JP2014098643A

JP2014098643A - 電圧測定回路

Info

Publication number: JP2014098643A
Application number: JP2012250890A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kobayashi; 靖洋小林
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-05-29
Also published as: CN104813178A; US20160264015A1; WO2014077049A1

Abstract

【課題】暗電流低減用リレーのON時に発生するサージ電圧に対する電圧測定用の分圧抵抗の耐性を小さくできるようにしてコストを低減可能にした電圧測定回路を提供する。
【解決手段】電圧測定回路は、高電圧の電源と、高電圧を分圧する複数の分圧抵抗3〜7と、これらの複数の分圧抵抗3〜7で低電圧に下げられた電圧を測定する電圧測定部11と、複数の分圧抵抗3〜7間に直列に接続された暗電流低減用リレー8と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧測定回路に関する。

従来の電圧測定回路としては、特許文献１に記載のものが知られている。
この従来の電圧測定回路は、電気自動車やハイブリッド自動車の電力源として用いられる電池の電圧を複数の分圧抵抗で分圧して電池の電圧を測定している。

一方、特許文献２に記載の従来の回路では、電池と暗電流の遮断を必要とする電子制御装置との間に第１のキープリレーを設置し、電池と暗電流の遮断を必要としない電子制御装置との間に第２のキープリレーを設置し、また、各電子制御装置を接続する配線上にシャント抵抗を設置している。そして、イグニッション・スイッチが長期間オンとされない場合には、第１のキープリレーを遮断することにより、暗電流に起因したバッテリ上がりを防止する。また、各電子制御装置にて過電流が発生した場合には、シャント抵抗によりこれを検出し、各キープリレーを遮断することにより、過電流による回路、及び配線の損傷を防止するようにしている。

特開２０１０−１９６０３号公報特開２００３−４００５０号公報

しかしながら、上記従来の電圧測定回路には以下に説明するような問題がある。
特許技術文献1に記載のように分圧抵抗を用いて電池の高電圧を低くして電圧を測定する電圧測定回路に、特許文献２に記載のように暗電流を低減するため、電池と分圧抵抗との間に挿入した暗電流低減用リレーを組み合わせたものが従来から使用されている。
この場合、暗電流低減用リレーのON時にサージ電圧が発生し、このサージ電圧が最も高電位側の抵抗にかかるため、この抵抗には耐圧が高いものを用いなければならなかった。
このため、高価な抵抗の使用を余儀なくされ、電圧測定回路のコストが高くならざるを得ないといった問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、暗電流低減用リレーのON時に発生するサージ電圧に対する電圧測定用の分圧抵抗の耐性を小さくできるようにして、コストを低減可能にした電圧測定回路を提供することにある。

この目的のため本発明による電圧測定回路は、
高電圧入力端子と、
高電圧を分圧する複数の分圧抵抗と、
これらの複数の分圧抵抗で低電圧に下げられた電圧を測定する電圧測定部と、
上記複数の分圧抵抗間に直列に接続された暗電流低減用スイッチ回路と、
を備えたことを特徴とする。

また、好ましくは、暗電流低減用スイッチ回路が複数の分圧抵抗の中央または中央側に接続されている、
ことを特徴とする。

また、好ましくは、高電圧入力端子が電気自動車またはハイブリッド自動車の電池に接続される、
ことを特徴とする。

本発明の電圧測定回路にあっては、暗電流低減用リレーが複数の分圧抵抗間に直列に接続されるので、暗電流低減用リレーのON時に分圧抵抗の両端に発生するサージ電圧を小さくすることができる。したがって、その分、耐性を低くした分圧抵抗を用いることができ、この結果、電圧測定回路のコストを低減することができる。

また、暗電流低減用リレーが複数の分圧抵抗の中央または中央側に接続されるようにしたので、暗電流低減用リレーのON時に発生するサージ電圧を、最も低減することができる。

また、高電圧入力端子を電気自動車またはハイブリッド自動車の電池に接続するようにしたので、電気自動車やハイブリッド自動車（プラグ・イン・ハイブリッド自動車を含む）の電池の電圧測定回路に最適である。

本発明の実施例１の電圧測定回路を示す図である。図である。暗電流低減用リレーをONにした場合の、暗電流低減用リレーの近くに配置された第１分圧抵抗と第２分圧抵抗の両端電圧の変化を従来技術のものと実施例１のものとで比較して示した図である。暗電流低減用リレーをONにした場合の、従来技術のものと実施例１において暗電流低減用リレーの位置を変えたものとで暗電流低減用リレーのサージ電圧を比較して示した図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。

まず、実施例１の電圧測定回路の全体構成を説明する。
この実施例１の電圧測定回路は、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載された電池の総電圧を測定する回路である。

図１に示すように、実施例１の電圧測定回路では、正極側端子1が電池16の正極端子（VH+）に接続されるとともに、負極側端子2が電池16の負極端子(VH-)に接続される。
電池16は、多数のセルを直列配置した、周知の高電圧の二次電池を用いている。

正極側端子1と負極側端子2との間には、たとえば薄膜抵抗からなる複数の分圧抵抗（本実施例では、正極側端子1から負極側端子2に向けて順に接続された第１分圧抵抗3、第２分圧抵抗4、第３分圧抵抗5、第４分圧抵抗6、第５分圧抵抗7の５個の分圧抵抗で構成される）や暗電流低減用リレー8が直列に接続される。
この暗電流低減用リレー8は、複数個の分圧抵抗の中央、あるいは中央に近い側、すなわち実施例１では第２分圧抵抗4と第３分圧抵抗5との間に、これらに直列に接続される。
なお、暗電流低減用リレー8は、本発明の暗電流低減用スイッチ回路に相当する。

回路にあっては、配線がインダクタンスを有するが、この配線の長さが長いとインダクタンスが大きくなり、それらの位置によってはサージの大きさに関係してくる。
ここで、配線のインダクタンスは極力小さくするため各配線間の長さを短くするように設定するが、それらの位置によって以下のように異なってくる。
まず、正極端子1と第１分圧抵抗3との間は配線が長くならざるを得ず、その間のインダクタンス9Aは大きくなる。
次いで、暗電流低減用リレー8と第２分圧抵抗4との間は、できるだけ短くして接続するものの、ある程度の長さは必要であり、その間のインダクタンス9Bは、インダクタンス9Aよりは小さいがサージでは無視できない大きさである。
また、暗電流低減用リレー8と第３分圧抵抗5との間は、配線を短くすることができ、上記インダクタンス9A、9Bに比べてかなり小さいインダクタンス9Cがある。

第１分圧抵抗3と第２分圧抵抗4との間、第３分圧抵抗5と第４分圧抵抗6との間も配線を短くすることができるので、インダクタンス9Cと同じ程度のインダクタンスがあるが、サージへの影響は小さく、また図１が見にくくなるので図示は省略している。
また、第４分圧抵抗6と第５分圧抵抗7との間は、これらの間に分圧取り出し部14が設けられる関係上、インダクタンス9Cより大きなインダクタンスとなるが、サージへの影響は小さく、また図１が見にくくなるので図示は省略している。
第５分圧抵抗7と負極側端子2との間の配線も長く、そのインダクタンスは大きいが、サージへの影響は小さく、その図示は省略している。

上記のように抵抗分圧された電圧は、分圧取り出し部14から５Vより低い値の総電圧分圧値として取り出されて、A/D回路11へ送られる。
一方、各分圧抵抗3〜7の両端側およびリレー接点8aの両端側には図１に示すようにそれぞれ浮遊容量10a〜10lが存在する。
この場合、リレー接点8aの両端側の浮遊容量10e、10fは、分圧抵抗3〜7の浮遊容量10a〜10d、10g〜10lに比べると、小さい。

暗電流低減用リレー8は、機械接点8aと電磁石8bとからなる。電磁石8bの一端側は、５ボルト電源に接続され、その他端側はトランジスタ12のコレクタに接続される。

トランジスタ12は、上述のようにコレクタが電磁石8bに接続され、エミッタが接地（GND）され、ベースが中央演算装置（CPU）13に接続されて、CPU13によりその作動が制御される。

一方、分圧取り出し部14からの総電圧分圧値として取り出された電圧は、A/D回路11でデジタル信号に変換されて、フォトカプラ15に送られる、ここで光信号に変換されて図示しない光ケーブルを通ってCPU13に入力される。
CPU13では、この光信号をデジタル信号に変換して電池16の電圧を演算する。

以上のように構成された実施例１の電圧測定回路の作用について、以下に説明するが、ここではまず従来技術で大きなサージがなぜ発生するかについて説明する。
従来技術では、第１分圧抵抗〜第５分圧抵抗の５個の分圧抵抗が暗電流低減用リレー8の下流側に直列配置されている。一方、暗電流低減用リレー8の上流側と正極側端子1とを結ぶ配線は、長くならざるを得ないので、ここでのインダクタンス（以下、第１インダクタンスという）は大きい。

従来技術の回路にあっては、暗電流低減用リレー8の上流側と正極側端子1とを結ぶ配線が第１浮遊容量を有し、暗電流低減用リレー8の下流側とこの下流側に配置した第１分圧抵抗との間の配線が第２浮遊容量を有している。
今、暗電流低減用リレー8がOFFの状態では、第１浮遊容量には電池16の数百ボルトという大電圧（たとえば400ボルト）がかかっており、第２浮遊容量では０ボルトとなっている。
ここで、暗電流低減用リレー8をONにすると、瞬間的に暗電流低減用リレー8の上流側と正極側端子1との間の大きい上記第１インダクタンスを有する配線を通ってラッシュ電流が流れる。

この結果、第１浮遊容量に溜まっていた電荷が、暗電流低減用リレー8と正極側端子1とを結ぶ第１インダクタンスの配線および暗電流低減用リレー8と第１分圧抵抗とを結ぶ第２インダクタンスの配線を通って第２浮遊容量に充電される。なお、第１インダクタンスの方が、第２インダクタンスよりはるかに大きい。
この第２浮遊容量に電荷が溜まると、上記ラッシュ電流は無くなり、上記第１、第２インダクタンスに応じた起電圧が発生し、この起電圧により電流が流れ続けて第２浮遊容量に溜まって、ここの電圧が上昇する。

上記第１分圧抵抗の両端の電圧を瞬間的な時間軸でみると、暗電流低減用リレー8がONになったとき、第１分圧抵抗の上流側の端子電圧は上記起電圧に等しくなり、第１分圧抵抗の上流側の端子電圧は０ボルトとなる。
したがって、第１分圧抵抗は、上記インダクタンスにより生じる高い起電圧に耐える抵抗を使用しなければならず、コスト・アップとなるといった問題がある。

そこで、この問題を解決する実施例１の電圧測定回路にあっては、暗電流低減用リレー8がONになったとき、分圧抵抗にかかる起電圧が小さくなるようにする。この場合、第１インダクタンスおよび第２インダクタンスを小さくすることになるが、第２インダクタンスを小さくするため配線をこれ以上短くするのは難しく、またそのインダクタンスも第１インダクタンスよりかなり小さいので、実施例１では、第１インダクタンスを小さくする。ただし、この場合、第１インダクタンス側の配線長さを単に短くすることはすでに従来技術で行っている長さから変えることはできない。

このため、実施例１では、上記のように、第１分圧抵抗3と第２分圧抵抗4を、暗電流低減用リレー8の上流側に直列配置するとともに、暗電流低減用リレー8の下流側に第３分圧抵抗5、第４分圧抵抗6、第５分圧抵抗7を直列配置することで、サージに影響が大きい配線のインダクタンスを小さくするようにした。

上記のように構成された実施例１の電圧測定回路では、キーOFF時は、トランジスタ12が電磁石8bに電流が流れないため、暗電流低減用リレー8は機械接点8aが開の状態となっているため、第２分圧抵抗4と第３分圧抵抗5との間が遮断された状態にある。したがって、電池から暗電流が流れるのを防ぐことができる。

キーをONにすると、CPU13がトランジスタ12のベースにON信号を印加する。この結果、電磁石8bには電池の高電圧を降圧した５ボルト電源11から電流が流れ、機械接点8aが閉となる。
この開状態により、電池の正極側端子1から第１〜第５分圧抵抗3〜7および暗電流低減用リレー8を通って負極側端子2に電流が流れるようになる。
したがって、第２分圧抵抗4と第３分圧抵抗5との間から５V以下の総電圧分圧値を取り出せるようになり、この値をA/D回路11でアナログ−デジタル変化し、次いでフォトカプラ15で光信号に変えてCPU13へ送り、ここで電池の端子電圧値を演算する。

このキーをONにしたとき、上記従来技術で説明したと同じ理由でサージ電圧が発生するが、実施例１では、第２分圧抵抗4を暗電流低減用リレー8の上流側にできるだけ近く配置しているので、暗電流低減用リレー8の上流側と第２分圧抵抗4の間のインダクタンス9Bは、従来技術の場合の値より大幅に小さくなる。一方、暗電流低減用リレー8の下流側と第３分圧抵抗5との間のインダクタンス9Cは従来技術の場合と変わらないが、もともとインダクタンス9Aに比べたら、小さい値である。したがって、第２分圧抵抗4と第３分圧抵抗5との間のインダクタンス9Bとインダクタンス9Cとの合計インダクタンスは、従来技術の場合より大幅に小さくなるので、その分、キーON時に第３分圧抵抗5や第２分圧抵抗4の両端にかかる、インダクタンスに起因した起電圧は、小さくなる。
したがって、これらの分圧抵抗3〜7に高耐圧抵抗を使用しなくても済み、コスト・アップを抑えることが可能となる。

以上の効果を確認するため、従来技術と実施例１を比較してシミュレーションを行った結果を、図２以下に示す。
なお、図２(a)〜(c)において、横軸に時間を、また縦軸に分圧抵抗両端の電圧を示し、同図(a)は従来技術の場合、また同図(b)、(c)は実施例１の場合である。
なお、このシミュレーションにあっては、第１分圧抵抗から第４分圧抵抗はすべて同じ抵抗値とし、第５分圧抵抗はそれらよりかなり小さい抵抗値にしてある。
また、同図にあっては、従来技術の場合、分圧抵抗は、実施例１と同様の第１分圧抵抗〜第５分圧抵抗をこの順に暗電流低減用リレー8の下流側と電池の負極端子の間に直列配置したものである。図２(a)では、暗電流低減用リレー8の下流側であってその最上流側に配置した第１分圧抵抗をR1で、またこのすぐ下流に配置した第２分圧抵抗をR2として示してこれら両方を同時に表示してある。
一方、実施例１では、同図(b)に暗電流低減用リレー8のすぐ上流側に配置された第２分圧抵抗4をR2で、また同図(c)に暗電流低減用リレー8のすぐ下流側に配置された第３分圧抵抗5をR3でそれぞれ示し、これらの重なり避けて別図として見やすくしてある。ただし、スケールは同じにしてある。

同図(a)から分かるように、従来技術のものでは、暗電流低減用リレーをONにしたとき、暗電流低減用リレーにもっとも近い第１分圧抵抗R1の両端電圧が大きく、かつ乱れていることが分かる。これは、第１インダクタンスが大きいため、暗電流低減用リレー8のON直後に逆起電圧が大きくなって、第１分圧抵抗R1に作用するからである。このときのピーク値は同図中、円で囲んだ部分Pとなり、この高電圧に耐えるには高価な高耐圧の分圧抵抗を用いる必要がある。
一方、第１分圧抵抗よりも暗電流低減用リレー8から離れている第２分圧抵抗R2の両端電圧の時間的変化は、第１分圧抵抗R1の両端電圧の略半分程度の大きさであり、第１分圧抵抗R1のような極端な乱れはない。

一方、実施例１では第２分圧抵抗4（R2）と第３分圧抵抗5（R3）との間のインダクタンス9Bは小さいので、暗電流低減用リレー8にもっとも近い高電位側の第２分圧抵抗4（R2）の両端電圧の時間的変化は、同図(b)に示すように、従来技術の第２分圧抵抗R2の場合と同じ程度であって、従来技術の第１分圧抵抗R1の両端電圧の略半分程度の大きさであり、また極端な乱れもない。
また、実施例１の第２分圧抵抗4（R2）よりも暗電流低減用リレー8から離れている第３分圧抵抗5(R3)の両端電圧の時間的変化は、同図(c)に示すように、同図(b)に示す第２分圧抵抗4(R2)の両端電圧の場合よりやや低い値となる。

以上から、暗電流低減用リレー8がONになるとき、実施例１の電源制御装置における、暗電流低減用リレー8に近い高電位側の第２分圧抵抗4および第１分圧抵抗4の両端電圧は、従来技術の場合に比べて小さくなる。したがって、耐圧の低い安価な分圧抵抗を用いることが可能となる。
なお、第１分圧抵抗3、第４分圧抵抗6、第５分圧抵抗7については、暗電流低減用リレー8からより離れているので、図を示すまでもなく第２分圧抵抗4および第３分圧抵抗5の両端電圧よりさらに小さくなるので、高耐圧とする必要がないことは言うまでもない。

上記では、暗電流低減用リレー8を複数個の分圧抵抗3〜7の中央、あるいは中央に近い側、すなわちは第２分圧抵抗4と第３分圧抵抗5との間に、これらに直列に接続されるようにしたが、以下に説明するように、暗電流低減用リレー8は複数個の分圧抵抗3〜7の分圧抵抗の間であれば、いずれの位置であってもよい。

図３に、暗電流低減用リレー8を全ての分圧抵抗の前に配置接続した従来技術の場合と、暗電流低減用リレー8の分圧抵抗間の位置を変えた場合とにおいての暗電流低減用リレー8のON時におけるサージ電圧の時間変化を比較して示す。
同図(a)は、従来技術の場合であり、図中、一点鎖線は第１分圧抵抗R1の両端の電圧、太い実線は第２分圧抵抗R2の両端の電圧、細い実線は第３分圧抵抗の両端の電圧、二点鎖線は第４分圧抵抗の両端の電圧をそれぞれ示す。
この場合は、上述したように、暗電流低減用リレー8のON時に、第１分圧抵抗R1の両端にかかるサージ電圧が非常に大きくなっていることが分かる。これに耐えるには高価、高耐圧の抵抗が必要となる。

図３(b)〜(d)は、実施例１の変形例であって、これらの図において、同図中、一点鎖線は第１分圧抵抗3の両端の電圧、太い実線は第２分圧抵抗4の両端の電圧、細い実線は第３分圧抵抗5の両端の電圧、二点鎖線は第４分圧抵抗6の両端の電圧をそれぞれ示す。

同図(b)は、暗電流低減用リレー8を第１段目、すなわち第１分圧抵抗3と第２分圧抵抗4との間に配置接続し、第１分圧抵抗3を暗電流低減用リレー8の上流側に、また第３分圧抵抗5、第４分圧抵抗6、第５分圧抵抗7を第２分圧抵抗4の下流に直列接続した場合における第１〜第４分圧抵抗3〜６の両端の電圧を示す。
この場合、サージ電圧は従来技術の場合の半分以下となっていることが分かる。

同図(c)は、暗電流低減用リレー8を第２段目（中央）、すなわち第２分圧抵抗4と第３分圧抵抗5との間に配置接続し、暗電流低減用リレー8より上流側の第２分圧抵抗4のさらに上流側に第１分圧抵抗3を直列接続し、第４分圧抵抗6、第５分圧抵抗7を暗電流低減用リレー8より下流の第３分圧抵抗5のさらに下流に直列接続した場合における第１〜第４分圧抵抗3〜６の両端の電圧を示す。
この場合、サージ電圧は第１段目の場合と同様に従来技術の場合の半分以下となっていることが分かる。そして、サージ電圧は、第１段目の場合に比べて早く消滅する。

同図(d)は、暗電流低減用リレー8を第３段目、すなわち第３分圧抵抗5と第４分圧抵抗6との間に配置接続し、第１分圧抵抗3、第２分圧抵抗4を暗電流低減用リレー8の上流側の第３分圧抵抗5よりさらに上流側に直列接続し、第５分圧抵抗6を暗電流低減用リレー8の下流側の第４分圧抵抗6よりさらに下流側に直列接続した場合における第１〜第４分圧抵抗3〜６の両端の電圧を示す。
この場合、サージ電圧は第１段目、第２段目の場合と同様に従来技術の場合の半分以下となっていることが分かる。そして、サージ電圧は第２段目の場合よりも遅いが、第１段目と同じ時間程度で消滅する。

これらの結果から、暗電流低減用リレー8を分圧抵抗の間に接続したいずれの場合にも、従来技術の場合にくらべてサージ電圧を大きく減少させることができるという効果があることが分かる。その中でも、暗電流低減用リレー8を複数の分圧抵抗の中央、あるいは中央に近い位置（５個の分圧抵抗を用いた実施例１では第２分圧抵抗と第３分圧抵抗の間）に配置接続するのがサージ電圧低下にもっとも効果が大きいことが分かる。

以上説明したように、実施例１の電源制御装置にあっては、暗電流低減用リレー8が複数の分圧抵抗3〜7間に直列に接続されるので、暗電流低減用リレー8のON時に分圧抵抗3〜7の両端に発生するサージ電圧を小さく抑えることができる。したがって、その分、耐性を低くした分圧抵抗3〜7を用いることで、電圧測定回路のコストを低減することができる。

また、暗電流低減用リレー8を複数の分圧抵抗の中央（実施例１では第２段目）に配置接続したので、サージ電圧をもっとも効果的に低減させることができる。

以上、本発明を上記実施例に基づき説明してきたが、本発明は上記実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。

たとえば、分圧抵抗の個数は実施例１の５個に限られず、複数個あればよい。
また、電源は電池に限られず他の電源であってもよい。
また、本発明の暗電流低減用スイッチ回路は、実施例１の暗電流低減用リレー8に限られず、ON、OFFにスイッチ可能な回路であればよい。
また、本発明の電源制御装置は、電気自動車やハイブリッド自動車に限られず、他の装置やシステムに適用するようにしてもよい。

1 正極側端子
2 負極側端子
3 第１分圧抵抗
4 第２分圧抵抗
5 第３分圧抵抗
6 第４分圧抵抗
7 第５分圧抵抗
8 暗電流低減用リレー
8a 機械接点
8b 電磁石
9A、9B インダクタンス
10a〜10j 浮遊容量
11 A/D回路
12 トランジスタ
13 中央演算装置
14 分圧取り出し部
15 フォトカプラ
16 電池

Claims

高電圧入力端子と、
前記高電圧を分圧する複数の分圧抵抗と、
該複数の分圧抵抗で低電圧に下げられた電圧を測定する電圧測定部と、
前記複数の分圧抵抗間に直列に接続された暗電流低減用スイッチ回路と、
を備えたことを特徴とする電圧測定回路。
請求項１に記載の電圧測定回路において、
前記暗電流低減用スイッチ回路は、前記複数の分圧抵抗の中央または中央側に接続されている、
ことを特徴とする電圧測定回路。
請求項１又は請求項２に記載の電圧測定回路において、
前記高電圧入力端子は、電気自動車またはハイブリッド自動車の電池に接続される、
ことを特徴とする電圧測定回路。