JP2016080532A - 電源電圧検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】直流電源の電源電圧を検出するに際して、電源電圧検出用電圧の伝送線路の異常の発生を検出する。
【解決手段】直流電源Dの電源電圧Eを降圧して電源参照電圧Vを出力する参照電圧発生器K1と、所定の基準電圧Eを出力する基準電圧発生器K2と、電源参照電圧Vを第1の電源電圧検出用電圧として伝送すると共に基準電圧Eを第2の電源電圧検出用電圧として伝送する伝送線路WHと、第1の電源電圧検出用電圧と第2の電源電圧検出用電圧とを差動増幅する差動増幅器K3と、第1、第2の電源電圧検出用電圧に基づいて電源電圧Eを検出すると共に伝送線路WHの異常を検出する異常検出手段Pとを具備する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電源電圧検出装置に関する。
例えば特許文献1には、簡易な構成で浮動直流電源の地絡検出及び電源電圧の検出が可能な浮動直流電源の異常検出装置が開示されている。この異常検出装置は、浮動直流電源の正負電極間に直列接続された4個の基準抵抗素子Ra,Rb,Rc,Rdからなり、正負電極側の2個の抵抗素子Ra,Rdの抵抗値及び中間の2個の抵抗素子Rb,Rcの抵抗値がそれぞれ等しい直列抵抗回路と、上記2個の抵抗素子Rb,Rcの接続点に基準直流電圧を印加すると共に回路の一部が接地された基準電圧印加回路と、2個の抵抗素子Ra,Rbの接続点の電位Vabと他の2個の抵抗素子Rc,Rdの接続点の電位Vcdとを同相加算すると共に当該同相加算の値に基いて浮動直流電源の地絡を検出する地絡検出手段と、上記電位Vabと電位Vcdとを差動増幅し、当該差動増幅の値の変動に基いて浮動直流電源の電圧を検出する電圧検出手段とを備える。
特開平09−080106号公報
ところで、上記背景技術は、浮動直流電源の電源電圧を検出することに加え、浮動直流電源における正極側(正極端子に接続される配線等)の地絡及び負極側(負極端子に接続される配線等)の地絡を各々検出するものである。
しかしながら、浮動直流電源と電圧検出手段(制御ユニット)との間の配線異常(地絡、断線)があった場合、浮動直流電源の電源電圧を正確又は/及び確実に検出できない虞がある。浮動直流電源の電源電圧を正確又は/及び確実に検出するためには、上記電位Vab及びと電位Vcdのような電源電圧の検出に必要な電圧(電源電圧検出用電圧)の伝送線路の異常を検知する必要がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、直流電源の電源電圧を検出するに際して電源電圧検出用電圧の伝送線路の異常の発生を検出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、電源電圧検知装置に係る第1の解決手段として、直流電源の電源電圧を降圧して電源参照電圧を出力する参照電圧発生器と、所定の基準電圧を出力する基準電圧発生器と、前記電源参照電圧を第1の電源電圧検出用電圧として伝送すると共に前記基準電圧を第2の電源電圧検出用電圧として伝送する伝送線路と、前記第1の電源電圧検出用電圧と前記第2の電源電圧検出用電圧とを差動増幅する差動増幅器と、前記第1、第2の電源電圧検出用電圧に基づいて前記電源電圧を検出すると共に前記伝送線路の異常を検出する異常検出手段とを具備する、という手段を採用する。
本発明では、電源電圧検出装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記異常検出手段は、所定の増幅度で前記基準電圧と前記電源参照電圧とを差動増幅した電圧を断線判定用電圧として演算し、当該断線判定用電圧及び前記第1、第2の電源電圧検出用電圧に基づいて前記伝送線路の異常を検出する、という手段を採用する。
本発明では、電源電圧検出装置に係る第3の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記差動増幅器は、所定の増幅度を有し、前記異常検出手段は、前記差動増幅器の出力電圧を断線判定用電圧として取り込み、当該断線判定用電圧及び前記第1、第2の電源電圧検出用電圧に基づいて前記伝送線路の異常を検出する、という手段を採用する。
本発明によれば、異常検出手段で第1、第2の電源電圧検出用電圧に基づいて直流電源の電源電圧の検知に際して、第1、第2の電源電圧検出用電圧に基づいて伝送線路の異常を検出することができる。
本発明の一実施形態に係る電源電圧検出装置の電気的構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る電源電圧検出装置において、ワイヤーハーネスWH(伝送線路)の正常時における各種電圧を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る電源電圧検出装置において、ワイヤーハーネスWH(伝送線路)の異常時における各種電圧を示すグラフである。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る電源電圧検出装置(以下、本電源電圧検出装置という。)は、図1に示すように、参照電圧発生器K1、基準電圧発生器K2、ワイヤーハーネスWH(伝送線路)、差動増幅器K3、I/F回路K4、第1電圧供給回路K5、第2電圧供給回路K6及び演算装置P(異常検出手段)を具備する。
なお、図1における直流電源Dは、本電源異常検出装置の検出対象である。この直流電源Dは、多数のセル電池を直列接続した組電池であり、数百ボルトの高電圧を正極端子aと負極端子bとの端子間電圧(電源電圧E)として外部負荷に供給する。
このような直流電源Dは、例えば電気自動車あるいはハイブリッド自動車等の車両において走行用モータ(負荷)に電源電圧Eの直流電力を給電する燃料電池あるいはリチウムイオン電池、つまり二次電池である。上記電源電圧Eは、自らの充電状態や車両の走行状態に応じて、例えば図2の横軸に示すように0〜500〔V〕の範囲で変化する。このような電源電圧Eの変化範囲のうち、例えば430〜500〔V〕の範囲は、電源電圧Eとして異常な過電圧範囲であり、当該過電圧範囲以外は正常電圧範囲である。
参照電圧発生器K1は、上記電源電圧Eを降圧することにより電源参照電圧Vを生成し、当該電源参照電圧VをワイヤーハーネスWHの第1電線h1の一端に出力する。この参照電圧発生器K1は、例えば直流電源Dの正極電圧Vを抵抗分圧すると共に直流電源Dの負極電圧Vを抵抗分圧し、各々の分圧値の差電圧を基準電圧Eを電源参照電圧Vとして出力する。図2に示すように、電源電圧Eが0〜500〔V〕の範囲で変化した場合、電源参照電圧Vは直線的に変化する。
基準電圧発生器K2は、所定の基準電圧Eを発生させてワイヤーハーネスWHの第2電線h2の一端に供給する。上記基準電圧Eは、差動増幅器K3の増幅動作における動作点を規定するで餡圧である。なお、参照電圧発生器K1も上記基準電圧Eを取り込むように構成されており、当該基準電圧Eを動作点として電源参照電圧Vを生成する。
ワイヤーハーネスWHは、図示するように第1電線h1及び第2電線h2を少なくとも備える。本電源電圧検出装置は、ワイヤーハーネスWHを介して電気的に接続された高圧基板(プリント配線板)と低圧基板(プリント配線板)とに実装されている。上述した参照電圧発生器K1及び基準電圧発生器K2は、直流電源Dに隣接する高圧基板に実装されている。一方、差動増幅器K3、第1電圧供給回路K4、第2電圧供給回路K5及び演算装置Pは、直流電源Dから離間して設けられた電池ECU内の低圧基板に実装されている。
ワイヤーハーネスWHは、このような高圧基板と低圧基板とを電気的に接続するための伝送線路である。このワイヤーハーネスWHにおいて、第1電線h1は、上記電源参照電圧V1を高圧基板から低圧基板に第1の電源電圧検出用電圧として伝送する伝送線路(信号線)である。一方、第2電線h2は、上記基準電圧Eを高圧基板から低圧基板に第2の電源電圧検出用電圧として伝送するための伝送線路(信号線)である。なお、以下の説明では、第1の電源電圧検出用電圧を第1検出用電圧Voaといい、第2の電源電圧検出用電圧を第2検出用電圧Vobという。
差動増幅器K3は、第1電線h1から入力される第1検出用電圧Voaと第2電線h2から入力される第2検出用電圧Vobとを差動増幅し、断線判定用電圧VとしてI/F回路K4に出力する。この差動増幅器K3は、演算増幅器と複数の抵抗器とか構成されており、1倍から所定量だけ小さな増幅度に設定されている。I/F回路K4は、上記差動増幅器K3と演算装置Pとの間に設けられたインターフェース回路であり、断線判定用電圧Vを信号変換して演算装置Pに出力する。
第1電圧供給回路K5は、第1電線h1から入力される第1検出用電圧Voaを演算装置Pに供給する回路である。この第1電圧供給回路K5は、図示するように第1抵抗器R1によって構成されている。すなわち、第1抵抗器R1の一端は第1電線h1の他端に接続され、第1抵抗器R1の他端は、演算装置Pの第2入力端子(AD1)に接続されている。
第2電圧供給回路K6は、第2電線h2から入力される第2検出用電圧Vobを演算装置Pに供給する回路である。この第2電圧供給回路K6は、図示するように第2抵抗器R2によって構成されている。すなわち、第2抵抗器R2の一端は第2電線h2の他端に接続され、第2抵抗器R12の他端は、演算装置Pの第3入力端子(AD2)に接続されている。
演算装置Pは、上述した第1検出用電圧Voa、第2検出用電圧Vob及び断線判定用電圧Vに基づいてワイヤーハーネスWH(伝送線路)の異常を検出する異常検出手段である。また、この演算装置Pは、第1検出用電圧Voa及び第2検出用電圧Vobに基づいて直流電源Dの電源電圧Eを検出する電源電圧検出機能を基本機能として備える。
すなわち、この演算装置Pは、専用の電源電圧検出プログラム及び異常検出プログラムを内部メモリに記憶している。この演算装置Pは、第1電圧供給回路K5から入力される第1検出用電圧Voa、第2電圧供給回路K6から入力される第2検出用電圧Vob、差動増幅器K3から入力される断線判定用電圧Vに基づいて、直流電源Dの電源電圧Eを検出すると共にワイヤーハーネスWHの異常(地絡又は/及び断線)をソフトウエア的に検出する。
詳細については後述するが、ワイヤーハーネスWHが正常な場合、第1検出用電圧Voaは電源参照電圧Vと等しくなり、また第2検出用電圧Vobは基準電圧Eと等しくなる。しかしながら、ワイヤーハーネスWHに地絡又は/及び断線等の異常が発生すると、第1検出用電圧Voa、第2検出用電圧Vob、また断線判定用電圧Vは、ワイヤーハーネスWHの正常時とは異なる電圧となる。
次に、このように構成された本電源異常検出装置の動作について、図2及び図3をも参照して詳しく説明する。
ワイヤーハーネスWHが正常な場合、第1検出用電圧Voaは、電源参照電圧Vと等しく、図2に示すように電源電圧Eの変化に対して直線的に変化する。演算装置Pは、例えば第1検出用電圧Voaと電源電圧Eとの対応関係を規定する係数あるいはテーブルを記憶しており、これら係数あるいはテーブルを用いることにより第1検出用電圧Voaに対応する電源電圧Eを演算する。そして、演算装置Pは、このような電源電圧Eの算出処理(電源電圧検出処理)に加えて、以下のワイヤーハーネスWHの異常検出処理を行う。
すなわち、図2に示すように、ワイヤーハーネスWHが正常な場合、第1検出用電圧Voaは、電源電圧Eが増加すると直線的に減少する。一方、第2検出用電圧Vobは、ワイヤーハーネスWHが正常な場合に基準電圧Eと等しいので、電源電圧Eの変化に関係なく一定値である。また、差動増幅器K3は、電源電圧Eが増加すると、直線的に増加する断線判定用電圧Vを出力する。
すなわち、ワイヤーハーネスWHが正常な場合、つまりワイヤーハーネスWHの第1電線h1や第2電線h2に地絡や断線が発生していない場合、直流電源Dの電源電圧Eが取り得る範囲において、第1検出用電圧Voa及び断線判定用電圧Vは図2に示すように直線的に変化し、一方、第2検出用電圧Vobは一定値を維持する。
ここで、図2における電圧Vは、第1検出用電圧Voaと第2検出用電圧Vobとの差分電圧(=Vob−Voa)である。差動増幅器K3の増幅度は1倍よりも若干低い値に設定されているが、上記差分電圧Vは、差動増幅器K3の増幅度を1倍に設定した場合の差動増幅器K3の出力電圧に相当する。このような差分電圧Vは、図2に示すように、電源電圧Eが増加した場合に直線的に増加する。
このようなワイヤーハーネスWHの正常状態に対して、第1電線h1が地絡する異常が発生すると、第1電線h1の電位がゼロ電位(接地電位)となるので、第1検出用電圧Voaは、図3(a)に示すように、直流電源Dの電源電圧Eの値に関わりなく0〔V〕になる。一方、第2検出用電圧Vobは、第1電線h1の地絡の影響を受けないので、ワイヤーハーネスWHの正常状態と同様に一定値である。また、断線判定用電圧Vdは、第1電線h1の電位がゼロ電位(接地電位)となるので、第2検出用電圧Vobと同様に一定値となる。
すなわち、第1検出用電圧Voaは、第1電線h1が正常な場合に所定範囲内の値となるが、第1電線h1に地絡が発生すると、電源電圧Eの全範囲において上記所定範囲(正常範囲)とは異なる0〔V〕になる。演算装置Pは、第1電線h1の地絡の有無を判定するために、特定のしきい値と第1検出用電圧Voaとを比較することにより、第1電線h1の地絡の有無を判断する。
ここで、仮に第1電線h1が地絡した場合の第1検出用電圧Voaが電源電圧Eの正常範囲内の電位となった場合には、演算装置Pは、第1検出用電圧Voaが第1電線h1の地絡に基づく電位なのか、あるいはその時点における電源電圧Eに基づく電位なのかを判別することができないので、第1電線h1の地絡を検出することができない。
一方、第2電線h2に地絡が発生すると、当該第2電線h2の電位はゼロ電位(接地電位)となるので、第2検出用電圧Vobは、図3(b)に示すように、電源電圧Eの値に関わりなく、0〔V〕になる。また、第1検出用電圧Voaは、図3(b)に示すように所定範囲内の電位となる。さらに、断線判定用電圧Vは、第2検出用電圧Vobと同様に0〔V〕になる。
すなわち、第2検出用電圧Vobは、第2電線h2が正常な場合に一定値であるが、第2電線h2が地絡すると、当該一定値とは全く異なる0〔V〕になる。演算装置Pは、特定のしきい値と第2検出用電圧Vobとを比較することにより、第2電線h2の地絡の有無を判断する。この場合においても、第2検出用電圧Vobは、第2電線h2に地絡が発生した場合の電位と第2電線h2が正常な場合の電位とは全く異なる値となるので、演算装置Pは、第2電線h2の地絡を検出することができる。
一方、第1電線h1に断線が発生すると、差動増幅器K3における演算増幅器の反転入力端子(−)は、一般的な演算増幅器における周知の「イマジナリ・ショート」の原理に基づいて非反転入力端子(+)の電位と等しくなる。この結果、断線判定用電圧Vは、図3(c)に示すように特定の値となる。また、第1検出用電圧Voaも断線判定用電圧Vと同様に上記特定の値となる。一方、第2検出用電圧Vobは、第1電線h1の断線の影響を受けないので、本来の値を維持する。
ここで、上記断線判定用電圧Vは、図3(c)に示すように、ワイヤーハーネスWHが正常な状態における断線判定用電圧Vとして見た場合に、点P1で示すように電源電圧Eの過電圧範囲に属する電圧値である。この電圧値は、上述したように差動増幅器K3の増幅度を1倍よりも低く設定したことによって得られたものである。
仮に、差動増幅器K3の増幅度を1倍に設定すると、断線判定用電圧Vは、図3(c)の点P2で示すように、電源電圧Eの正常電圧範囲に属する値となる。したがって、この場合には第1電線h1における断線の発生を正常に判定することができない。これに対して、本実施形態では、上述したように差動増幅器K3の増幅度を1倍から所定量だけ低く設定することにより、第1電線h1に断線が発生した場合の断線判定用電圧Vを電源電圧Eの過電圧範囲に属するように調整し、以って第1電線h1の断線の発生を正常に判定することを可能としている。
一方、第2電線h2に断線が発生すると、差動増幅器K3における演算増幅器の非反転入力端子(+)の電位は0〔V〕になるので、第1入力端子(AD1)に入力される断線判定用電圧Vは0〔V〕になる。一方、第1検出用電圧Voaは、ワイヤーハーネスWHの正常時と同様な電位なる。また、第2検出用電圧Vobは、断線判定用電圧Vと同様に0〔V〕になる。
すなわち、第2電線h2に断線が発生した場合、断線判定用電圧V、第1検出用電圧Voa及び第2検出用電圧Vobは、第1電線h1に地絡が発生した場合と同様な値となる。演算装置Pは、断線判定用電圧Vを所定のしきい値と比較することにより、第2電線h2の断線の有無を判断する。
このような本実施形態によれば、演算装置P(異常検出手段)において電源電圧Eを検出することに加え、演算装置PにおいてワイヤーハーネスWHの異常、つまり第1電線h1の地絡及び断線並びに第2電線h2の地絡及び断線を判定することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記実施形態では、差動増幅器K3の増幅度を1倍から所定量だけ小さく設定することにより、第1電線h1に断線が発生した場合の断線判定用電圧Vを電源電圧Eの過電圧範囲に属するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば演算装置P内で第1検出用電圧Voa及び第2検出用電圧Vobを1倍から所定量だけ小さな増幅度で差動増幅することにより断線判定用電圧Vを演算してもよい。この場合には、差動増幅器K3の増幅度を規定する抵抗器の抵抗値のばらつきの影響を排除することができるので、第1電線h1の断線の有無をより正確に判定することが可能となる。
(2)上記実施形態では、参照電圧発生器K1として直流電源Dの正極電圧と負極電圧とをそれぞれ降圧すると共に差動増幅する差動増幅器として構成したが、本発明はこれに限定されない。参照電圧発生器K1として種々の回路構成が考えられ、例えば抵抗分圧器と抵抗加算器を組み合わせた構成としてもよい。
(3)上記実施形態では、差動増幅器K3の増幅度を1倍から所定量だけ低く設定したが、本発明はこれに限定されない。例えば第1電線h1及び第2電線h2の地絡のみをワイヤーハーネスWH(伝送線路)の異常として検出すればよい場合には、第1検出用電圧Voa及び第2検出用電圧Vobのみによって第1電線h1及び第2電線h2の地絡を検出することができるので、差動増幅器K3の増幅度を1倍から所定量だけ低く設定する必要はない。
D…直流電源、K1…参照電圧発生器、K2…基準電圧発生器、WH…ワイヤーハーネス(伝送線路)、K3…差動増幅器、K4…I/F回路、K5…第1電圧供給回路、K6…第2電圧供給回路、P…演算装置(異常検出手段)

Claims (3)

  1. 直流電源の電源電圧を降圧して電源参照電圧を出力する参照電圧発生器と、
    所定の基準電圧を出力する基準電圧発生器と、
    前記電源参照電圧を第1の電源電圧検出用電圧として伝送すると共に前記基準電圧を第2の電源電圧検出用電圧として伝送する伝送線路と、
    前記第1の電源電圧検出用電圧と前記第2の電源電圧検出用電圧とを差動増幅する差動増幅器と、
    前記第1、第2の電源電圧検出用電圧に基づいて前記電源電圧を検出すると共に前記伝送線路の異常を検出する異常検出手段と
    を具備することを特徴とする電源電圧検出装置。
  2. 前記異常検出手段は、所定の増幅度で前記基準電圧と前記電源参照電圧とを差動増幅した電圧を断線判定用電圧として演算し、当該断線判定用電圧及び前記第1、第2の電源電圧検出用電圧に基づいて前記伝送線路の異常を検出する
    ことを特徴とする請求項1記載の電源電圧検出装置。
  3. 前記差動増幅器は、所定の増幅度を有し、
    前記異常検出手段は、前記差動増幅器の出力電圧を断線判定用電圧として取り込み、当該断線判定用電圧及び前記第1、第2の電源電圧検出用電圧に基づいて前記伝送線路の異常を検出する
    ことを特徴とする請求項1記載の電源電圧検出装置。
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