JP2014016254A

JP2014016254A - セル電圧監視装置

Info

Publication number: JP2014016254A
Application number: JP2012154089A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kobayashi; 弘一小林
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2014-01-30

Abstract

【課題】コストの上昇及び応答性の低下を抑制しつつ、セル電圧の検出精度の向上を実現することの可能なセル電圧監視装置を提供する。
【解決手段】バッテリを構成する複数の電池セルの電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記電池セルの各々と前記Ａ／Ｄ変換器との接続を選択的に切替えるマルチプレクサと、前記Ａ／Ｄ変換器から得られるデジタル値を各電池セルのセル電圧値として処理する処理装置と、を備えたセル電圧監視装置において、前記処理装置は、前記Ａ／Ｄ変換器から得られるセル電圧値に基づいてノイズ周期を推定するノイズ周期推定手段と、前記ノイズ周期と異なるように前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周期を調整するサンプリング周期調整手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、セル電圧監視装置に関する。

一般的に、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両には、動力源となるモータに電力を供給する高電圧・大容量のバッテリが搭載されている。このモータ駆動用バッテリは、直列接続された複数のリチウムイオン電池或いは水素ニッケル電池等の電池セルから構成されている。

従来では、モータ駆動用バッテリを構成する各電池セルの充電状態（ＳＯＣ）が均等となるように、各電池セルの電圧検出結果に基づいて各電池セルの充放電制御（セルバランス制御）を行う。このセルバランス制御は、マイコン等の処理装置がデジタル的な処理によって行うものであるので、各電池セルの電圧検出結果をＡ／Ｄ変換する必要がある。

周知のように、Ａ／Ｄ変換では、サンプリング周波数の１／２以上の周波数成分によってエイリアシング誤差が発生する。モータ駆動用バッテリには、インバータ等の大電流で変動する負荷が接続されているため、各電池セルの電圧波形にノイズが重畳することにより、Ａ／Ｄ変換によって得られるセル電圧のデジタル値にエイリアシング誤差が発生する可能性がある。

特に、モータ駆動用バッテリとしてリチウムイオン電池を用いる場合、過充電状態となることを防止するために、実際よりもセル電圧を低く測定してしまうことを回避しなければならない。このため、例えば下記特許文献１及び２に記載されているように、従来のバッテリ用の電圧検出装置は、抵抗器とコンデンサとからなるＲＣフィルタをアンチエイリアスフィルタとして備えている。

特開２００９−１５０８６７号公報特開２００７−２４０２９９号公報

しかしながら、上記従来技術のように、エイリアシング誤差を十分にカットするような複雑な構成のアナログフィルタを適用しようとすると、部品コストの増加を招き、また、フィルタ回路のコンデンサ容量増による遅延時間の増加に起因して応答性が低下し、これによって断線検出時間が増加する等の問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、コストの上昇及び応答性の低下を抑制しつつ、セル電圧の検出精度の向上を実現することの可能なセル電圧監視装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、セル電圧監視装置に係る第１の解決手段として、バッテリを構成する複数の電池セルの電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記電池セルの各々と前記Ａ／Ｄ変換器との接続を選択的に切替えるマルチプレクサと、前記Ａ／Ｄ変換器から得られるデジタル値を各電池セルのセル電圧値として処理する処理装置と、を備えたセル電圧監視装置において、前記処理装置は、前記Ａ／Ｄ変換器から得られるセル電圧値に基づいてノイズ周期を推定するノイズ周期推定手段と、前記ノイズ周期と異なるように前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周期を調整するサンプリング周期調整手段とを備える、という手段を採用する。

また、本発明では、セル電圧監視装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記ノイズ周期推定手段は、前記Ａ／Ｄ変換器から得られるセル電圧値を前記マルチプレクサの選択切替えタイミングに対応付けて時系列的に並べることでノイズ波形を再現し、前記ノイズ波形から前記ノイズ周期を算出する、という手段を採用する。

また、本発明では、セル電圧監視装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記サンプリング周期調整手段は、前記ノイズ周期が、一定時間継続して前記サンプリング周期と等しい値或いは近似的な値であった場合、前記サンプリング周期に１より大きく且つ２以下の係数を乗算する、という手段を採用する。

また、本発明では、セル電圧監視装置に係る第４の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記サンプリング周期調整手段は、予め定義されている前記ノイズ周期と前記サンプリング周期との対応関係を示すテーブルデータを参照して、前記ノイズ周期推定手段にて推定された前記ノイズ周期に対応するサンプリング周期を取得する、という手段を採用する。

本発明によれば、Ａ／Ｄ変換器から得られるセル電圧値に基づいてノイズ周波数を推定し、前記ノイズ周波数と異なるように前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数を調整するので、ノイズ周波数がサンプリング周波数に同期した場合に、セル電圧を誤検出することを回避することができる。これにより、エイリアシング誤差を十分にカットするためのアナログフィルタ回路を削減することができるので、コストの上昇及び応答性の低下を抑制しつつ、セル電圧の検出精度の向上を実現できる。

本実施形態に係るセル電圧監視装置１のブロック構成図である。ノイズ周期推定部４ｂによるノイズ波形の再現処理を表す図（ａ）と、再現されたノイズ波形の一例（ｂ）である従来におけるエイリアシング誤差の発生原理を表す図（ａ）と、本実施形態によって得られるエイリアシング誤差の低減効果を表す図（ｂ）である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るセル電圧監視装置１のブロック構成図である。このセル電圧監視装置１は、バッテリＢＴを構成する直列接続されたｎ個の電池セルＣ１〜Ｃｎの各端子間電圧（以下、セル電圧と称す）を監視するものであり、電池セルＣ１〜Ｃｎの各々の後段に個別に設けられたフィルタ回路ＦＬ１〜ＦＬｎと、マルチプレクサ２と、Ａ／Ｄ変換器３と、ＣＰＵ(Central Processing Unit)４とを備えている。

電池セルＣ１〜Ｃｎの各々は、各フィルタ回路ＦＬ１〜ＦＬｎを介してマルチプレクサ２と接続されている。各フィルタ回路ＦＬ１〜ＦＬｎは、各セル電圧に重畳するノイズ成分を低減するために設けられたローパスフィルタであるが、後述のように、ＣＰＵ４がノイズ周期Ｔnoと異なるようにＡ／Ｄ変換器３のサンプリング周期Ｔsmを調整するので、エイリアシング誤差を十分にカットするような複雑な構成のアナログフィルタ回路でなくとも良い。

マルチプレクサ２は、ＣＰＵ４から入力される選択切替えタイミングを規定する選択タイミング信号に同期して、電池セルＣ１〜Ｃｎの各々とＡ／Ｄ変換器３との接続を選択的に順次切替える。Ａ／Ｄ変換器３は、マルチプレクサ２の出力電圧、つまりマルチプレクサ２によって順次接続された電池セルＣ１〜Ｃｎの各々のセル電圧をデジタル値に変換してＣＰＵ４に出力する。このＡ／Ｄ変換器３のサンプリング周期Ｔsmは、後述のＣＰＵ４による制御によって任意の値に調整可能となっている。

ＣＰＵ４は、入出力インターフェイスやメモリ、ＣＰＵコア等が一体的に組み込まれた処理装置であり、Ａ／Ｄ変換器３から得られるデジタル値を各電池セルＣ１〜Ｃｎのセル電圧値として処理するものである。このＣＰＵ４は、内部メモリに記憶されたプログラムの実行によって実現される機能として、電圧監視処理部４ａ、ノイズ周期推定部４ｂ（ノイズ周期推定手段）及びサンプリング周期調整部４ｃ（サンプリング周期調整手段）を備えている。

電圧監視処理部４ａは、Ａ／Ｄ変換器３から得られるセル電圧値に基づいて各電池セルＣ１〜Ｃｎの充電状態を監視するものである。ノイズ周期推定部４ｂは、Ａ／Ｄ変換器３から得られるセル電圧値に基づいてノイズ周期Ｔnoを推定し、その推定結果をサンプリング周期調整部４ｃに出力する。サンプリング周期調整部４ｃは、ノイズ周期推定部４ｂにて推定されたノイズ周期Ｔnoと異なるように、Ａ／Ｄ変換器３のサンプリング周期Ｔsmを調整する。

以下、上記のように構成されたセル電圧監視装置１の動作について説明する。
マルチプレクサ２は、ＣＰＵ４から入力される選択タイミング信号に同期して、電池セルＣ１〜Ｃｎの各々とＡ／Ｄ変換器３との接続を選択的に順次切替える。ＣＰＵ４のノイズ周期推定部４ｂは、マルチプレクサ２によって１番目の電池セルＣ１とＡ／Ｄ変換器３とが接続されたタイミング（選択切替えタイミングｔ１）で、Ａ／Ｄ変換器３から入力されるデジタル値を電池セルＣ１のセル電圧値Ｖ１（ｔ１）として取得する。

そして、ノイズ周期推定部４ｂは、電池セルＣ１のセル電圧値Ｖ１（ｔ１）から直流成分を除去したＶ１a（ｔ１）を求めた後、選択切替えタイミングｔ１とセル電圧値Ｖ１a（ｔ１）とを対応付けて内部メモリに記憶する。なお、セル電圧値Ｖ１（ｔ１）から直流成分を除去するには、デジタルハイパスフィルタを用いるか、或いは所定時間幅の電圧平均値を算出してセル電圧値Ｖ１（ｔ１）から減算すれば良い。

続いて、ノイズ周期推定部４ｂは、マルチプレクサ２によって２番目の電池セルＣ２とＡ／Ｄ変換器３とが接続されたタイミング（選択切替えタイミングｔ２）で、Ａ／Ｄ変換器３から入力されるデジタル値を電池セルＣ２のセル電圧値Ｖ２（ｔ２）として取得する。そして、ノイズ周期推定部４ｂは、電池セルＣ２のセル電圧値Ｖ２（ｔ２）から直流成分を除去したＶ２a（ｔ２）を求めた後、選択切替えタイミングｔ２とセル電圧値Ｖ２a（ｔ２）とを対応付けて内部メモリに記憶する。直流成分を除去する方法は上記と同様である。

ノイズ周期推定部４ｂは、上記と同様な処理を最後の電池セルＣｎまで実施することにより、マルチプレクサ２の各選択切替えタイミングｔ１〜ｔｎに対応するセル電圧値Ｖ１（ｔ１）〜Ｖｎ（ｔｎ）を取得し、直流成分を除去した各セル電圧値Ｖ１a（ｔ１）〜Ｖｎa（ｔｎ）を内部メモリに記憶する。なお、マルチプレクサ２は、最後の電池セルＣｎをＡ／Ｄ変換器３に接続した後、次の選択切替えタイミングで、再度、１番目の電池セルＣ１をＡ／Ｄ変換器３に接続する。

つまり、１番目の電池セルＣ１が選択されてから、再度１番目の電池セルＣ１が選択されるまでの時間を全セル電圧検出周期Ｔsとすると、選択切替えタイミングｔ１で１番目の電池セルＣ１が選択された場合、再度１番目の電池セルＣ１が選択される選択切替えタイミングはｔ１＋Ｔsとなる。ノイズ周期推定部４ｂは、全セル電圧検出周期Ｔsの数周期分に亘って、選択切替えタイミングとセル電圧値とを対応付けて内部メモリに記憶する。

上記の動作を図２（ａ）に示す。図２（ａ）において、Ｖ１（ｔ）は時間関数である電池セルＣ１のセル電圧値を示し、Ｖ２（ｔ）は時間関数である電池セルＣ２のセル電圧値を示し、Ｖｎ（ｔ）は時間関数である電池セルＣｎのセル電圧値を示している。なお、図示する都合上、図２（ａ）には記載しないが、内部メモリに記憶されたセル電圧値Ｖ１a（ｔ１）〜Ｖｎa（ｔｎ）は、上述したように、Ｖ１（ｔ１）〜Ｖｎ（ｔｎ）からそれぞれの直流成分を除去したものである。

続いて、ノイズ周期推定部４ｂは、図２（ｂ）に示すように、内部メモリに記憶されたセル電圧値Ｖ１a（ｔ１）〜Ｖｎa（ｔｎ）を選択切替えタイミングに対応付けて時系列的に並べることでノイズ波形を再現する。ノイズ周期推定部４ｂは、再現したノイズ波形からノイズ周期Ｔnoを算出し、その算出結果をサンプリング周期調整部４ｃに出力する。なお、ノイズ周期算出方法は、ピーク間の時間差を求めたり、相関関数を使う方法等があるが、本発明はこれらに限定されるものではない。

サンプリング周期調整部４ｃは、ノイズ周期Ｔnoと異なるようにＡ／Ｄ変換器３のサンプリング周期Ｔsmを調整する。具体的には、サンプリング周期調整部４ｃは、ノイズ周期Ｔnoが、一定時間継続してサンプリング周期Ｔsmと等しい値或いは近似的な値であった場合、サンプリング周期Ｔsmに１より大きく且つ２以下の係数（例えば１．５）を乗算する。

図３（ａ）に示すように、仮に、サンプリング周期Ｔsmとセル電圧波形のノイズ周期Ｔnoとが等しく、且つセル電圧波形とサンプリングタイミングとの位相差が２７０°の場合、Ａ／Ｄ変換値（セル電圧値）を真値より常に低く誤検出してしまう。このような場合には、図３（ｂ）に示すように、例えばサンプリング周期Ｔsmを１．５倍とすることにより、エイリアシング誤差の発生を抑制し、Ａ／Ｄ変換値（セル電圧値）を真値に近づけることができる。

以上のように、本実施形態によれば、Ａ／Ｄ変換器３から得られるセル電圧値に基づいてノイズ周期Ｔnoを推定し、ノイズ周期Ｔnoと異なるようにＡ／Ｄ変換器３のサンプリング周期Ｔsmを調整するので、ノイズ周期Ｔnoがサンプリング周期Ｔsmに同期した場合にセル電圧を誤検出することを回避することができる。これにより、エイリアシング誤差を十分にカットするような複雑な構成のアナログフィルタ回路を削減することができるので、コストの上昇及び応答性の低下を抑制しつつ、セル電圧の検出精度の向上を実現できる。

なお、上記実施形態において、サンプリング周期調整部４ｃは、サンプリング周期Ｔsmに１より大きく且つ２以下の係数を乗算することでサンプリング周期Ｔsmを調整する場合を例示したが、予め定義されているノイズ周期Ｔnoとサンプリング周期Ｔsmとの対応関係を示すテーブルデータを参照して、ノイズ周期推定部４ｂにて推定されたノイズ周期Ｔnoに対応するサンプリング周期Ｔsmを取得しても良い。また、上記実施形態におけるフィルタ回路ＦＬ１〜ＦＬｎは、必ずしも設ける必要はないが、これらを設けることにより、セル電圧の検出精度のさらなる向上を実現できる。

１…セル電圧監視装置、２…マルチプレクサ、３…Ａ／Ｄ変換器、４…ＣＰＵ（処理装置）、４ａ…電圧監視処理部、４ｂ…ノイズ周期推定部（ノイズ周期推定手段）、４ｃ…サンプリング周期調整部（サンプリング周期調整手段）、ＦＬ１〜ＦＬｎ…フィルタ回路、Ｃ１〜Ｃｎ…電池セル、ＢＴ…バッテリ

Claims

バッテリを構成する複数の電池セルの電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記電池セルの各々と前記Ａ／Ｄ変換器との接続を選択的に切替えるマルチプレクサと、前記Ａ／Ｄ変換器から得られるデジタル値を各電池セルのセル電圧値として処理する処理装置と、を備えたセル電圧監視装置において、
前記処理装置は、前記Ａ／Ｄ変換器から得られるセル電圧値に基づいてノイズ周期を推定するノイズ周期推定手段と、
前記ノイズ周期と異なるように前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周期を調整するサンプリング周期調整手段と、
を備えることを特徴とするセル電圧監視装置。
前記ノイズ周期推定手段は、前記Ａ／Ｄ変換器から得られるセル電圧値を、前記マルチプレクサの選択切替えタイミングに対応付けて時系列的に並べることでノイズ波形を再現し、その再現したノイズ波形から前記ノイズ周期を算出することを特徴とする請求項１に記載のセル電圧監視装置。
前記サンプリング周期調整手段は、前記ノイズ周期が、一定時間継続して前記サンプリング周期と等しい値或いは近似的な値であった場合、前記サンプリング周期に１より大きく且つ２以下の係数を乗算することを特徴とする請求項１または２に記載のセル電圧監視装置。
前記サンプリング周期調整手段は、予め定義されている前記ノイズ周期と前記サンプリング周期との対応関係を示すテーブルデータを参照して、前記ノイズ周期推定手段にて推定された前記ノイズ周期に対応するサンプリング周期を取得することを特徴とする請求項１または２に記載のセル電圧監視装置。