やハイブリッド自動車等の電源としても用いられ、さらに地球温暖化問題に伴う低炭素社会の実現へ向けて導入されつつある、太陽電池等の再生可能電源で発電された電力の貯蔵にも二次電池を用いることが検討されている。すなわち、二次電池は、その大容量化に伴って用途が広がり、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されたモータ等の駆動用機器、あるいは再生可能電源で発電された電力を電力系統へ供給可能にするための電力変換を行うインバータ等の定置用機器の電源としても用いられつつある。

駆動用機器や定置用機器は、大きな電力を制御するためにノイズの発生源となる。そのため、これらのノイズにより二次電池の端子間電圧の測定精度が低下する。また、駆動用機器や定置用機器で発生したノイズは保護回路に備えるＣＰＵ等のプロセッサの誤動作の要因となることも懸念される。

図２に示した背景技術の電圧測定回路では、ノイズの発生源である駆動用機器や定置用機器等（不図示）に電力を供給する二次電池の負極電位と、プロセッサの接地電位とが共通であるため、複数の抵抗器を用いて分圧した電圧にノイズが重畳することで、二次電池の端子間電圧を精度よく測定できないおそれがある。

一方、特許文献１に記載された電圧測定回路では、差動増幅器を用いて二次電池の正極及び負極からそれぞれの端子電圧を取り込むため、二次電池の正極及び負極で発生しているコモンモードノイズを抑制できる。そのため、図２に示した電圧測定回路よりは駆動用機器や定置用機器で発生したノイズによる影響が低減される。しかしながら、駆動用機器や定置用機器の動作に起因して発生するノイズはコモンモードノイズだけとは限らないため、電圧測定回路は、よりノイズ耐性の高い構成であることが望ましい。

本発明は上述したような背景技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、ノイズの影響を抑制して測定対象となる端子間の電圧を精度よく測定できる電圧測定回路及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の電圧測定回路は、測定対象の２つの端子間の電圧を測定する電圧測定回路であって、
前記２つの端子と並列に接続された検出抵抗器と、
前記検出抵抗器に流れる電流値を測定する電流検出手段と、
前記電流検出手段で測定された前記電流値を時間積分する積分手段と、
前記積分手段で積分された電流値を積分時間で除算し、前記電流値の平均値である平均電流値を求める平均値算出手段と、
前記平均値算出手段で求めた前記平均電流値をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段でデジタル信号に変換された前記平均電流値及び前記検出抵抗器の抵抗値から前記２つの端子間の電圧の値を算出する演算手段と、
を有する。

一方、本発明の電圧測定方法は、測定対象の２つの端子間の電圧を測定するための電圧測定方法であって、
電流検出手段が、前記２つの端子と並列に接続された検出抵抗器に流れる電流値を測定し、
積分手段が、前記電流検出手段で測定された前記電流値を時間積分し、
平均値算出手段が、前記積分手段で積分された電流値を積分時間で除算し、前記電流値の平均値である平均電流値を求め、
Ａ／Ｄ変換手段が、前記平均値算出手段で求めた前記平均電流値をデジタル信号に変換し、
演算手段が、前記Ａ／Ｄ変換手段でデジタル信号に変換された前記平均電流値及び前記検出抵抗器の抵抗値から前記２つの端子間の電圧の値を算出する方法である。

本発明によれば、ノイズの影響が抑制されて測定対象となる端子間の電圧を精度よく測定できる。

本発明の電圧測定回路の一構成例を示す回路図である。背景技術の電圧測定回路の構成を示す回路図である。

次に本発明について図面を用いて説明する。

本実施形態の電圧測定回路では、測定値を時間平均し、時間平均した値（アナログ値）をデジタル信号に変換してプロセッサへ伝達する。また、駆動用機器や定置用機器等の負荷を含むアナログ部の接地電位とプロセッサを含むデジタル部の接地電位とを分離する。

平均値は、測定値を積分した後、該積分値を積分時間で除算することで算出する。但し、本実施形態の電圧測定回路では、電圧値ではなく、量として扱うことができる電流の値を時間積分する。具体的には、測定対象である２つの端子と並列に固定抵抗器である検出抵抗器を接続し、電流検出手段により検出抵抗器に流れる電流値を測定し、その電流値を積分手段により時間積分する。また、平均値算出手段により時間積分した電流値を積分時間で除算することで電流の平均値（平均電流値）を求める。求めた平均電流値はＡ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換する。

さらに、本実施形態の電圧測定回路では、Ａ／Ｄ変換した平均電流値をプロセッサへ通知する経路上に信号絶縁素子を含む絶縁通信手段を設け、負荷や二次電池を含むアナログ部の接地電位とプロセッサを含むデジタル部の接地電位とを分離してデジタル部の動作を安定させる。絶縁通信手段を介してプロセッサに伝達された平均電流値は、プロセッサ（演算手段）によりオームの法則に基づいて電圧値に変換する。

図１は本発明の電圧測定回路の一構成例を示す回路図である。

図１に示すように、本実施形態の電圧測定回路は、分圧抵抗器２、検出抵抗器１４、クーロンカウンタ７、絶縁通信回路５及びプロセッサ４を備えている。分圧抵抗器２、検出抵抗器１４、クーロンカウンタ７、絶縁通信回路５及びプロセッサ４は、例えば二次電池１の保護回路が形成される保護回路基板６上に搭載されている。二次電池１の端子間には、駆動用機器や定置用機器から成る負荷１５が接続されている。

図１では、本実施形態の電圧測定回路により二次電池１の端子間電圧を測定する構成例を示しているが、本実施形態の電圧測定回路は、二次電池１の端子間電圧に限らず、その他の回路や装置における任意の端子間の電圧を測定する場合にも用いることができる。但し、測定対象となる端子間は、分圧抵抗器２や検出抵抗器１４を接続しても電圧降下が起きない程度の電流駆動能力を備えているものとする。

分圧抵抗器２及び検出抵抗器１４は、抵抗値が一定の固定抵抗器である。分圧抵抗器２と検出抵抗器１４とは直列に接続されて二次電池１の正極端子と負極端子間に並列に挿入されている。分圧抵抗器２は、二次電池１の端子間電圧を分圧することで検出抵抗器１４に印加される電圧を低減するために用いる。そのため、検出抵抗器１４に比較的大きな抵抗値を用いる場合や二次電池１の端子間電圧が低い場合等では無くてもよい。

クーロンカウンタ７は、上述した電流検出手段、積分手段及び平均値算出手段としての機能を備え、検出抵抗器１４の両端に発生する電位差（電圧）を検出抵抗器１４に流れる電流値として取り込み、その値を時間積分すると共に、積分した値を積分時間で除算することで電流の平均値（平均電流値）を算出する。さらに、クーロンカウンタ７は、上述したＡ／Ｄ変換手段としての機能を備え、算出した電流の平均値をＡ／Ｄ変換し、デジタル信号として出力する。クーロンカウンタ７及びプロセッサ４は、例えばシリアル通信方式により信号の双方向通信が可能な構成である。

通常、クーロンカウンタ７は、負荷１５と二次電池１の端子（正極または負極）間に直列に挿入された検出抵抗器の両端に発生する電位差（電圧）を測定することで二次電池１に対する充放電電流を検出し、検出した充放電電流を積算して二次電池１の電池残量を推定するために用いられる。本実施形態では、このクーロンカウンタ７を二次電池１の端子間電圧の測定に用いる。クーロンカウンタ７は、例えば米国テキサスインスツルメンツ社のバッテリモニタ評価モジュールｂｑ２６２００を用いることで実現できる。バッテリモニタ評価モジュールｂｑ２６２００の詳細については、インターネット＜ＵＲＬ：HYPERLINK http://focus.tij.co.jp/jp/docs/prod/folders/print/bq26200.html http://focus.tij.co.jp/jp/docs/prod/folders/print/bq26200.html＞に記載されている。

なお、図１では、クーロンカウンタ７によって、電流値を測定し、該電流値を時間積分し、さらに時間積分した値から電流平均値を求める例を示しているが、時間積分や電流平均値を求める処理はプロセッサ４で実行することも可能である。その場合、クーロンカウンタ７は、測定した電流値をＡ／Ｄ変換してプロセッサ４へ出力すればよい。

絶縁通信回路５は、信号絶縁素子であるフォトカプラ１０及び１１と、トランジスタ１２及び１３とを備え、フォトカプラ１０及び１１により、プロセッサ４の接地電位とクーロンカウンタ７の接地電位とを分離しつつ、プロセッサ４とクーロンカウンタ７との双方向通信を可能にする。クーロンカウンタ７からプロセッサ４には、上述したように電流平均値（デジタル信号）が出力される。一方、プロセッサ４からクーロンカウンタ７には、クーロンカウンタ７の動作を制御するためのコマンド（デジタル信号）等が出力される。なお、クーロンカウンタ７がプロセッサ４から制御されずに独立して動作する場合、プロセッサ４からクーロンカウンタ７に送信されるコマンド等を中継するフォトカプラ１１及びトランジスタ１３は無くてもよい。

トランジスタ１２はクーロンカウンタ７から出力された電流平均値（デジタル信号）にしたがってフォトカプラ１０を駆動し、トランジスタ１３はプロセッサ４から出力されたコマンド（デジタル信号）等にしたがってフォトカプラ１１を駆動する。

絶縁通信回路５は、図２に示したフォトカプラ１０，１１のような光結合方式の信号絶縁素子を用いた構成に限定されるものではなく、磁気結合方式や容量結合方式の信号絶縁素子を用いて構成してもよい。

プロセッサ４は、不図示の記憶装置等に格納されたプログラムにしたがってクーロンカウンタ７から通知された電流値並びに分圧抵抗器２及び検出抵抗器１４の抵抗値を基に、二次電池１の端子間電圧を算出する。プロセッサ４には、記憶装置や各種の論理回路等から成る制御装置等を備えていてもよい。プロセッサ４には、例えば二次電池１の保護回路が備えるプロセッサを用いればよい。

このような構成において、二次電池１の端子間電圧は分圧抵抗器２と検出抵抗器１４とによって分圧される。

クーロンカウンタ７は、検出抵抗器１４の両端に発生する電位差（電圧）を検出抵抗器１４に流れる電流値として取り込み、該電流値を時間積分すると共に積分した値を積分時間で除算することで平均電流値を算出する。

さらに、クーロンカウンタ７は、該平均電流値をデジタル信号に変換し、絶縁通信回路５を介してプロセッサ４に対してシリアル通信方式により通知する。

プロセッサ４は、絶縁通信回路５から受信した平均電流値、並びに分圧抵抗器２及び検出抵抗器１４の抵抗値から、オームの法則に基づき二次電池１の端子間電圧を算出する。このような一連の処理により二次電池１の端子間電圧を測定できる。

本実施形態の電圧測定回路によれば、検出抵抗器に流れる電流値を測定し、該電流値を時間積分し、時間積分した電流値を積分時間で除算することで平均電流値）を求め、該平均値電流値を電圧値に換算する構成であるため、負荷１５で発生したノイズが検出抵抗器１４の両端に現れても、該ノイズが平均化によって低減される。そのため、ノイズの影響が抑制されて測定対象となる端子間の電圧を精度よく測定できる。

また、絶縁通信回路５により、クーロンカウンタ７とプロセッサ４間の双方向通信を可能にしつつ、負荷１５やクーロンカウンタ７を含むアナログ部の接地電位とプロセッサ４を含むデジタル部の接地電位とを分離しているため、負荷１５で発生したノイズによるデジタル部への悪影響が低減する。

そのため、駆動用機器や定置用機器等の負荷で発生するノイズの影響が低減されて安定した電圧測定が可能になる。また、二次電池１を含むアナログ部の接地電位とプロセッサ４を含むデジタル部の接地電位とを分離することでプロセッサ４を含むデジタル部の誤動作が抑制される。

一般に、二次電池１の端子間電圧を測定する場合、そのための電圧測定回路も二次電池から出力される電力で動作することになる。したがって、電圧測定回路はできるだけ消費電力が少ない回路構成であることが望ましい。

上述したように、クーロンカウンタ７は、元々、二次電池１の充放電電流の検出に用いる素子であり、二次電池１の保護回路で用いることを考慮して少ない消費電力で動作するよう設計されている。そのため、本実施形態の電圧測定回路では、上記電流検出手段、積分手段、平均値算出手段及びＡ／Ｄ変換手段としてクーロンカウンタ７を用いることで、電圧測定回路の消費電力の増大を抑制できる。

なお、図１に示すように、二次電池１の正極と分圧抵抗器２間にスイッチＳＷ１を設け、例えばプロセッサ４の指示により、電圧測定を実施しない待機時に該スイッチＳＷ１の接点間を遮断するように制御すれば、電圧測定回路の待機時における消費電力をさらに低減できる。スイッチＳＷ１は、二次電池１の負極と検出抵抗器１４間に設けてもよい。

また、高い出力電圧を得るために複数の二次電池を直列に接続して使用する用途では、図２に示したオペアンプを用いる構成や二次電池の端子間電圧が半導体装置に印加される構成を採用した場合、該オペアンプや半導体装置の最大電圧定格値を考慮して電圧測定回路の回路部品を選定する必要がある。本実施形態の電圧測定回路は、二次電池１の端子間に固定抵抗器２及び検出抵抗器１４が接続される構成であるため、固定抵抗器２や検出抵抗器１４の消費電力の最大定格値については考慮する必要がある。しかしながら、二次電池１の端子間電圧がオペアンプや半導体装置に印加される構成ではないため、回路部品の最大電圧定格値を考慮する必要が無く、回路部品の選択自由度が向上する。

１二次電池
２分圧抵抗器
４プロセッサ
５絶縁通信回路
６保護回路基板
７クーロンカウンタ
１０、１１フォトカプラ
１２、１３トランジスタ
１４検出抵抗器
１５負荷
ＳＷ１スイッチ

Claims

測定対象の２つの端子間の電圧を測定する電圧測定回路であって、
前記２つの端子と並列に接続された検出抵抗器と、
前記検出抵抗器に流れる電流値を測定する電流検出手段と、
前記電流検出手段で測定された前記電流値を時間積分する積分手段と、
前記積分手段で積分された電流値を積分時間で除算し、前記電流値の平均値である平均電流値を求める平均値算出手段と、
前記平均値算出手段で求めた前記平均電流値をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段でデジタル信号に変換された前記平均電流値及び前記検出抵抗器の抵抗値から前記２つの端子間の電圧の値を算出する演算手段と、
を有する電圧測定回路。
前記電流検出手段、前記積分手段、前記平均値算出手段及び前記Ａ／Ｄ変換手段の接地電位と前記演算手段の接地電位とを分離すると共に、前記Ａ／Ｄ変換手段と前記演算手段とを、前記デジタル信号に変換された前記平均電流値の伝送を可能に接続する絶縁通信手段をさらに有する請求項１記載の電圧測定回路。
前記端子のいずれか一方と前記検出抵抗器間に接続されたスイッチをさらに備え、
前記演算手段は、
電圧測定を実施しない待機時に前記スイッチをオフにする請求項１または２記載の電圧測定回路。
前記電流検出手段、前記積分手段、前記平均値算出手段及び前記Ａ／Ｄ変換手段が、クーロンカウンタで実現された請求項１から３のいずれか１項記載の電圧測定回路。
前記測定対象は、二次電池である請求項１から４のいずれか１項記載の電圧測定回路。
測定対象の２つの端子間の電圧を測定するための電圧測定方法であって、
電流検出手段が、前記２つの端子と並列に接続された検出抵抗器に流れる電流値を測定し、
積分手段が、前記電流検出手段で測定された前記電流値を時間積分し、
平均値算出手段が、前記積分手段で積分された電流値を積分時間で除算し、前記電流値の平均値である平均電流値を求め、
Ａ／Ｄ変換手段が、前記平均値算出手段で求めた前記平均電流値をデジタル信号に変換し、
演算手段が、前記Ａ／Ｄ変換手段でデジタル信号に変換された前記平均電流値及び前記検出抵抗器の抵抗値から前記２つの端子間の電圧の値を算出する電圧測定方法。
絶縁通信手段が、前記電流検出手段、前記積分手段、前記平均値算出手段及び前記Ａ／Ｄ変換手段の接地電位と前記演算手段の接地電位とを分離すると共に、前記Ａ／Ｄ変換手段と前記演算手段とを、前記デジタル信号に変換された前記平均電流値の伝送を可能に接続する請求項６記載の電圧測定方法。
前記端子のいずれか一方と前記検出抵抗器間にスイッチを設け、
前記演算手段が、
電圧測定を実施しない待機時に前記スイッチをオフにする請求項６または７記載の電圧測定方法。
前記電流検出手段、前記積分手段、前記平均値算出手段及び前記Ａ／Ｄ変換手段を、クーロンカウンタで実現する請求項６から８のいずれか１項記載の電圧測定方法。
前記測定対象が、二次電池である請求項６から９のいずれか１項記載の電圧測定方法。