JP2014196971A - 電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサの故障判定の精度を向上する。
【解決手段】直列に接続されたスイッチング素子Ｓ及び抵抗器Ｒａからなり、バッテリＢを構成する複数の電池セルＣ各々に並列に接続される放電回路Ｈと、各電池セルＣの電圧を検出する電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎと、電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎの周囲温度（第１の温度）を検出する温度検出手段Ｔ１〜Ｔｎとを具備する電圧検出装置Ａであって、放電回路Ｈの抵抗器Ｒａによる発熱の影響を受けづらい電圧検出装置Ａ内の温度（第２の温度）を検出する補助温度検出手段ＴＨと、第２の温度に基づいて温度予測値を算出し、第１の温度と、温度予測値とを比較することによって温度検出手段Ｔ１〜Ｔｎの故障を判定する判定手段Ｍとを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧検出装置に関する。

下記特許文献１には、複数の電池セル各々に設けられ、各電池セルの電圧を検出する電圧検出用ＩＣでの電圧の検出精度を高精度にできる電圧測定装置が開示されている。この電圧測定装置では、スイッチの一端に接続される基準電圧発生器と、スイッチの他端に接続され、該スイッチを介して基準電圧発生器から供給された基準電圧をデジタル化して出力するＡ／Ｄ変換器と、電圧検出用ＩＣ毎に設けられた温度センサによる検出結果（電圧検出用ＩＣの周囲温度）に基づいて基準電圧の理論値を求め、この理論値とＡ／Ｄ変換器から入力された基準電圧の実測値とを比較することにより、電圧検出用ＩＣによる電圧検出精度が良好であるか否かを判定するメインマイコンとを各電圧検出用ＩＣに具備する。

特開２０１２−８３２８３号公報

ところで、上記従来技術では、電圧検出用ＩＣの周囲温度を検出する温度センサの故障を判定する場合、各温度センサによる検出結果の平均値を算出し、該平均値と各温度センサの検出結果とを比較して、温度センサの故障を判定していた。しかしながら、上記従来技術では、過充電した電池セルの電力を抵抗器によって放電する放電回路が設けられている場合、放電時に、該放電回路の抵抗器が発する熱の影響を温度センサが受けるため、温度センサの故障判定の精度を低下させるという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、温度センサの故障判定の精度を向上することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、直列に接続されたスイッチング素子及び抵抗器からなり、バッテリを構成する複数の電池セル各々に並列に接続される放電回路と、各電池セルの電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路の周囲温度（第１の温度）を検出する温度検出手段とを具備する電圧検出装置であって、前記放電回路の抵抗器による発熱の影響を受けづらい電圧検出装置内の温度（第２の温度）を検出する補助温度検出手段と、前記第２の温度に基づいて温度予測値を算出し、前記第１の温度と、温度予測値とを比較することによって前記温度検出手段の故障を判定する判定手段とを具備する、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記フィルタ回路は、前記判定手段は、前記スイッチング素子のオン状態と、オフ状態とで異なる温度上昇値を前記第２の温度に加算して前記温度予測値を算出する、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第１あるいは第２の解決手段において、前記放電回路、前記電圧検出回路及び前記温度検出手段は、高電圧の電力に基づいて稼働する部品が配置された基板上の高電圧側エリアに設置され、前記補助温度検出手段及び判定手段は、低電圧の電力に基づいて稼動する部品が配置された前記基板上の低電圧側エリアに設置されている、という手段を採用する。

本発明によれば、放電回路の抵抗器による発熱の影響を受けづらい電圧検出装置内の温度（第２の温度）を検出する補助温度検出手段と、第２の温度に基づいて温度予測値を算出し、第１の温度と、温度予測値とを比較することによって温度検出手段の故障を判定する判定手段とを具備することによって、温度検出手段の故障判定の精度を向上できる。

本発明の一実施形態に係る電圧検出装置Ａの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る電圧検出装置Ａの基板Ｋ上の部品の配置を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る電圧検出装置Ａにおける第１の温度、第２の温度及び温度予測値を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る電圧検出装置Ａは、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）あるいはハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の移動車両に搭載され、バッテリＢを構成する各電池セルＣの電圧状態を監視するものであり、図１及び図２に示すように、複数の放電回路Ｈ、複数のフィルタ回路Ｆ、電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎ、温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎ（温度検出手段）、補助温度検出回路ＴＨ（補助温度検出手段）、マイコンＭ（判定手段）及び基板Ｋを備える。

バッテリＢは、複数の電池セルＣからなるｎ個（例えば６個）のブロックＢ１〜Ｂｎに分割され、ブロックＢ１〜Ｂｎ毎に電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎが設けられている。

放電回路Ｈは、各電池セルＣに並列に接続され、過充電された電池セルＣをマイコンＭから入力される制御信号に基づいて放電させるものである。このような放電回路Ｈは、図１に示すように、スイッチング素子Ｓ及び第１の抵抗器Ｒａから構成されている。なお、全ての放電回路Ｈは、同じ構成をしている。

スイッチング素子Ｓは、図示してないが基板Ｋ上に設けられ、例えば、バイポーラトランジスタであり、ベース端子がマイコンＭに接続され、エミッタ端子が電池セルＣの正極に接続され、コレクタ端子が第１の抵抗器Ｒａの一端に接続されている。このようなスイッチング素子Ｓは、マイコンＭから電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されるとオン状態となって、過充電状態である電池セルＣの電力を第１の抵抗器Ｒａに放電する。一方、スイッチング素子Ｓは、電圧値がローレベルである制御信号がベース端子に入力されないと、オフ状態となって、電池セルＣから第１の抵抗器Ｒａへの放電を停止する。このようなスイッチング素子Ｓは、図示していないが基板Ｋ上における高電圧側エリアＨａ（高電圧の電力に基づいて稼働する部品が配置されたエリア）に設けられている。

また、スイッチング素子Ｓは、バイポーラトランジスタ以外にも、例えばＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。

第１の抵抗器Ｒａは、一端がスイッチング素子Ｓのコレクタ端子に接続され、他端が電池セルＣの負極に接続されている。このような第１の抵抗器Ｒａは、スイッチング素子Ｓがオン状態となると、電池セルＣから電力が入力され、該電力を熱エネルギーに変換する、つまり発熱する。また、第１の抵抗器Ｒａは、図２に示すように基板Ｋ上における高電圧側エリアＨａに間隔を設けて並べられている。

フィルタ回路Ｆは、各電池セルＣから電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎに出力される電圧に含まれるノイズを除去するローパスフィルタであり、各電池セルＣ〜Ｃｎと電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎとの間に各々設けられている。このようなフィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎは、図１に示すように、第２の抵抗器Ｒｂ及びコンデンサＣｄから構成されている。なお、全てのフィルタ回路Ｆは、同じ構成をしている。

第２の抵抗器Ｒｂは、図示してないが基板Ｋ上に設けられ、一端がスイッチング素子Ｓのエミッタ端子及び電池セルＣの正極に接続され、他端がコンデンサＣｄの一端及び電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎに設けられた入力端子に接続されている。このような第２の抵抗器Ｒｂは、図示していないが基板Ｋ上における高電圧側エリアＨａに設けられている。

コンデンサＣｄは、一端が第２の抵抗器Ｒｂの他端及び電圧検出回路Ｄの１つの入力端子に接続され、他端がグランドに接続されている。このようなコンデンサＣｄは、図示していないが基板Ｋ上における高電圧側エリアＨａに設けられている。

電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎは、それぞれに接続される各ブロックＢ１〜Ｂｎに属する電池セルＣの電圧を検出し、その検出結果をデジタルデータ（電圧検出データ）に変換するＡ／Ｄ変換機能やマイコンＭとの通信機能を有する専用のＩＣチップである。このような電圧検出回路Ｄ１〜Ｄは、高電圧（例えば６０Ｖ）の電力によって稼働可能な部品であり、図２に示すように基板Ｋ上における高電圧側エリアＨａに間隔を空けて設けられている。また、電圧検出回路Ｄ１〜Ｄは、低電圧（例えば５Ｖ）で稼動可能なマイコンＭとフォトカプラ等の絶縁素子を介して接続されることによって、マイコンＭと電気的に絶縁されると共に通信可能に接続される。

温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎは、各電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎの周囲温度を検出するためのものであり、基板Ｋ上の高電圧側エリアＨａにおける第１の抵抗器Ｒａと電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎとの間に配置されている。このような温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎは、サーミスタあるいは熱電対等から構成されたＩＣチップであり、各電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎの周囲温度（第１の温度）を検出し、当該周囲温度を示す検出信号を各電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎに出力する。各電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎは、温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎから入力された検出信号（第１の温度検出信号）をマイコンＭに出力する。

補助温度検出回路ＴＨは、第１の抵抗器Ｒａによる発熱の影響を受けづらい電圧検出装置Ａ内の温度を検出するものであり、第１の抵抗器Ｒａから離れた場所、例えば、図２に示すように基板Ｋ上における低電圧側エリアＬａに設けられている。このような補助温度検出回路ＴＨは、温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎと同様、サーミスタあるいは熱電対等から構成されたＩＣチップであり、第１の抵抗器Ｒａによる発熱の影響を受けづらい電圧検出装置Ａ内の温度（第２の温度）を検出し、該温度を示す検出信号（第２の温度検出信号）をマイコンＭに出力する。

マイコンＭは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されたＩＣチップであり、上述した絶縁素子を介して電圧検出回路Ｄと通信可能に接続されている。また、マイコンＭは、低電圧（例えば５Ｖ）で稼動可能な部品であり、図２に示すように基板Ｋ上における低電圧側エリアＬａに設けられている。

このマイコンＭは、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共に各部と通信を行うことにより電圧検出装置Ａの全体動作を制御する。詳細については後述するが、マイコンＭは、上述した第１の温度と、第２の温度に基づいて温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎの故障を判定する。

基板Ｋは、矩形状の多層基板であり、ガラスエポキシ樹脂などの絶縁体を基材として各層に信号パターン、グランドパターン（基準電位部）及び電源パターンが形成されている。このような基板Ｋでは、高電圧側エリアＨａに高電圧の電力に基づいて稼働する部品が配置され、低電圧側エリアＬａに低電圧の電力に基づいて稼働する部品が配置されている。

次に、このように構成された本電圧検出装置Ａの動作について説明する。
マイコンＭは、温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎから入力される第１の温度検出信号に基づいて各電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎの周囲温度（第１の温度）を検知する。また、マイコンＭは、補助温度検出回路ＴＨから入力される第２の温度検出信号に基づいて第１の抵抗器Ｒａによる発熱の影響を受けづらい電圧検出装置Ａ内の温度（第２の温度）を検知する。

続いて、マイコンＭは、第２の温度に基づいて温度予測値を算出し、第１の温度と、温度予測値とを比較することによって温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎの故障を判定する。例えば、マイコンＭは、温度予測値の算出処理において、スイッチング素子Ｓのオン状態と、オフ状態とで異なる温度上昇値を第２の温度に加算して温度予測値を算出する。

温度上昇値とは、電圧検出回路Ｄ１〜Ｄｎや第１の抵抗器Ｒａの近傍に設けられた温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎによって検出された第１の温度と、補助温度検出回路ＴＨによって検出された第１の抵抗器Ｒａによる発熱の影響を受けづらい電圧検出装置Ａ内の第２の温度との差に基づいて決められた値であり、第２の温度をかさ上げして温度予測値を求めるためのものである。

この温度上昇値は、スイッチング素子Ｓのオン状態と、オフ状態とで異なる。すなわち、温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎの近傍に第１の抵抗器Ｒａが設けられており、電池セルＣから電力が供給されて第１の抵抗器Ｒａが発熱状態である場合と、電池セルＣから電力が供給されずに第１の抵抗器Ｒａが未発熱状態である場合とでは、温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎによって検出される第１の温度が異なる（前者の方が後者よりも高くあなる）ため、スイッチング素子Ｓがオン状態（つまり第１の抵抗器Ｒａが発熱状態）である場合には、高い温度上昇値を選択し、スイッチング素子Ｓがオフ状態（つまり第１の抵抗器Ｒａが未発熱状態）である場合には、低い温度上昇値を選択する。

例えば、温度検出回路Ｔ１の近傍に、第１の温度に影響を与えるものとして８つの第１の抵抗器Ｒａが設置されている場合、マイコンＭは、この８つの第１の抵抗器Ｒａのオン状態とオフ状態の組み合わせに応じて温度上昇値を選択する。すなわち、マイコンＭは、スイッチング素子Ｓのオン状態やオフ状態に応じた温度上昇値が登録されたデータテーブルを記憶し、該データテーブルに基づいて温度上昇値を選択する。

そして、マイコンＭは、選択した温度上昇値を第２の温度に加算して温度予測値を算出する。マイコンＭは、温度予測値を算出すると、図３に示すように、温度予測値を中心にしきい値の上限と下限を決定し、このしきい値の範囲内に、第１の温度が入っているか否か判定する。マイコンＭは、第１の温度がしきい値の範囲内である場合には、温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎが故障していないと判定する。一方、マイコンＭは、第１の温度がしきい値の範囲外である場合には、温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎが故障していると判定する。

このような本実施形態によれば、放電回路Ｈの第１の抵抗器Ｒａによる発熱の影響を受けづらい電圧検出装置内の温度（第２の温度）を検出する補助温度検出回路ＴＨと、第２の温度に基づいて温度予測値を算出し、第１の温度と、温度予測値とを比較することによって温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎの故障を判定するマイコンＭとを具備することによって、第１の抵抗器Ｒａの発熱による影響をできるだけ排除して、温度検出回路Ｔ１〜Ｔｎの故障判定の精度を向上できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、スイッチング素子Ｓのオン状態と、オフ状態とで異なる温度上昇値を選択したが、本発明はこれに限定されない。例えば、スイッチング素子Ｓのオン状態やオフ状態にかかわらず、一律した温度上昇値を選択するようにしてもよい。その際には、温度予測値を中心に設定するしきい値の範囲を、上述した動作よりも広くする必要がある。

（２）上記実施形態では、補助温度検出回路ＴＨが低電圧側エリアＬａに設置されているが、本発明はこれに限定されない。補助温度検出回路ＴＨは、放電回路Ｈの第１の抵抗器Ｒａによる発熱の影響を受けづらい電圧検出装置Ａ内の温度を検出することができる場所であれば、低電圧側エリアＬａ以外であってもよい。

Ａ…電圧検出装置、Ｂ…バッテリ、Ｃ…電池セル、Ｈ…放電回路、Ｆ…フィルタ回路、Ｄ１〜Ｄｎ…電圧検出回路、Ｔ１〜Ｔｎ…温度検出回路（温度検出手段）、ＴＨ…補助温度検出回路（補助温度検出手段）、Ｍ…マイコン（判定手段）、Ｋ…基板、Ｍ…マイコン（判定手段）、Ｓ…スイッチング素子、Ｒａ…第１の抵抗器、Ｒｂ…第２の抵抗器、Ｃｄ…コンデンサ、Ｈａ…高電圧側エリア、Ｌａ…低電圧側エリア

Claims (3)

1. 直列に接続されたスイッチング素子及び抵抗器からなり、バッテリを構成する複数の電池セル各々に並列に接続される放電回路と、各電池セルの電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路の周囲温度（第１の温度）を検出する温度検出手段とを具備する電圧検出装置であって、
   前記放電回路の抵抗器による発熱の影響を受けづらい電圧検出装置内の温度（第２の温度）を検出する補助温度検出手段と、
   前記第２の温度に基づいて温度予測値を算出し、前記第１の温度と、温度予測値とを比較することによって前記温度検出手段の故障を判定する判定手段とを具備することを特徴とする電圧検出装置。
2. 前記判定手段は、前記スイッチング素子のオン状態と、オフ状態とで異なる温度上昇値を前記第２の温度に加算して前記温度予測値を算出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. 前記放電回路、前記電圧検出回路及び前記温度検出手段は、高電圧の電力に基づいて稼働する部品が配置された基板上の高電圧側エリアに設置され、
   前記補助温度検出手段及び判定手段は、低電圧の電力に基づいて稼動する部品が配置された前記基板上の低電圧側エリアに設置されていることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の電圧検出装置。
   
   
   
   
   

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