JP2013072711A

JP2013072711A - 電圧検出回路

Info

Publication number: JP2013072711A
Application number: JP2011211210A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Kamo; 光広加茂; Yusuke Kozuka; 悠介小塚
Original assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-04-22
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: JP5779060B2

Abstract

【課題】電圧を検出する回路自体が故障した場合においても、二次電池の異常やサンプリングスイッチの閉故障等による異常電圧を確実に検出する。
【解決手段】電圧計測回路１４を過電圧から保護する保護回路に、過電圧を検出する回路を付加して回路１１とする。回路１１では過電圧を検出すると、電圧計測回路１４を介することなく信号線１００を用いて過電圧検出信号をマイコン１６に供給する。マイコン１６は、信号線１００からの過電圧検出信号により、電圧計測回路１４によらずに異常電圧状態を判定する。
【選択図】図３

Description

本発明は電圧検出回路に関する。

電動機により車両駆動力を得ている電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両は、二次電池を搭載し、この二次電池に蓄積された電力により電動機を駆動する。電動車両は、回生制動、すなわち車両制動時に電動機を発電機として機能させ、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換することにより制動する機能を備える。変換された電気エネルギは二次電池に戻され、加速を行う時等に再利用される。

二次電池は、過放電あるいは過充電を行うと電池性能を劣化させることになるため、二次電池の充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）を把握して充電あるいは放電を制御する必要がある。例えば、ハイブリッド自動車においては、二次電池が回生電力を受け入れられるように、また要求があれば直ちに電動機に対して電力を供給できるようにするために、その充電状態を満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）と、全く蓄電されていない状態（ＳＯＣ＝０％）のおよそ中間付近（ＳＯＣ＝５０％〜６０％）に制御される。従って、二次電池のＳＯＣは高精度に検出することが必要であり、このためには二次電池の電圧を正確に検出する必要がある。

二次電池の電圧は、フライングキャパシタを用いて検出することができる。すなわち、二次電池の両端に入力側サンプリングスイッチを介してフライングキャパシタを接続し、かつ、フライングキャパシタに出力側サンプリングスイッチを介して差動増幅回路を接続する。そして、まず、入力側サンプリングスイッチをオンして二次電池の電圧をフライングキャパシタにホールドする。次に、入力側サンプリングスイッチをオフし、出力側サンプリングスイッチをオンにしてフライングキャパシタに蓄電された電圧を差動増幅回路の非反転入力端子及び反転入力端子に供給し、差動増幅回路で２つの入力端子間の電位差を検出することでフライングキャパシタの電圧、すなわち二次電池の電圧を検出する。具体的には、差動増幅回路からの出力電圧を演算回路あるいはＣＰＵ（マイコン）に供給し、マイコンで出力電圧を読み取る。

下記の特許文献１には、マルチプレクサを構成するサンプリングスイッチの閉故障を検出することを課題として、サンプリングスイッチを１個だけ導通した状態での差動増幅回路の出力電圧値が０Ｖ近傍の適正範囲外となる場合、又は、計測した電池モジュールの電圧が所定の異常値となる場合に、サンプリングスイッチの閉故障可能性ありと判定する技術が開示されている。

特許第３６２７９２２号

しかしながら、上記の従来技術では、差動増幅回路を含む電圧検出回路で検出された電圧値に基づいてサンプリングスイッチの閉故障を検出しているため、電圧検出回路自体が故障した場合にはサンプリングスイッチの閉故障を検出することができない問題がある。特に、電圧検出回路は、高電圧である二次電池の電圧を測定するため、高い抵抗値の抵抗を用いざるを得ない。抵抗の抵抗値が高い場合、リークの発生や周辺環境により、当該抵抗値が所定の抵抗値より低くなり、正確な電圧を計測できなくなる場合がある。

本発明は、たとえ電圧を検出する回路自体が故障した場合においても、二次電池の異常やサンプリングスイッチの閉故障等による異常電圧を検出することができる回路を提供することにある。

本発明は、二次電池の電圧検出回路であって、前記二次電池の両端子に入力側スイッチを介して接続され、前記二次電池により充電されるキャパシタと、前記キャパシタに出力側スイッチを介して接続され、前記キャパシタの端子電圧を計測することで前記二次電池の電圧を計測する電圧計測回路と、前記入力側スイッチと前記電圧計測回路の間に接続され、前記電圧計測回路を異常電圧から保護する保護回路と、前記保護回路に接続され、前記異常電圧を検出する検出回路を備えることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記検出回路は、前記保護回路に流れる電流を検出する電流検出回路である。

また、本発明の他の実施形態では、前記保護回路は、前記キャパシタに並列に接続される、互いに逆向きに直列接続される一対のツェナーダイオード又は一対のバリスタを備え、前記電流検出回路は、異常電圧の場合に前記一対のツェナーダイオード又は前記一対のバリスタに流れる電流を検出する。

また、本発明の他の実施形態では、前記電流検出回路は、前記一対のツェナーダイオード又は前記一対のバリスタに流れる電流により発光する発光素子と、前記発光素子により発光した光を受光する受光素子とを備える。

本発明によれば、たとえ電圧計測回路自体が故障した場合においても、二次電池の異常やスイッチの閉故障等による異常電圧を確実に検出することができる。

実施形態の前提となる基本回路構成図である。実施形態の前提となる基本回路構成図である。実施形態の回路構成図である。実施形態の回路構成図である。実施形態の回路構成図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

まず、本実施形態において前提となる基本回路について説明する。図１に、本実施形態におけるフライングキャパシタ式電圧検出回路の基本回路構成を示す。二次電池は組電池であり、複数の電池ブロックを直列接続して構成される。図では、電池ブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ３を例示的に示すが、電池ブロックの数はこれに限定されるものではない。各電池ブロックは、複数の電池モジュールを直列接続して構成され、各電池モジュールはさらに１つまたは複数の単電池（セル）を直列接続して構成される。二次電池は、電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両に搭載される。二次電池は、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等である。また、本発明では二次電池は組電池に限定されず、単電池であってもよい。

電池ブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ３には、バスを介してそれぞれ入力側サンプリングスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４が接続される。すなわち、電池ブロックＢ１の負極端子にはバスを介して入力側サンプリングスイッチＳＷ１が接続され、電池ブロックＢ１の正極端子及び電池ブロックＢ２の負極端子にはバスを介して入力側サンプリングスイッチＳＷ２が接続される。また、電池ブロックＢ２の正極端子及び電池ブロックＢ３の負極端子にはバスを介して入力側サンプリングスイッチＳＷ３が接続される。また、電池ブロックＢ３の正極端子にはバスを介して入力側サンプリングスイッチＳＷ４が接続される。

入力側サンプリングスイッチＳＷ１及びＳＷ３は、ともにフライングキャパシタ１２の一方の端子に接続され、入力側サンプリングスイッチＳＷ２及びＳＷ４は、ともにフライングキャパシタ１２の他方の端子に接続される。入力側サンプリングスイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、例えばＳＳＲ（ソリッドステートリレー）で構成される。

また、フライングキャパシタ１２の一方の端子は出力側サンプリングスイッチＳＷａを介して電圧計測回路１４に接続され、フライングキャパシタ１２の他方の端子は出力側サンプリングスイッチＳＷｂを介して電圧計測回路１４に接続される。

電圧計測回路１４は、差動増幅器を含み、差動増幅回路の一方の端子にフライングキャパシタ１２の一方の端子が接続され、差動増幅回路の他方の端子にフライングキャパシタ１２の他方の端子が接続され、フライングキャパシタ１２の両端子間の電圧が算出される。差動増幅回路の出力はマイコン１６に供給される。マイコン１６は、アナログデジタルコンバータＡ／Ｄを備え、電圧計測回路１４からのアナログ出力をデジタルの電圧値に変換する。電圧値は適宜所定値と大小比較される。また、入力側サンプリングスイッチＳＷ１〜ＳＷ４とフライングキャパシタ１２との間には、電圧計測回路１４を過電圧から保護するための保護回路１０が接続される。

このような構成において、電池ブロックＢ１〜Ｂ３の電圧が順次検出される。すなわち、まず、電池ブロックＢ１の電圧を検出する際には、ＳＷ１，ＳＷ２をオンし、他のスイッチをオフする。これにより、電池ブロックＢ１の電圧によりフライングキャパシタ１２が充電され、電池ブロックＢ１の電圧がホールドされる。フライングキャパシタ１２を充電した後、ＳＷ１，ＳＷ２をオフし、出力側サンプリングスイッチＳＷａ，ＳＷｂをオンにすることでフライングキャパシタ１２と電圧計測回路１４が接続され、高圧の組電池と電圧計測回路１４とが電気的に遮断された状態で電池ブロックＢ１の電圧が検出される。

また、電池ブロックＢ２の電圧を検出する際には、ＳＷ２，ＳＷ３をオンしてフライングキャパシタ１２を充電し、その後、ＳＷ２，ＳＷ３をオフしＳＷａ，ＳＷｂをオンにして同様に電圧計測回路１４で電池ブロックＢ２の電圧を検出する。電池ブロックＢ３の電圧を検出する際には、ＳＷ３，ＳＷ４をオンしてフライングキャパシタ１２を充電し、その後、ＳＷ３，ＳＷ４をオフしＳＷａ、ＳＷｂをオンにして同様に電圧計測回路１４で電池ブロックＢ３の電圧を検出する。

マイコン１６は、検出されたそれぞれの電圧を所定の閾値と大小比較し、所定の閾値以上であれば異常電圧と判定して異常信号を出力する。電池ブロックのいずれか、あるいはサンプリングスイッチＳＷ１〜ＳＷ４のいずれかが閉故障となった場合には、異常電圧が検出される。

図２に、図１の回路構成の具体例を示す。フライングキャパシタ１４は、互いに直列接続された２個のキャパシタ１２ａ、１２ｂから構成される。すなわち、キャパシタ１２ａの一方の端子はＳＷ１，ＳＷ３に接続され、キャパシタ１２ａの他方の端子はキャパシタ１２ｂの一方の端子に接続され、キャパシタ１２ｂの他方の端子はＳＷ２，ＳＷ４に接続される。

また、保護回路１２は、互いに逆方向に直列接続された２つのツェナーダイオード１０ａ、１０ｂから構成される。すなわち、ツェナーダイオード１０ａのカソード端子はＳＷ１，ＳＷ３に接続され、ツェナーダイオード１０ａのアノード端子はツェナーダイオード１０ｂのアノード端子に接続され、ツェナーダイオード１０ｂのカソード端子はＳＷ２，ＳＷ４に接続される。通常の範囲内の電圧が印加された場合、この保護回路１０には電流は流れないが、通常の範囲を超える異常電圧（過電圧）が印加された場合、この保護回路１０に電流が流れるとともにツェナーダイオード１０ａ、１０ｂによりその端子電圧が一定値に維持される。このとき、電圧計測回路１４で検出される電圧もある上限の一定値に維持されることとなり、マイコン１６はこの状態を検知することで異常電圧であると判定する。

本実施形態は、以上のような電圧計測回路１４を保護する保護回路１０を備えた電圧検出回路を前提とし、この回路に、電圧計測回路１４とは別に異常電圧を検出する回路を付加したものである。

すなわち、図１及び図２の回路では、電圧計測回路１４で検出される電圧値に基づいてマイコン１６が異常電圧か否かを判定しているため、電圧計測回路１４自体が故障してしまうと、マイコン１６は正確に異常電圧が生じているか否かを判定することができない。
本実施形態では、たとえ電圧計測回路１４自体に故障が生じても、二次電池の異常あるいは入力側サンプリングスイッチの閉故障による異常を確実に検出すべく、電圧計測回路１４とは別個に、あるいは電圧計測回路１４とは独立に異常電圧を検出する回路を備える。

図３に、本実施形態における電圧検出回路の回路構成を示す。図１に示された回路構成と比較すると、過電圧保護回路１０に代えて、過電圧保護回路と過電圧検出回路からなる回路１１が付加されている。すなわち、本実施形態では、過電圧保護回路１０に、過電圧検出回路の機能を付加したものである。回路１１は、電圧計測回路１４に過電圧が印加されることを抑制するとともに、過電圧を検出するとその検出信号をマイコン１６に対して出力する。この検出信号は、信号線１００を介してマイコン１６に送信される。信号線１００は、電圧計測回路１４を介することなくマイコン１６に供給される。従って、回路１１で検出された過電圧検出信号は、電圧計測回路１４の動作状態によらずにマイコン１６に供給されるので、たとえ電圧計測回路１４自体が故障していても、マイコン１６はこの信号線１００から送信される過電圧検出信号に基づいて異常電圧を判定することが可能である。

マイコン１６には、電圧計測回路１４で検出された電圧信号と、回路１１で検出され信号線１００を介して送信された過電圧検出信号が供給される。従って、これら２つの信号は冗長系を構成し、いずれか一方が故障しても他方の信号により異常電圧を判定することができる。通常、マイコン１６は、電圧計測回路１４で検出された電圧信号に基づいて電池ブロックの電圧を監視して異常電圧であるか否かを判定するが、信号線１００から過電圧検出信号が送信された場合には、この過電圧検出信号に基づいて異常電圧と判定する。要するに、信号線１００から過電圧検出信号が送信されない場合には電圧計測回路１４で検出された電圧信号に基づいて判定し、信号線１００から過電圧検出信号が送信された場合には電圧計測回路１４で検出された電圧値によらずに異常電圧と判定する。よって、仮に、電圧計測回路１４が故障したとしても、マイコン１６は、信号線１００から送信される過電圧検出信号に基づいて異常電圧を確実に検出することができる。

図４に、図３における過電圧保護回路及び過電圧検出回路１１の回路構成を示す。過電圧検出回路として、電流検出回路１１ａが設けられる。この電流検出回路１１ａは、過電圧保護回路１０として機能する２つのツェナーダイオード１０ａ、１０ｂの間、すなわち、ツェナーダイオード１０ａのアノード端子とツェナーダイオード１０ｂのアノード端子の接続節点に設けられる。

上述したように、一定電圧以上の過電圧が印加されると、ツェナーダイオード１０ａ、１０ｂには電流が流れ始める。電流検出回路１１ａは、この過電圧により生じる電流を検出して信号線１００を介して過電圧検出信号をマイコン１６に送信する。

図５に、図３及び図４の回路構成をより具体的に示す。過電圧検出回路としての電流検出回路１１ａは、ツェナーダイオード１０ａ、１０ｂの間に設けられる一対のツェナーダイオード１１ａ１、１１ａ２と、一対のツェナーダイオード１１ａ、１１ａ２と並列に接続された一対の発光素子１１ａ３、一対の発光素子からの光を受光する受光素子１１ａ４、受光素子の一端に接続される電源１１ａ５から構成される。一対のツェナーダイオード１１ａ１、１１ａ２は、そのアノード端子が互いに接続される。測定対象である電池ブロックに異常が生じる、あるいは入力側サンプリングスイッチＳＷ１〜ＳＷ４のいずれかが閉故障して短絡することにより適正電圧範囲を超える過電圧が印加されてツェナーダイオード１０ａ、１０ｂに電流が流れると、同様にツェナーダイオード１１ａ１、１１ａ２にも電流が流れ、これと並列に接続された一対の発光素子１１ａ３のいずれか一方にも電流が流れて発光する。この発光は受光素子１１ａ４で受光され、受光素子１１ａ４に電流が流れる。受光素子１１ａ４の一端には抵抗及び信号線１００が接続されており、受光素子１１ａ４で受光して通電したことによる電圧信号が出力される。受光素子１１ａ４は、フォトダイオードやフォトトランジスタである。図では、フォトトランジスタを用いた場合を示す。また、発光素子１１ａ３は発光ダイオードで構成され、発光素子１１ｓ３と受光素子１１ａ４はフォトカプラを構成する。

図５における電流検出回路１１ａは、発光素子１１ａ３と受光素子１１ａ４を含み、これらの素子は電気的に絶縁された状態であるため、電池ブロックの絶対電圧から絶縁した状態で過電圧検出信号をマイコン１６に送信することができる。

以上のように、本実施形態では、電圧計測回路１４とは別に、かつ、電圧計測回路１４に過電圧が印加されることを抑制する過電圧保護回路内に過電圧検出回路を設け、この過電圧検出回路からマイコン１６に過電圧を検出したことを示す信号を供給する構成であるため、電圧計測回路１４と過電圧検出回路は過電圧に対する冗長系を構成する。また、電圧計測回路１４は、高電圧である二次電池の電圧を測定するために高い抵抗値の抵抗を用いるが、抵抗の抵抗値が高い場合、リークの発生や周辺環境により当該抵抗値が所定の抵抗値より低くなり、正確な電圧を計測できなくなるという故障が生じる場合が多い。一方、過電圧保護回路内の過電圧検出回路では、抵抗の抵抗値を電圧計測回路１４に比して低く設定できるので、故障のリスクが低い。このため、たとえ電圧計測回路１４が故障しても二次電池の異常あるいは入力側サンプリングスイッチの閉故障による異常電圧を確実に検出することができる。

なお、本実施形態では、過電圧検出回路として電流検出回路１１ａを用いているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、過電圧状態を検出できるものであれば任意の回路を用いることができる。なお、上記実施形態では、電圧計測回路１４で検出された電圧信号と、回路１１で検出された過電圧検出信号の２つで異常電圧を判定しているが、電圧計測回路１４での異常電圧の判定を行わない形態も、本実施形態に含まれる。電圧計測回路１４は、高電圧である二次電池の電圧を測定するために高い抵抗値の抵抗を用いる必要があるが、抵抗の抵抗値が高い場合、リークの発生や周辺環境により、当該抵抗値が所定の抵抗値より低くなり、正確な電圧を計測できなくなるという故障が生じる場合が多い。一方、回路１１では、抵抗の抵抗値を電圧計測回路１４に比して低く設定できるので、そのような故障のリスクが低い。このため、電圧計測回路１４による異常電圧の判定を行わなくても、異常電圧の検出との効果を確実に奏することができる。

また、本実施形態では、過電圧保護回路１０として一対のツェナーダイオード１０ａ、１０ｂを用いているが、これに限定されるものではなく、一対のバリスタ等を用いてもよい。但し、過電圧保護回路１０と過電圧検出回路は、一体として機能することが望ましい。すなわち、過電圧保護回路が動作すると、これに応じて過電圧検出回路も連動して動作し、過電圧検出信号を信号線１００からマイコン１６に送信することが望ましい。また、本実施形態では、回路１１（過電圧保護回路と過電圧検出回路）を入力側サンプリングスイッチＳＷ１〜ＳＷ４とフライングキャパシタ１２との間に設けているが、回路１１の位置は本実施形態に限定されず、入力側サンプリングスイッチＳＷ１〜ＳＷ４と電圧計測回路１４の間に設ければよい。例えば、回路１１をフライングキャパシタ１２と出力側サンプリングスイッチＳＷａ，ＳＷｂの間に設けてもよいし、出力側サンプリングスイッチＳＷａ、ＳＷｂと電圧計測回路１４の間に設けてもよい。

１０過電圧保護回路、１１過電圧保護回路及び過電圧検出回路、１１ａ電流検出回路、１２フライングキャパシタ、１４電圧計測回路、１６マイコン。

Claims

二次電池の電圧検出回路であって、
前記二次電池の両端子に入力側スイッチを介して接続され、前記二次電池により充電されるキャパシタと、
前記キャパシタに出力側スイッチを介して接続され、前記キャパシタの端子電圧を計測することで前記二次電池の電圧を計測する電圧計測回路と、
前記入力側スイッチと前記電圧計測回路の間に接続され、前記電圧計測回路を異常電圧から保護する保護回路と、
前記保護回路に接続され、前記異常電圧を検出する検出回路と、
を備えることを特徴とする電圧検出回路。
請求項１記載の電圧検出回路において、
前記検出回路は、前記保護回路に流れる電流を検出する電流検出回路である
ことを特徴とする電圧検出回路。
請求項２記載の電圧検出回路において、
前記保護回路は、前記キャパシタに並列に接続される、互いに逆向きに直列接続される一対のツェナーダイオード又は一対のバリスタを備え、
前記電流検出回路は、異常電圧の場合に前記一対のツェナーダイオード又は前記一対のバリスタに流れる電流を検出する
ことを特徴とする電圧検出回路。
請求項３記載の電圧検出回路において、
前記電流検出回路は、
前記一対のツェナーダイオード又は前記一対のバリスタに流れる電流により発光する発光素子と、
前記発光素子により発光した光を受光する受光素子と、
を備えることを特徴とする電圧検出回路。