JP2017022969A - 電圧測定装置および電圧測定方法、並びに電圧制御装置および電圧制御方法 - Google Patents

電圧測定装置および電圧測定方法、並びに電圧制御装置および電圧制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】直列接続された2以上の蓄電素子を含む蓄電モジュールにおいて、各蓄電素子の電圧を正確に測定する。【解決手段】直列接続されたn個(2≦n)の蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧を個別に測定する第1〜第n電圧検出部と、蓄電素子B(1)と並列接続されたキャパシタとを具備し、蓄電素子B(1)〜B(n)は、nが大きくなる順序で高電位側に配置され、各蓄電素子の負極端子は、対応する第1スイッチを介して、キャパシタの第1端子と接続され、各蓄電素子の正極端子は、対応する第2スイッチを介して、キャパシタの第2端子と接続され、蓄電素子B(j)(j=1〜n)に対応する第1スイッチおよび第2スイッチを、SWj1およびSWj2とするとき、SWj1およびSWj2を閉じ、他の第1スイッチおよび第2スイッチを開くことで、キャパシタは蓄電素子B(j)と並列接続される、電圧測定装置。【選択図】図1

Description

本発明は、直列に接続された2以上の蓄電素子を含む蓄電モジュールにおいて、蓄電素子の電圧を個別に測定する装置および方法と、複数の蓄電素子の電圧を均等化する装置および方法に関する。
に関する。
蓄電モジュールの多くは、直列に接続された複数の蓄電素子を含んでいる。複数の蓄電素子は、同じ種類であっても、全く同じ特性を有するわけではなく、それぞれ独自の特性を有している。これは製造時の条件のバラツキ、劣化の進行度の相違など、不可避な原因に基づいている。そのため、例えば、直列に接続された複数の蓄電素子のうち最も容量の小さい蓄電素子は、過充電または過放電となりやすい。蓄電素子の過充電または過放電が頻繁に繰り返されると、蓄電素子の劣化が進行し、蓄電モジュールの安定性も低下する。
そこで、複数の蓄電素子の電圧を、それぞれ個別に、動作保障下限電圧以上、動作保障上限電圧以下になるように制限するシステムが知られている。例えば、特許文献1は、複数の蓄電素子の電圧を、それぞれ個別に測定し、高電圧の蓄電素子を選択的に放電して、複数の蓄電素子の電圧を均等化する制御を提案している。
特開2013−226034号公報
直列に接続された複数の蓄電素子の電圧をそれぞれ個別に測定する場合、複数の電圧測定端子を用いることが一般的である。しかし、測定端子により誤差範囲にバラツキがあるため、高精度の測定は困難である。
また、蓄電モジュールの正極端子側は、直列に接続された複数の蓄電素子の電圧が積算されるため、高電位になっている。高電位の蓄電素子の電圧をそのまま測定端子に入力すると、電圧測定装置を構成する部品の耐電圧を超える場合がある。そこで、高電位の蓄電素子の電圧は、レベルシフト回路を用いて降圧してから測定される。このようなレベルシフト回路が介在することでも、電圧の測定値に誤差が生じる。一方、蓄電モジュールの負極端子側の蓄電素子の電圧は、レベルシフト回路を介さずに測定されるため、測定値のバラツキは更に大きくなる。
ところで、電圧の均等化は、通常、複数の蓄電素子にそれぞれ並列に接続されている抵抗に電流を流し、高電圧の蓄電素子を放電することにより行われる。よって、均等化の際に電流が流れる抵抗は、常に同じである。この場合、均等化の際に流れる電流を大きく変更することは困難である。一方、蓄電モジュールの使用状況により、均等化のための電流値を変更したいという要請もある。例えば、時間的に余裕がある場合には、より多くの抵抗を介して電流を流すことにより、電流値を小さくして緩やかな条件で均等化することが望ましい。
上記に鑑み、本発明の一局面は、直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する電圧測定装置であって、前記B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する第1〜第n電圧検出部と、前記B(1)〜B(n)と前記第1〜第n電圧検出部との接続状態を切り替えるスイッチ回路と、前記スイッチ回路を駆動するSW制御部と、前記第1〜第n電圧検出部および前記SW制御部と連絡し合う演算処理装置と、を具備し、前記B(1)〜B(n)は、nが大きくなる順序で高電位側に配置され、前記スイッチ回路は、前記B(1)と並列に接続されたキャパシタを具備し、前記スイッチ回路において、前記B(1)〜B(n)の負極端子は、それぞれ対応する第1スイッチを介して、前記キャパシタの第1端子と接続され、前記B(1)〜B(n)の正極端子は、それぞれ対応する第2スイッチを介して、前記キャパシタの第2端子と接続され、前記第1電圧検出部と前記キャパシタの前記第1端子との間に、第3スイッチSW3が介在しており、前記B(j)(jは1〜nから選ばれる1つの整数)に対応する前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを、それぞれSWj1およびSWj2とするとき、前記演算処理装置の指令により、前記SW制御部が、SWj1およびSWj2を閉じ、他の前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを開くことで、前記キャパシタが、前記B(j)と並列に接続される、電圧測定装置に関する。
また、本発明の一局面は、上記の電圧測定装置を用いて、前記B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する方法であって、(i)SW3、SW11およびSW12を閉じ、他の前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを開いた通常モードで、前記B(1)〜B(n)の電圧を、前記第1〜n電圧検出部により測定する工程と、(ii)SW11およびSW12を開いて前記通常モードを解除し、SW3を開いた後、SWj1およびSWj2(jは2〜nから選ばれる1つの整数)を閉じ、前記B(j)の電圧を前記キャパシタに読み取らせる工程と、(iii)前記キャパシタに前記B(j)の電圧を読み取らせた後、SWj1およびSWj2を開く工程と、(iv)SWj1およびSWj2を開いた後、SW3を閉じて前記B(j)の電圧を読み取らせた前記キャパシタの電圧を前記第1電圧検出部で測定する工程と、(v)前記キャパシタの電圧を前記第1電圧検出部で測定した後、SW12およびSW21を閉じて、前記キャパシタを放電させる工程と、(vi)前記第j電圧検出部により測定された測定値を、前記第1電圧検出部により測定された前記キャパシタの電圧の測定値に基づいて補正する工程と、を具備する、電圧測定方法に関する。
本発明の別の局面は、直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する第1〜第n電圧検出部を具備する電圧測定部と、前記B(1)〜B(n)と前記第1〜第n電圧検出部との接続状態を切り替えるスイッチ回路と、前記スイッチ回路を駆動するSW制御部と、前記第1〜第n電圧検出部および前記SW制御部と連絡し合う演算処理装置と、を具備し、前記B(1)〜B(n)は、nが大きくなる順序で高電位側に配置され、前記電圧測定部は、前記B(1)〜B(n)の負極端子の電位を入力するための端子T(1)〜T(n)と、前記B(n)の正極端子の電位を入力するための端子T(n+1)と、を有し、前記スイッチ回路は、前記B(1)〜B(n)の前記負極端子および前記B(n)の前記正極端子と、前記T(1)〜T(n+1)と、をそれぞれ接続するラインL(1)〜L(n+1)と、前記L(1)と、前記L(2)〜L(n+1)と、をそれぞれ接続するバイパスラインBL1(1)〜BL1(n)と、前記L(2)と、前記L(3)〜L(n+1)と、をそれぞれ接続するバイパスラインBL2(2)〜BL2(n)と、を具備し、前記BL1(1)〜BL1(n)は、それぞれ第1スイッチSW1(1)〜SW1(n)を有し、前記第1スイッチSW1(1)〜SW1(n)に、それぞれ直列に抵抗Rが接続されており、前記BL2(2)〜BL2(n)は、それぞれ第2スイッチSW2(2)〜SW2(n)を有し、前記第2スイッチSW2(2)〜SW2(n)に、それぞれ直列に抵抗Rが接続されており、前記L(1)は、前記BL1(1)〜BL1(n)との接続点よりも前記負極端子側に、第3スイッチSW3を有し、前記L(2)は、前記BL1(1)との接続点と、前記BL2(2)〜BL2(n)との接続点との間に、第4スイッチSW4を有し、前記L(3)は、前記BL1(2)との接続点および前記BL2(2)との接続点よりも前記負極端子側に、第5スイッチSW5を有する、電圧制御装置に関する。
また、本発明の別の局面は、上記の電圧制御装置を用いて、前記B(1)〜B(n)の電圧を均等化する工程を含む電圧制御方法であって、前記SW制御部は、全ての前記スイッチを、複数の候補モードから選択されたモードに設定する機能を具備し、前記複数の候補モードは、通常モード、第1均等化モードおよび第2均等化モードを含み、前記通常モードでは、前記SW3〜SW5を閉じ、かつ他の前記スイッチを開き、前記第1均等化モードでは、前記B(1)〜B(n)から選択される少なくとも1つが第1電流で放電されるように、全ての前記スイッチが制御され、前記第2均等化モードでは、前記B(1)〜B(n)から選択される少なくとも1つが第2電流で放電されるように、全ての前記スイッチが制御され、前記第1電流が流れる回路は、前記抵抗Rの1個分相当の抵抗値を有し、前記第2電流が流れる回路は、前記抵抗Rの2個分相当の抵抗値を有し、(i)前記電圧測定部により、前記B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する工程と、(ii)前記電圧測定部により測定された測定値に基づき、均等化目標電圧Vmを設定する工程と、(iii)前記Vmに基づいて、前記B(1)〜B(n)の少なくとも1つを、前記第1均等化モードまたは前記第2均等化モードで放電する工程と、を有する、電圧制御方法に関する。
本発明の上記局面によれば、直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子を含む蓄電モジュールにおいて、複数の蓄電素子の電圧を、それぞれ個別に、かつ高精度に測定することができる。
本発明の上記別の局面によれば、直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子を含む蓄電モジュールにおいて、複数の蓄電素子の電圧を均等化する際に、状況に応じて、電流値を変更することができる。
本発明の一実施形態に係る電圧測定装置(電源装置)の一例の回路構成図である。 蓄電モジュールの正極端子側の蓄電素子の電圧を測定する場合における測定値の誤差を示す図である。 蓄電モジュールの負極端子側の蓄電素子の電圧を測定する場合における測定値の誤差を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電圧測定方法における補正モードの制御の一例を示すフロー図である。 スイッチ回路の故障の有無を確認するための手順を示すフロー図である。 本発明の一実施形態に係る電圧制御装置(電源装置)の一例の回路構成図である。 本発明の一実施形態に係る電圧制御方法の一例を示すフロー図である。 本発明の一実施形態に係る電圧制御方法における補正モードの制御の一例を示すフロー図である。
[発明の実施形態の説明]
最初に発明の実施形態の内容を列記して説明する。
[1]本実施形態に係る蓄電モジュールの電圧測定装置は、直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する機能を有する。電圧測定装置は、B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する第1〜第n電圧検出部と、B(1)〜B(n)と第1〜第n電圧検出部との接続状態を切り替えるスイッチ回路と、スイッチ回路を駆動するSW制御部と、第1〜第n電圧検出部およびSW制御部と連絡し合う演算処理装置とを具備する。B(1)〜B(n)は、nが大きくなる順序で高電位側に配置されている。スイッチ回路は、B(1)と並列に接続されたキャパシタを具備する。スイッチ回路において、B(1)〜B(n)の負極端子は、それぞれ対応する第1スイッチ(−)を介して、キャパシタの第1端子(−)と接続されている。一方、B(1)〜B(n)の正極端子は、それぞれ対応する第2スイッチ(+)を介して、キャパシタの第2端子(+)と接続されている。
第1電圧検出部と、キャパシタの第1端子(−)との間には、第3スイッチSW3が介在している。これにより、B(j)(jは2〜nから選ばれる1つの整数)をキャパシタと並列に接続する際に、B(j−1)の正極端子がグランド(GND)と接続されてショートすることを防止することができる。
また、第1電圧検出部と、キャパシタの第2端子(+)との間には、第4スイッチSW4を介在させてもよい。これにより、蓄電素子B(j)(jは2〜nから選ばれる1つの整数)をキャパシタと並列に接続する際に、第1電圧検出部に高電圧が印加されることを防止できる。よって、耐圧限界を超えて第1電圧検出部に電圧が印加される状況を回避できる。また、第1電圧検出部の耐圧を比較的低く設定することが可能となる。
上記電圧測定装置は、蓄電素子B(j)(jは1〜nから選ばれる1つの整数)に対応する第1スイッチ(−)および第2スイッチ(+)を、それぞれSWj1およびSWj2とするとき、SWj1およびSWj2を閉じ、他の第1スイッチ(−)および第2スイッチ(+)を開くことで、キャパシタは蓄電素子B(j)と並列に接続されるように構成されている。このような各スイッチの開閉もしくはスイッチ回路の駆動は、演算処理装置と連絡し合うSW制御部により行われる。
上記電圧測定装置によれば、蓄電モジュールを構成する任意の蓄電素子B(j)の電圧を、同一のキャパシタに読み取らせることが可能である。一方、第1電圧検出部は、常に、キャパシタの第1端子(−)と第2端子(+)との端子間電圧を測定する。これにより、第1電圧検出部が具備する同一の測定端子により、全ての蓄電素子の電圧を測定することが可能となる。このように測定された測定値の間では、測定端子に違いがないため、バラツキが抑制される。
第1〜第n電圧検出部のうち、第1電圧検出部に入力される電位(ポテンシャル)は最も低く、第n電圧検出部に入力される電位は最も高くなっている。よって、第1電圧検出部には、常にレベルシフト回路を介さずに蓄電素子の電圧を入力することができる。これにより、レベルシフト回路が介在することによる測定値の誤差も同時に解消することができる。
キャパシタを任意の蓄電素子B(j)と並列に接続するために、例えば、第1スイッチ(−)の中では、SW11を、蓄電素子(1)の負極端子と電位的に最も近くなるように配置する。また、第2スイッチ(+)の中では、SW12を、蓄電素子(1)の正極端子と電位的に最も近くなるように配置する。このとき、SW21は、蓄電素子(1)と並列に接続され、かつSW12とも並列に接続されるように配置される。
[2]上記電圧測定装置は、(i)SW制御部が、SW3、SW11およびSW12を閉じ、他の第1スイッチおよび第2スイッチを開いて、スイッチ回路を通常モードに設定し、通常モードで、第1〜n電圧検出部が、B(1)〜B(n)の電圧を測定する工程と、(ii)SW制御部が、SW11およびSW12を開いて通常モードを解除し、SW3を開いた後、SWj1およびSWj2(jは2〜nから選ばれる1つの整数)を閉じ、B(j)の電圧をキャパシタに読み取らせる工程と、(iii)キャパシタにB(j)の電圧を読み取らせた後、SW制御部が、SWj1およびSWj2を開く工程と、(iv)SWj1およびSWj2を開いた後、SW制御部が、SW3を閉じ、第1電圧検出部が、B(j)の電圧を読み取らせたキャパシタの電圧を測定する工程と、(v)第1電圧検出部が、キャパシタの電圧を測定した後、SW制御部が、SW12およびSW21を閉じて、キャパシタを放電させる工程と、(vi)演算処理装置が、第j電圧検出部により測定された測定値を、第1電圧検出部により測定されたキャパシタの電圧の測定値に基づいて補正する工程と、をこの順で実行する機能を有する。
[3]上記電圧測定装置は、SWj1およびSWj2(jは2〜nから選ばれる1つの整数)を閉じてB(j)の電圧をキャパシタに読み取らせる前に、(a)SW制御部が、SW12およびSW21を閉じた後、SW12およびSW21を開く工程と、(b)SW制御部が、SW3を閉じ、第1電圧検出部が、キャパシタの電圧を測定する工程と、(c)工程(b)において測定されたキャパシタの電圧を閾値と対比し、閾値以上であるときには、演算処理装置がSW11の異常を検知する工程と、(d)SW11が正常であるとき(すなわちSW11の異常が検知されないとき)に、SW制御部が、SW11を閉じ、第1電圧検出部が、キャパシタの電圧を測定する工程と、(e)工程(d)において測定されたキャパシタの電圧を閾値と対比し、閾値以上であるときには、演算処理装置がSW12の異常を検知する工程と、をこの順で実行する機能を有することが望ましい。
上記工程(a)〜(e)は、スイッチ回路(ここではSW11およびSW12)の故障の有無を確認するために行われる。SW11およびSW12が故障して閉じた状態(ON状態)で固定されてしまうと、SWj1およびSWj2を閉じてB(j)の電圧をキャパシタに読み取らせる際に、B(j)とB(1)とが並列に接続されてしまい、正確な電圧測定が困難になる。特にSWj1およびSWj2に直列抵抗が接続されていない場合を想定すると、高電位のB(j)とB(1)とが短絡するおそれがある。よって、SW11およびSW12の故障の有無を予め確認することが望まれる。仮にSW11が故障して閉じた状態で固定されている場合、工程(a)でSW12およびSW21を閉じた際にキャパシタを放電させることができず、工程(b)ではキャパシタの電圧としてB(1)の電圧が検出される。一方、SW11が正常な場合、工程(b)では放電後のキャパシタの電圧(例えば0Vに近い電圧)が検出される。よって、工程(c)では、検出される電圧から、SW11の故障の有無を検知することができる。
また、SW12が故障して閉じた状態であり、SW11が正常な場合は、工程(d)でSW11を閉じたときに、B(1)の電圧が第1電圧検出部で検出される。よって、SW12の故障も工程(e)で検知される。
ここで、キャパシタの電圧と対比される電圧の閾値は、予め測定されたB(1)の電圧V1を基準に設定してもよく、B(1)の過放電電圧V1´を基準に設定してもよい。通常、B(1)の電圧は、過放電電圧より高く維持されている。よって、工程(b)または(d)で、キャパシタの電圧としてB(1)の過放電電圧V1´未満の電圧が検出された場合には、SW12およびSW21は正常であるといえる。ただし、通常は、キャパシタを放電すると、キャパシタの電圧は短時間でゼロになるため、閾値を0V付近に設定すればよい。すなわち、電圧の閾値Vaは、0≦Va<V1もしくは0≦Va<V1´を満たすように設定すればよい。
[4]上記電圧測定装置のスイッチ回路は、少なくとも、SW11およびSW12以外の第1スイッチ(−)および第2スイッチ(+)にそれぞれ直列に接続された抵抗を具備することが好ましい。このような抵抗は、電圧を均等化する制御において、蓄電素子が蓄える電気エネルギーの一部を消費するために利用することができる。このとき、演算処理装置は、更に、B(1)〜B(n)の電圧の測定値に基づいて、B(1)〜B(n)の電圧の均等化目標電圧を算出する計算部と、均等化目標電圧に基づいて、B(1)〜B(n)をそれぞれ個別に充電または放電する充放電制御部とを具備すればよい。放電の際には、上記抵抗に電流が流れ、蓄電素子が蓄える電気エネルギーの一部が消費される。
ここで、均等化とは、B(1)〜B(n)の電圧にバラツキが生じているときに、B(1)〜B(n)の少なくとも一部を、それぞれ個別に放電または充電して、これらの電圧をできるだけ揃える処理である。揃えられたときの電圧が均等化電圧であり、その目標値が均等化目標電圧である。
[5]第1電圧検出部とキャパシタの第2端子との間には、第3スイッチとともに開閉される第4スイッチSW4が介在していてもよい。第3スイッチと第4スイッチは、連動して開閉する。すなわち、第3スイッチが開くときは、第4スイッチも開くように、第3スイッチが閉じるときは、第4スイッチも閉じるように制御される。
[6]本実施形態に係る電圧測定方法は、上記の電圧測定装置を用いて、蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する方法であり、(i)SW3、SW11およびSW12を閉じ、他の第1スイッチ(−)および第2スイッチ(+)を開いた通常モードで、B(1)〜B(n)の電圧を、第1〜n電圧検出部により測定する工程と、(ii)SW11およびSW12を開いて通常モードを解除し、更にSW3を開いて補正モードに移行した後、SWj1およびSWj2(jは2〜nから選ばれる1つの整数)を閉じ、B(j)の電圧をキャパシタに読み取らせる工程を具備する。
補正モードは、更に、(iii)キャパシタにB(j)の電圧を読み取らせた後、SWj1およびSWj2を開く工程と、(iv)SWj1およびSWj2を開いた後、SW3を閉じてB(j)の電圧を読み取らせたキャパシタの電圧を第1電圧検出部で測定する工程と、(v)キャパシタの電圧を第1電圧検出部で測定した後、SW12およびSW21を閉じて、キャパシタを放電させる工程と、(vi)第j電圧検出部により測定された測定値を、第1電圧検出部により測定されたキャパシタの電圧の測定値に基づいて補正する工程とを具備する。なお、工程(v)および工程(vi)の実行の順序は限定されない。
上記電圧測定方法によれば、通常モードでは、第1〜第n電圧検出部による電圧測定を行い、適時に補正モードに移行して、キャパシタを介した電圧測定を行うことができる。これにより、第1〜第n電圧検出部による測定値を、適時に、キャパシタの電圧の測定値で補正することができる。
[7]工程(v)または(vi)の後、通常モードに戻るときは、SW21を開き、SW11を閉じればよい。また、続いて他のB(j)の補正を行うときは、SW21を開き、工程(ii)に戻ればよい。また、続いてB(2)の補正を行うときは、SW21を閉じたままで、工程(ii)に戻ればよい。
[8]上記電圧測定方法は、SWj1およびSWj2(jは2〜nから選ばれる1つの整数)を閉じてB(j)の電圧をキャパシタに読み取らせる前に、(a)SW12およびSW21を閉じた後、SW12およびSW21を開く工程と、(b)工程(a)の後、SW3を閉じてキャパシタの電圧を第1電圧検出部で測定する工程と、(c)工程(b)において測定されたキャパシタの電圧を閾値と対比し、閾値以上であるときには、SW11の異常を検知する工程と、(d)SW11が正常であるときに、SW11を閉じてキャパシタの電圧を第1電圧検出部で測定する工程と、(e)工程(d)において測定されたキャパシタの電圧が閾値以上であるときに、SW12の異常を検知する工程と、を具備することが好ましい。
次に、別の実施形態の内容を列記して説明する。
[9]本実施形態に係る電圧制御装置は、直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する第1〜第n電圧検出部を具備する電圧測定部と、B(1)〜B(n)と第1〜第n電圧検出部との接続状態を切り替えるスイッチ回路と、スイッチ回路を駆動するSW制御部と、第1〜第n電圧検出部およびSW制御部と連絡し合う演算処理装置とを具備する。B(1)〜B(n)は、蓄電モジュールを構成しており、nが大きくなる順序で高電位側に配置されている。
電圧制御装置を構成する電圧測定部は、B(1)〜B(n)の負極端子の電位を入力するための端子T(1)〜T(n)と、B(n)の正極端子の電位を入力するための端子T(n+1)と、を有する。
B(2)〜B(n)の負極端子の電位は、隣接する蓄電素子の正極端子の電位と、実質的に同じである。ただし、B(i)とB(i+1)との間に低い抵抗の部品が介在することにより、B(i)の正極端子の電位とB(i+1)の負極端子の電位との間に僅かに差が生じる場合もある。このような場合でも、その差が僅かであり、電圧制御に大きな影響を及ぼさない程度であれば、B(i)の正極端子の電位とB(i+1)の負極端子の電位を実質的に同じと見なしてよい。また、端子T(1)〜T(n+1)に入力される負極端子および正極端子の電位は、対応する電極端子の電位を実質的に反映していればよい。
電圧制御装置を構成するスイッチ回路は、B(1)〜B(n)の負極端子およびB(n)の正極端子と、T(1)〜T(n+1)と、をそれぞれ接続するラインL(1)〜L(n+1)を有する。また、スイッチ回路は、L(1)と、L(2)〜L(n+1)と、をそれぞれ接続するバイパスラインBL1(1)〜BL1(n)を有する。更に、スイッチ回路は、L(2)と、L(3)〜L(n+1)と、をそれぞれ接続するバイパスラインBL2(2)〜BL2(n)を有する。
換言すれば、スイッチ回路は、T(1)とT(2)〜T(n+1)とをバイパスするラインBL1(1)〜BL1(n)と、T(2)とT(3)〜T(n+1)とをバイパスするラインBL2(2)〜BL2(n)を具備する。
ここで、「ライン」もしくは「バイパスライン」とは、回路内のある点と別の点とを導通させる導電経路であり、ライン上には、導通を切断および回復可能なスイッチが存在してもよい。
BL1(1)〜BL1(n)は、それぞれ第1スイッチSW1(1)〜SW1(n)を有する。第1スイッチSW1(1)〜SW1(n)には、それぞれ直列に抵抗Rが接続されている。同様に、BL2(2)〜BL2(n)は、それぞれ第2スイッチSW2(2)〜SW2(n)を有する。第2スイッチSW2(2)〜SW2(n)には、それぞれ直列に抵抗Rが接続されている。
複数存在する抵抗Rは、いずれも同じ抵抗値を有することが望ましいが、多少の相違があってもよい。ただし、電圧制御を簡易かつ正確性に行う観点から、複数存在する抵抗Rの最大値と最小値との差は、最小値の5%以下であることが望ましい。この場合、複数の抵抗Rの抵抗値は、実質的に同じであると考えてよい。
L(1)は、BL1(1)〜BL1(n)との接続点よりもB(1)の負極端子側に、第3スイッチSW3を有する。L(2)は、BL1(1)との接続点と、BL2(2)〜BL2(n)との接続点との間に、第4スイッチSW4を有する。L(3)は、BL1(2)との接続点およびBL2(2)との接続点よりもB(3)の負極端子側に、第5スイッチSW5を有する。
換言すれば、B(1)の負極端子とBL1(1)〜BL1(n)との接続は第3スイッチによりオン/オフされ、BL1(1)とBL2(2)〜BL2(n)との接続は第4スイッチによりオン/オフされ、B(3)の負極端子とBL1(2)およびBL2(2)との接続は第5スイッチによりオン/オフされる。
上記のように、導通を切断および回復可能な複数のスイッチを配置するとともに、複数の抵抗Rを配置することで、複数の蓄電素子の電圧を均等化する場合の放電の経路を少なくとも2つ形成することが可能となり、状況に応じて電流値を変更することが可能となる。
[10]以上のように状況に応じて電流値を変更するために、SW制御部は、例えば、全てのスイッチを、複数の候補モードから選択されたモードに設定する機能を具備する。ここで、複数の候補モードは、通常モード、第1均等化モードおよび第2均等化モードを含む。
演算処理装置の指令により、通常モードでは、SW制御部により、SW3〜SW5が閉じられてオン(ON)状態(導通状態)となり、他のスイッチが開かれてオフ(OFF)状態(非導通状態)となる。これにより、B(1)〜B(n)は、それぞれ第1〜第n電圧検出部と接続され、B(1)〜B(n)の電圧が個別に測定される。すなわち、B(1)〜B(n)の負極端子は、それぞれ端子T(1)〜T(n)と接続され、B(n)の正極端子は端子T(n+1)と接続される。このとき、B(1)〜B(n−1)の正極端子は、それぞれ端子T(2)〜T(n)と接続される。
第1均等化モードでは、SW制御部により、B(1)〜B(n)から選択される少なくとも1つが第1電流で放電されるように、全てのスイッチが制御され、第2均等化モードでは、B(1)〜B(n)から選択される少なくとも1つが第2電流で放電されるように、全てのスイッチが制御される。ただし、第1電流が流れる回路は、抵抗Rの1個分相当の抵抗値を有し、第2電流が流れる回路は、抵抗Rの2個分相当の抵抗値を有する。
具体的には、B(1)を第1均等化モードで放電する場合には、SW1(1)およびSW3が閉じられ、他のスイッチが開かれる。B(1)を第2均等化モードで放電する場合には、SW3、SW4、SW1(2)およびSW2(2)が閉じられ、他のスイッチが開かれる。
B(2)を第1均等化モードで放電する場合には、SW4、SW5およびSW2(2)が閉じられ、他のスイッチが開かれる。B(2)を第2均等化モードで放電する場合には、SW5、SW1(1)およびSW1(2)が閉じられ、他のスイッチが開かれる。
B(i)(iは、3〜nから選択される1つの整数)を第1均等化モードで放電する場合には、SW1(i−1)、SW1(i)、SW2(i)およびSW2(i−1)が閉じられ、他のスイッチが開かれる。B(i)を第2均等化モードで放電する場合には、SW1(i−1)およびSW1(i)が閉じられ、またはSW2(i)およびSW2(i−1)が閉じられ、他のスイッチが開かれる。
[11]上記のように、通常モードでは、B(1)〜B(n)の電圧が、それぞれ第1〜第n電圧検出部により測定される。測定値に基づいて、電圧の均等化が行われる。よって、演算処理装置は、B(1)〜B(n)の電圧の測定値に基づいて、B(1)〜B(n)の電圧の均等化目標電圧Vmを算出する計算部を具備する。SW制御部は、計算部で算出されたVmに基づいて、B(1)〜B(n)の少なくとも1つを、第1均等化モードまたは第2均等化モードで放電する。
[12]スイッチ回路は、更に、B(1)と並列に接続されたキャパシタを具備することが好ましい。B(1)の負極端子は、キャパシタの第1端子と接続され、B(1)の正極端子は、キャパシタの第2端子と接続される。このとき、複数の候補モードは、補正モードを含み、SW制御部は、補正モードを選択することができる。補正モードでは、キャパシタが、B(2)〜B(n)のいずれか1つと並列に接続されるように、SW制御部によりスイッチが制御される。キャパシタの電圧は、常に、第1電圧検出部で測定される。これにより、演算処理装置は、通常モードで測定された測定値を、第1電圧検出部により測定されたキャパシタの電圧の測定値に基づいて補正することができる。
ただし、端子T(1)と、キャパシタの第1端子との間には、第6スイッチSW6が介在している。これにより、蓄電素子B(j)(jは2〜nから選ばれる1つの整数)をキャパシタと並列に接続する際に、蓄電素子B(j−1)の正極端子がグランド(GND)と接続されてショートすることを防止することができる。このとき、ラインL(1)は、BL1(1)〜BL1(n)の何れとの接続点よりも端子T(1)側に、キャパシタの第1端子との接続点を有することが好ましい。
また、端子T(2)と、キャパシタの第2端子との間には、第6スイッチSW6とともに開閉される第7スイッチSW7が介在してもよい。これにより、蓄電素子B(j)(jは2〜nから選ばれる1つの整数)をキャパシタと並列に接続する際に、第1電圧検出部に高電圧が印加されることを防止できる。よって、耐圧限界を超えて第1電圧検出部に電圧が印加される状況を回避できる。また、第1電圧検出部の耐圧を比較的低く設定することが可能となる。このとき、ラインL(2)は、BL2(2)〜BL2(n)の何れとの接続点よりも端子T(2)側に、キャパシタの第2端子との接続点を有することが好ましい。
なお、上記電圧制御装置によれば、蓄電モジュールを構成する任意の蓄電素子の電圧を、同一のキャパシタに読み取らせることが可能である。キャパシタの電圧は、常に、第1電圧検出部が具備する同一の測定端子により測定される。よって、測定値には、測定端子に違いがなく、バラツキが抑制される。また、第1〜第n電圧検出部のうち、第1電圧検出部に入力される電位(ポテンシャル)は最も低くなっている。よって、第1電圧検出部には、常にレベルシフト回路を介さずに蓄電素子の電圧を入力することができる。これにより、レベルシフト回路が介在することによる測定値の誤差も同時に解消することができる。
ここで、均等化とは、蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧にバラツキが生じているときに、蓄電素子B(1)〜B(n)の少なくとも一部を、それぞれ個別に放電または充電して、これらの電圧をできるだけ揃える処理である。揃えられたときの電圧が均等化電圧であり、その目標値が均等化目標電圧である。
[13]端子T(2)とキャパシタの第2端子との間に、更に、第7スイッチSW7を設けてもよい。第6スイッチと第7スイッチは、連動して開閉する。すなわち、第6スイッチが開くときは、第7スイッチも開くように、第6スイッチが閉じるときは、第7スイッチも閉じるように制御される。
[14]次に、本実施形態に係る電圧制御方法は、上記電圧制御装置を用いて、蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧を均等化する工程を含む。具体的には、SW制御部により、全てのスイッチが、複数の候補モードから選択された所定のモードに設定される。複数の候補モードは、通常モード、第1均等化モードおよび第2均等化モードを含む。通常モードでは、SW3〜SW5が閉じられ、他のスイッチが開かれ、B(1)〜B(n)の電圧が、それぞれ第1〜第n電圧検出部により測定される。
[15]第1均等化モードでは、B(1)〜B(n)から選択された少なくとも1つの蓄電素子が第1電流で放電されるように、上記のように全てのスイッチが制御される。第2均等化モードでは、B(1)〜B(n)から選択された少なくとも1つの蓄電素子が第2電流で放電されるように、上記のように全てのスイッチが制御される。
すなわち、本実施形態に係る電圧制御方法は、(i)電圧測定部により、B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する工程と、(ii)電圧測定部により測定された測定値に基づき、均等化目標電圧Vmを設定する工程と、(iii)Vmに基づいて、B(1)〜B(n)の少なくとも1つを、第1均等化モードまたは第2均等化モードで放電する工程と、を有する。
[16]電圧制御装置が、B(1)と並列に接続されたキャパシタを具備する場合には、適時に、通常モードで得られたB(2)〜B(n)の電圧を補正してもよい。このとき、B(1)の負極端子は、キャパシタの第1端子と接続され、B(1)の正極端子は、キャパシタの第2端子と接続され、端子T(1)とキャパシタの第1端子との間には、第6スイッチSW6が設けられる。電圧を補正するときは、(I)SW6、SW3およびSW4を開いて通常モードを解除した後、所定のスイッチを閉じ、B(i)(i≠1)の電圧をキャパシタに読み取らせる工程と、(II)キャパシタにB(i)の電圧を読み取らせた後、所定のスイッチを開く工程と、(III)所定のスイッチを開いた後、SW6を閉じ、B(i)の電圧を読み取らせたキャパシタの電圧を第1電圧検出部で測定する工程と、(IV)キャパシタの電圧を第1電圧検出部で測定した後、キャパシタを放電させる工程と、(V)第i電圧検出部により測定された測定値を、第1電圧検出部により測定されたキャパシタの電圧の測定値に基づいて補正する工程と、が行われる。なお、工程(IV)および工程(V)の実行の順序は限定されない。
すなわち、通常モードでは、第1〜第n電圧検出部による電圧測定を行い、適時に補正モードに移行して、キャパシタを介した電圧測定が行われる。これにより、第1〜第n電圧検出部による測定値を、適時に、キャパシタの電圧の測定値で補正することができる。
なお、キャパシタを放電させる際には、例えば、SW1(1)およびSW4を閉じればよい。その後、通常モードに戻るときは、SW1(1)を開き、SW3を閉じればよい。また、続いて他の蓄電素子B(j)(j≠2)の補正を行うときは、SW1(1)およびSW4を開き、工程(I)に戻ればよい。また、続いて蓄電素子B(2)の補正を行うときは、SW4を開き、SW1(1)を閉じたままで、工程(I)に戻ればよい。
[17]上記電圧制御方法では、B(j)(j≠1)の電圧をキャパシタに読み取らせる前に、(a)SW1(1)およびSW4を閉じた後、SW1(1)およびSW4を開く工程と、(b)工程(a)の後、SW6を閉じてキャパシタの電圧を第1電圧検出部で測定する工程と、(c)工程(b)において測定されたキャパシタの電圧を閾値と対比し、閾値以上であるときには、SW3の異常を検知する工程と、(d)SW3が正常であるとき(すなわちSW3の異常が検知されないとき)に、SW3を閉じてキャパシタの電圧を第1電圧検出部で測定する工程と、(e)工程(d)において測定されたキャパシタの電圧が閾値以上であるときに、SW4の異常を検知する工程と、を具備することが好ましい。これにより、SW3および/またはSW4の故障の有無を検知することができる。
[発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態を、適宜図面を参照しつつ以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
(第1実施形態)
図1に、本実施形態に係る電圧測定装置を包含する電源装置の一例の回路構成図を示す。以下では、電圧測定装置と、直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子B(1)〜B(n)を含む蓄電モジュールと、を具備する電源装置の実施形態について説明する。
電源装置100は、蓄電モジュール101と、蓄電モジュール101と接続されるスイッチ回路(電圧制御回路)105と、当該回路を介して蓄電モジュール101と接続されるモジュール制御部102と、蓄電モジュール101およびモジュール制御部102とそれぞれ通信が可能な演算処理装置103と、を備えている。
蓄電モジュール101は、直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子B(1)〜B(n)を含み、蓄電素子B(1)〜B(n)は、nが大きくなる順序で高電位側に配置されている。なお、図示例では、便宜上、4つの蓄電素子が描画されているが、ここでは蓄電素子の数およびこれに対応する構成要素はn個(2≦n)であると解釈する。
モジュール制御部102は、第1電圧測定部11、第2電圧測定部(VMS)12およびSW制御部(SW−Ct)13を具備する。第1電圧測定部11は、蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する第1電圧検出部VS(1)〜第n電圧検出部VS(n)を含み、第2電圧測定部12は、蓄電モジュール101の電圧(すなわち蓄電素子B(1)〜B(n)の積算電圧)を測定する。具体的には、蓄電素子B(j)(jは1からnの整数)の負極端子は、第j電圧検出部VS(j)の第1端子(−)と接続されるように構成され、蓄電素子B(j)の正極端子は、第j電圧検出部VS(j)の第2端子(+)と接続されるように構成されている。第1電圧測定部11(第1〜第n電圧検出部)、第2電圧測定部(VMS)12およびSW制御部13は、演算処理装置103と連絡し合っており、各電圧測定部で得られた測定値は、通信手段104を介して演算処理装置103に送信される。SW制御部13は、演算処理装置103からの制御命令に応じて、各スイッチの開閉(オン/オフ)を制御する。
スイッチ回路105は、第1電圧検出部VS(1)の第1端子(−)と第2端子(+)との端子間に接続されるキャパシタCを具備する。キャパシタCは、通常モードでは、蓄電素子B(1)と並列に接続されている。一方、更なる複数の接続線により、スイッチ回路105は、蓄電素子B(1)〜B(n)の負極端子を、それぞれ対応する第1スイッチ(−)を介して、キャパシタの第1端子(−)と接続し、かつ蓄電素子B(1)〜B(n)の正極端子を、それぞれ対応する第2スイッチ(+)を介して、キャパシタの第2端子(+)と接続するように構成されている。また、キャパシタの第1端子(−)と、第1電圧検出部VS(1)の第1端子(−)との間には、第3スイッチSW3が介在している。図示例では、キャパシタの第2端子(+)と、第1電圧検出部VS(1)の第2端子(+)との間に、第4スイッチSW4が介在しているが、SW4は必須ではない。
すなわち、蓄電素子B(1)の負極端子と、第1電圧検出部VS(1)の第1端子(−)と、を連絡する最低電位を有するラインと、蓄電素子B(j)(j≠1)の負極端子と、第j電圧検出部VS(j)の第1端子(−)と、を連絡するより高いポテンシャルを有するラインとの間に、それぞれ対応する接続線(バイパスライン)が設けられている。各接続線の途中には、蓄電素子B(j)対応する第1スイッチ(−)が介在している。
同様に、蓄電素子B(1)の正極端子と、第1電圧検出部VS(1)の第2端子と、を連絡する2番目に低い電位を有するラインと、蓄電素子B(j)(j≠1)の正極端子と、第j電圧検出部VS(j)の第2端子と、を連絡するより高いポテンシャルを有するラインとの間にも、それぞれ対応する接続線(バイパスライン)が設けられている。各接続線の途中には、蓄電素子B(j)対応する第2スイッチ(+)が介在している。
図示例では、第1スイッチ(−)の中で、SW11が、蓄電素子(1)の負極端子と電位的に最も近くに配置されている。よって、SW11以外の第1スイッチ(−)および第2スイッチ(+)と、蓄電素子(1)の負極端子との間には、常に、SW11が介在している。一方、第2スイッチ(+)の中では、SW12およびSW21が、蓄電素子(1)の正極端子と電位的に最も近くに配置されている。SW12およびSW21以外の第1スイッチ(−)および第2スイッチ(+)と蓄電素子(1)の正極端子との間には、常に、SW12またはSW21が介在している。図示されるように、SW21は、SW12と並列の関係にある。
なお、図示例の回路では、SWj1およびSWj2には、それぞれ抵抗Rj1およびRj2が接続されている(j≠1)。抵抗Rj1およびRj2は、複数の蓄電素子の電圧に格差が生じたときに、これらを均等化する際、蓄電素子の電気エネルギーの一部を消費するために用いることができる。
蓄電素子B(1)およびキャパシタCは、互いに並列に接続されているため、SW11およびSW12が閉じられ、他のスイッチが開いている状態では、キャパシタCの端子間電圧は、原則、蓄電素子B(1)の電圧と同じになっている。なお、SW3、SW4、SW11およびSW12が閉じられ、他のスイッチが開いている状態は、通常モードである。通常モードでは、蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧は、それぞれ個別に第1〜第n電圧検出部により測定される。
演算処理装置103は、蓄電素子の電圧の測定結果に応じて、測定値の補正を行う制御命令を出したり、電圧を均等化する制御命令を出したりする。演算処理装置103は、均等化目標電圧の算出に必要な計算部14を具備してもよく、蓄電モジュール101(蓄電素子B(j))の充放電を制御する充放電制御部15を具備してもよい。演算処理装置103は、更に、メモリユニット16を具備し、メモリユニット16に上記計算に必要な計算式および/または実測データを格納してもよい。メモリユニット16は、ランダムアクセスメモリ(RAM)、演算処理プログラムが記憶されたリードオンリーメモリ(ROM)などで構成することができる。計算部14はCPUを具備する。
蓄電素子B(1)〜B(n)は、キャパシタ、二次電池などのデバイスである。キャパシタは、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタなどであり得る。二次電池は、ナトリウムイオン二次電池、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素蓄電池などであり得る。第1スイッチおよび第2スイッチの種類は、特に限定されず、トランジスタ、FET、ダイオード、リレースイッチなどで構成することができる。
ここで、図2に、蓄電モジュール101の正極端子側の蓄電素子B(n)の電圧を、第n電圧検出部により測定する場合の測定値の誤差の様子を示す。実線グラフは、高電圧状態の蓄電モジュールの一例の誤差を示し、破線グラフは、低電圧状態の蓄電モジュールの一例の誤差を示す。高電位側に配置される蓄電素子B(n)の電圧の誤差は、温度により異なるものの概ね大きく、最大で10%を超えている。このような誤差の大部分は、レベルシフト回路を介在することにより生じる。
一方、図3に、蓄電モジュールの負極端子側の蓄電素子B(1)の電圧を、第1電圧検出部により測定する場合の測定値の誤差の様子を示す。蓄電素子B(1)の電圧の測定には、レベルシフトを要さないため、電圧の高低によらず誤差は概ね小さく、5%未満である。
図2および図3に示されるように、第1〜第n電圧検出部を用いる測定だけでは、高電位側の蓄電素子(特に蓄電素子B(n))の電圧を正確に測定することは困難である。そこで、適時、通常モードで測定された電圧の測定値を補正することが望ましい。
以下、補正モードを伴う電圧測定方法について、図4を参照しながら説明する。なお、図4のフローは一例に過ぎず、各工程の順序、工程数などは、図4および以下の説明に限定されるものではない。
蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧の測定は、普段は通常モードで行われる。通常モードとは、それぞれ対応する第1〜第n電圧検出部を用いて、蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧を測定するモードである。このとき、SW3およびSW4は閉じたオン(ON)状態であり、SW11およびSW12も閉じたオン(ON)状態であるが、他の第1スイッチ(−)および第2スイッチ(+)は開いたオフ(OFF)状態である。
通常モードから補正モードへ移行する際には、まずSW11、SW12、SW3およびSW4が開かれてオフ状態となる(S10)。その後、SWj1およびSWj2(jは2〜nから選ばれる1つの整数)が閉じられてオン状態となる(S20)。このとき選択されるjは、任意であり、j値に対応する蓄電素子B(j)の電圧が測定対象となる。なお、SWj1およびSWj2以外のスイッチは全て開いており、オフ状態である。この状態では、蓄電素子B(j)がキャパシタCと並列に接続されている。これにより、キャパシタCの第1端子(−)と第2端子(+)との端子間電圧は、蓄電素子B(j)の電圧と同じになり、キャパシタに蓄電素子B(j)の電圧が読み取られる。
次に、SWj1およびSWj2を開き、オフ状態とする(S30)。これにより、キャパシタCの端子間電圧は蓄電素子B(j)の電圧を反映したままであるが、キャパシタCと高いポテンシャルを有する蓄電素子B(j)との接続は解除される。この状態でSW3およびSW4を閉じ(S40)、第1電圧検出部VS(1)により、蓄電素子B(j)の電圧を反映したキャパシタCの電圧Vcpが測定される(S50)。
次に、SW12およびSW21を閉じてオン状態にすると(S60)、キャパシタCの端子間が短絡し、蓄えられていた電気エネルギーが放電される。これにより、キャパシタCは元の状態に復帰する。
次に、通常モードで、第j電圧検出部により測定された蓄電素子B(j)の電圧Vjと、第1電圧検出部により測定されたキャパシタの電圧Vcpとが対比され、両者に実質的な差が認められる場合には、通常モードでの測定値Vjが電圧Vcpに基づいて補正される(S70)。補正の方法は、特に限定されないが、例えばVjとVcpとの差:ΔVが今後の通常モードでの測定値に加算または減算されるように、第j電圧検出部で得られる測定信号を電圧に換算するための格納データがリセットされる。
一連の工程が終了すると、SW21が開かれてオフ状態となり、SW11が閉じられてオン状態となり、通常モードに戻る(S80)。その後、補正された測定値を用いて、充放電制御および必要に応じて均等化制御が行われる。
通常モードから補正モードへ移行する際、SWj1およびSWj2(jは2〜nから選ばれる1つの整数)を閉じてB(j)の電圧をキャパシタCに読み取らせる工程(S20)の前に、スイッチ回路(ここではSW11およびSW12)の故障の有無を確認することが望ましい。その手順の一例について、図5を参照しながら説明する。
通常モードでは、高電位側と低電位側のラインをバイパスする第1スイッチおよび第2スイッチは全て開いた状態である。また、通常モードを解除する際に、SW11、SW12およびSW3が開かれている。この状態が故障の有無を確認する手順の初期状態である。
まず、SW制御部13により、SW12およびSW21が閉じられ、その後、SW12およびSW21が開かれる(S101)。このとき、SW11が正常であれば、SW12およびSW21を閉じたときにキャパシタCは放電される。一方、SW11が故障して閉じたまま固定されている場合には、SW11を閉じてもキャパシタCは放電されない。
次に、SW制御部13がSW3を閉じると、第1電圧検出部VS(1)によりキャパシタCの電圧Vcpが測定される(S102)。このとき、SW11が正常であれば、放電されたキャパシタCの電圧(例えば0Vに近い電圧)が第1電圧検出部VS(1)により検出される。一方、SW11が故障している場合には、B(1)の電圧V1が検出される。
演算処理装置103は、S102において測定されたキャパシタCの電圧Vcpを閾値Vaと対比し、閾値Va以上であるときには、SW11の異常を検知する(103)。閾値Vaを予め通常モードで測定されたB(1)の電圧V1よりも小さく設定することで、B(1)の電圧V1が検出された場合にSW11の異常(故障)が検知される。すなわち、閾値Vaは、0≦Va<V1を満たすように設定すればよい。ただし、閾値Vaは、必ずしも実際に測定された電圧V1を基準に設定する必要はなく、想定される最低のB(1)の電圧を基準に設定してもよい。
次に、SW11が正常であるとき、SW制御部13によりSW11が閉じられ、第1電圧検出部VS(1)によって、再度、キャパシタCの電圧Vcpが測定される(S104)。このとき、SW12が正常であれば、SW12は開いているため、検知される電圧は、放電されたキャパシタCの電圧のままである。一方、SW12が故障して閉じたまま固定されている場合、SW11を閉じると、キャパシタCにB(1)の電圧V1が読み込まれる。
演算処理装置103は、S104において測定されたキャパシタCの電圧Vcpを閾値Vaと対比し、閾値Va以上であるときには、SW12の異常を検知する(S105)。ここでも、閾値VaをB(1)の電圧V1よりも小さく設定することで、B(1)の電圧V1が検出された場合にSW11の異常(故障)が検知される。
なお、想定される最低のB(1)の電圧としては、例えばB(1)の過放電電圧V1´を利用すればよい。全ての蓄電素子B(j)は、通常、過放電状態にならないように制御されている。よって、第1電圧検出部VS(1)によりB(1)の過放電電圧V1´よりも低い電圧が検知された場合には、キャパシタCがB(1)の電圧を読み込んでいる蓋然性が低く、SW11およびSW12は正常であると判断できる。
SW11およびSW12が正常であっても、キャパシタCの放電に時間を要する場合がある。一方、迅速に故障の有無を判断するには、キャパシタCが完全に放電していない段階で、キャパシタCの電圧を検知し、故障の有無を判断することが望まれる。そのような場合には、過放電電圧V1´を超えない範囲で、閾値をできるだけ大きい値に設定すればよい。すなわち、電圧の閾値Vaは、0≦Va<V1´を満たすように設定すればよい。
補正モードのスタート時点は、特に限定されない。例えば、電圧測定装置もしくは蓄電装置が起動されたときは、一旦、通常モードでスタートし、その後、所定期間経過後に補正モードに移行すればよい。そして、蓄電素子B(2)〜B(n)のうち、補正を行いたい蓄電素子の補正を順次行い、その後、通常モードに戻ればよい。電圧測定装置もしくは蓄電装置を相当期間継続して使用する場合には、所定期間毎に、補正モードに自動的に移行するように、モジュール制御部102および/または演算処理装置103を構成すればよい。
電源装置が起動されると、第1電圧測定部11の電圧検出部VS(1)〜VS(n)により、各蓄電素子の現在電圧が測定され、モジュール制御部102から通信手段104を通って演算処理装置103に送信される。演算処理装置103が具備する計算部14では、メモリユニット16に格納された計算式および/または実測データ(これらは適時に補正モードでリセットされる)を利用して、電圧の測定値に基づいて所定の演算が行われる。そして、演算結果に基づき、充放電制御部15が蓄電素子の充放電を制御する。一方、モジュール制御部102は、適時に、SW制御部13を介して、通常モードと補正モードとの切り替えを行う。
(第2実施形態)
図6に、本実施形態に係る電圧制御装置を包含する電源装置の一例の回路構成図を示す。
電源装置100は、蓄電モジュール101と、蓄電モジュール101と接続されるスイッチ回路105と、当該回路を介して蓄電モジュール101と接続されるモジュール制御部102と、蓄電モジュール101およびモジュール制御部102とそれぞれ通信が可能な演算処理装置103と、を備えている。
蓄電モジュール101は、直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子B(1)〜B(n)を含み、蓄電素子B(1)〜B(n)は、nが大きくなる順序で高電位側に配置されている。なお、図示例では、便宜上、4つの蓄電素子が描画されているが、ここでは蓄電素子の数およびこれに対応する構成要素はn個(2≦n)であると解釈する。
モジュール制御部102は、第1電圧測定部11、第2電圧測定部(VMS)12およびSW制御部(SW−Ct)13を具備する。第1電圧測定部11は、蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する第1電圧検出部VS(1)〜第n電圧検出部VS(n)を含み、第2電圧測定部12は、蓄電モジュール101の電圧(すなわち蓄電素子B(1)〜B(n)の積算電圧)を測定する。具体的には、蓄電素子B(i)(iは1からnの整数)の負極端子は、端子T(i)を介して、第i電圧検出部VS(i)の第1端子(−)と接続されるように構成され、蓄電素子B(i)の正極端子は、端子T(i+1)を介して、第i電圧検出部VS(i)の第2端子(+)と接続されるように構成されている。第1電圧測定部11(第1〜第n電圧検出部)、第2電圧測定部(VMS)12およびSW制御部13は、演算処理装置103と連絡し合っており、各測定部で得られた測定値は、通信手段104を介して演算処理装置103に送信される。SW制御部13は、演算処理装置103からの制御命令に応じて、各スイッチの開閉(オン/オフ)を制御する。
スイッチ回路105は、T(1)に第1端子(−)が、T(2)に第2端子(+)が接続されたキャパシタCを具備する。すなわち、キャパシタCの第1端子(−)は、第1電圧検出部VS(1)の第1端子(−)と接続され、キャパシタCの第2端子(+)は、第1電圧検出部VS(1)の第2端子(+)と接続される。これにより、キャパシタCは、通常モードでは、B(1)と並列に接続されている。
一方、B(1)の負極端子と、T(1)(第1電圧検出部VS(1)の第1端子(−))と、を連絡する最低電位を有するラインL(1)と、B(i)(i≠1)の負極端子と、T(i)(第i電圧検出部VS(i)の第1端子(−))と、を連絡するより高いポテンシャルを有するラインとの間に、それぞれ対応するバイパスラインBL1(i)が設けられている。BL1(i)の途中には、蓄電素子B(i)に対応する第1スイッチSW1(i)が介在している。
同様に、蓄電素子B(1)の正極端子と、T(2)(第1電圧検出部VS(1)の第2端子(+))と、を連絡する2番目に低い電位を有するラインL(2)と、蓄電素子B(i)(i≠1)の正極端子と、T(i+1)(第i電圧検出部VS(i)の第2端子(+))と、を連絡するより高いポテンシャルを有するラインL(i+1)との間にも、それぞれ対応するバイパスラインBL2(i)が設けられている。BL2(i)の途中には、蓄電素子B(i)に対応する第2スイッチSW2(i)が介在している。
L(1)は、BL1(1)〜BL1(n)との接続点よりも負極端子側に、第3スイッチSW3を有する。L(2)は、BL1(1)との接続点と、BL2(2)〜BL2(n)との接続点との間に、第4スイッチSW4を有する。L(3)は、BL1(2)との接続点およびBL2(2)との接続点よりも負極端子側に、第5スイッチSW5を有する。SW1(1)は、SW4と並列の関係にある。
SW1(i)およびSW2(i)には、それぞれ実質的に同じ抵抗値を有する抵抗Rが接続されている。抵抗Rは、複数の蓄電素子の電圧に格差が生じたときに、これらを均等化する際、蓄電素子の電気エネルギーの一部を消費するために用いられる。
端子T(1)とキャパシタの第1端子との間には、第6スイッチSW6が介在している。また、キャパシタの第1端子とL(1)との接続点は、L(1)とBL1(1)〜BL1(n)の何れとの接続点よりも端子T(1)側に位置している。よって、SW6を開くと、端子T(1)とキャパシタとの接続が切れるだけでなく、端子T(1)と全てのBL1との接続も切れた状態になる。一方、端子T(2)とキャパシタの第2端子との間には、第7スイッチSW7が介在している。また、キャパシタの第2端子とL(2)との接続点は、L(2)とBL2(2)〜BL2(n)の何れとの接続点よりも端子T(2)側に位置している。よって、SW7を開くと、端子T(2)とキャパシタとの接続が切れるだけでなく、端子T(2)と全てのBL2との接続も切れた状態になる。なお、図示例のスイッチ回路105は、第7スイッチSW7を具備するが、SW7は必須ではない。
蓄電素子B(1)およびキャパシタCは、互いに並列に接続されているため、SW3〜SW6が閉じられ、他のスイッチが開いている状態では、キャパシタCの端子間電圧は、原則、蓄電素子B(1)の電圧と同じになっている。なお、SW3〜SW6が閉じられ、他のスイッチが開いている状態は、通常モードである。通常モードでは、蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧は、それぞれ個別に第1〜第n電圧検出部により測定される。
演算処理装置103は、蓄電素子の電圧の測定結果に応じて、測定値の補正を行う制御命令を出したり、電圧を均等化する制御命令を出したりする。演算処理装置103は、均等化目標電圧の算出に必要な計算部14を具備してもよく、蓄電モジュール101の充放電を制御する充放電制御部15を具備してもよい。演算処理装置103は、更に、メモリユニット16を具備し、メモリユニット16に上記計算に必要な計算式および/または実測データを格納してもよい。メモリユニット16は、ランダムアクセスメモリ(RAM)、演算処理プログラムが記憶されたリードオンリーメモリ(ROM)などで構成することができる。計算部14はCPUを具備する。
蓄電素子B(1)〜B(n)は、キャパシタ、二次電池などのデバイスである。キャパシタは、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタなどであり得る。二次電池は、ナトリウムイオン二次電池、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素蓄電池などであり得る。第1〜第5スイッチの種類は、特に限定されず、トランジスタ、FET、ダイオード、リレースイッチなどで構成することができる。
次に、本実施形態に係る電圧制御方法の一例について、図7を参照しながら説明する。なお、図7のフローは一例に過ぎず、各工程の順序、工程数などは、図7および以下の説明に限定されるものではない。
電圧制御方法のスタート時点は、特に限定されないが、例えば、電源装置もしくは電圧制御装置が起動されたときにスタートすればよい。電源装置もしくは電圧制御装置が起動されたときは、例えば、一旦、通常モードでスタートし、その後、所定期間経過後に、第1もしくは第2均等化モードまたは補正モードに移行すればよい。電源装置もしくは電圧制御装置を相当期間継続して使用する場合には、所定期間毎に、第1もしくは第2均等化モードまたは補正モードに自動的に移行するように、モジュール制御部102および/または演算処理装置103を構成すればよい。
通常モードでは、第1電圧測定部11の第1電圧検出部VS(1)〜第n電圧検出部VS(n)により、各蓄電素子の現在電圧Vr(i)(iは1からnの整数)が測定される(S10)。測定されたVr(i)は、モジュール制御部102から通信手段104を通って演算処理装置103に送信される。
演算処理装置103が具備する計算部14では、メモリユニット16に格納された計算式および/または実測データを利用して、電圧の測定値に基づいて所定の演算が行われる。演算結果に基づき、充放電制御部15が蓄電モジュール101の充放電を制御する。別の演算の一つとして、計算部14では、複数の候補モードから1つのモードが選択される。例えば、通常モード、補正モード、第1均等化モードおよび第2均等化モードの中から、状況に応じて、1つのモードが選択される。ここで、電圧の均等化を行う場合には、第1均等化モードまたは第2均等化モードが選択される(S20)。
大きな電流値で早急に均等化することが望まれる場合には、第1均等化モードが選択される。一方、時間的に余裕があり、緩やかな条件で均等化することが望ましい場合には、第2均等化モードが選択される。このとき、蓄電素子毎に、個別に第1均等化モードと第2均等化モードのいずれで放電するかを選択してもよい。
第1均等化モードまたは第2均等化モードが選択された場合、計算部14では、第1電圧測定部11により測定された測定値に基づき、均等化目標電圧Vmの設定が行われる(S30)。Vmは、蓄電モジュール101の用途、使用方法などにより、適時に適切な値に設定する。例えば、Vmは、測定されたVr(1)〜Vr(n)のうちの最低電圧に設定される。この場合、通常は、最低電圧を有する蓄電素子B(base)以外の蓄電素子を放電させる操作で均等化を行うことができる。
次に、モジュール制御部102は、選択されたモードに適合するように、SW制御部13を介して必要なスイッチの切り替えを行う。これにより、第1または第2均等化モードにおいては、均等化のための放電が行われる(S40)。このとき、B(base)以外の(n−1)個の蓄電素子が、必要に応じて、それぞれ放電され、各蓄電素子の電圧はVmに近づけられる。
一方、通常モードが選択されると、SW3〜SW7は閉じられたまま、他のスイッチは開かれたまま維持される。補正モードが選択されると、例えば後述のフロー(図8参照)に沿って、蓄電素子の電圧の補正が順次行われる。
第1均等化モードが選択されると、B(1)〜B(n)から選択される少なくとも1つが第1電流で放電されるように、全てのスイッチが制御される。第2均等化モードが選択されると、B(1)〜B(n)から選択される少なくとも1つが第2電流で放電されるように、全てのスイッチが制御される。第1電流が流れる回路は、抵抗Rの1個分相当の抵抗を有するように構成される。第2電流が流れる回路は、抵抗Rの2個分相当の抵抗を有するように構成される。
SW制御部13は、B(1)を第1均等化モードで放電する場合には、SW1(1)およびSW3を閉じ、他のスイッチを開く。B(1)を第2均等化モードで放電する場合には、SW3、SW4、SW1(2)およびSW2(2)を閉じ、他のスイッチを開く。
B(2)を第1均等化モードで放電する場合には、SW4、SW5およびSW2(2)を閉じ、他のスイッチを開く。B(2)を第2均等化モードで放電する場合には、SW5、SW1(1)およびSW1(2)を閉じ、他のスイッチを開く。
B(i)(iは、3〜nから選択される1つの整数)を第1均等化モードで放電する場合には、SW1(i−1)、SW1(i)、SW2(i)およびSW2(i−1)を閉じ、他のスイッチを開く。B(i)を第2均等化モードで放電する場合には、SW1(i−1)およびSW1(i)を閉じるか、またはSW2(i)およびSW2(i−1)を閉じ、他のスイッチを開く。
均等化モードが終了すると、SW制御部13を介して必要なスイッチの切り替えが行われ、電圧制御装置100は、通常モード(S50)に移行する。通常モードでは、所定時間ごとに、B(1)〜B(n)の電圧Vr(1)〜Vr(n)が測定される。
Vr(1)〜Vr(n)は、動作保障上限電圧Vm-upと対比される(S60)。Vr<Vm-upであれば(Y)、充電が継続され、次に、Vrと動作保障下限電圧Vm-udとが対比される(S70)。Vr>Vm-udであれば(Y)、放電が継続される。一方、S60でVr≧Vm-upであれば(N)、充電中の場合には充電がストップされる。S70でVr≦Vm-udであれば(N)、放電中の場合には放電がストップされる。全ての蓄電素子B(1)〜B(n)について同様の対比が行われる。よって、いずれか1つでもVr≧Vm-upまたはVr≦Vm-udであれば、充電中の場合には充電が、放電中の場合には放電がストップされる。
一方、第2電圧測定部12は、所定時間ごとに、蓄電モジュール101の電圧Vuseを測定し、使用上限電圧Vuse-upと対比する(S80)。Vuse<Vuse-upであれば(Y)、充電が継続される。次に、Vuseと使用下限電圧Vuse-udとが対比される(S90)。Vuse>Vuse-udであれば(Y)、放電が継続される。Vuse≧Vuse-upまたはVuse≦Vuse-udであれば、充電中の場合には充電が、放電中の場合には放電がストップされる。
次に、補正モードについて説明する。ここでも、図2および図3を参照する。
図2に示すように、高電位側に配置される蓄電素子B(n)の電圧の誤差は、温度により異なるものの概ね大きく、最大で10%を超えている。このような誤差の大部分は、レベルシフト回路を介在することにより生じる。図3に示されるように、蓄電素子B(1)の電圧の測定にはレベルシフトを要さないため、電圧の高低によらず誤差は概ね小さく、5%未満である。
図2および図3に示されるように、第1〜第n電圧検出部を用いる測定だけでは、高電位側の蓄電素子(特に蓄電素子B(n))の電圧を正確に測定することは困難である。そこで、適時、通常モードで測定された電圧の測定値を補正することが望ましい。
以下、補正モードを伴う電圧測定方法について、図8を参照しながら説明する。なお、図8のフローは一例に過ぎず、各工程の順序、工程数などは、図8および以下の説明に限定されるものではない。
蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧の測定は、普段は通常モードで行われる。このとき、SW3〜SW7は閉じたオン(ON)状態であるが、他のスイッチは開いたオフ(OFF)状態である。通常モードから補正モードへ移行する際には、まずSW3、SW4、SW6およびSW7が開かれてオフ状態となる(S100)。その後、例えば、SW1(i)およびSW2(i−1)(i≠1)が閉じられてオン状態となる(S200)。このとき選択されるiは、任意であり、i値に対応する蓄電素子B(i)の電圧が測定対象となる。この状態では、蓄電素子B(i)がキャパシタCと並列に接続されている。これにより、キャパシタCの第1端子(−)と第2端子(+)との端子間電圧は、蓄電素子B(i)の電圧と同じになり、キャパシタに蓄電素子B(i)の電圧が読み取られる。
ここで、B(j)(j≠1)の電圧をキャパシタに読み取らせる前にSW3およびSW4の故障の有無を確認することが望ましい。すなわち、(a)SW1(1)およびSW4を閉じた後、SW1(1)およびSW4を開く工程と、(b)工程(a)の後、SW6を閉じてキャパシタの電圧Vcpを第1電圧検出部で測定する工程と、(c)工程(b)において測定されたキャパシタの電圧Vcpを閾値Vaと対比し、閾値Va以上であるときには、SW3の異常を検知する工程と、(d)SW3が正常であるときに、SW3を閉じてキャパシタの電圧Vcpを第1電圧検出部で測定する工程と、(e)工程(d)において測定されたキャパシタの電圧Vcpが閾値Va以上であるときに、SW4の異常を検知する工程と、がこの順に実行されることが望ましい。上記手順は、スイッチの称呼は異なるが、第1実施形態における図5に示す手順と同様である。閾値Vaの設定の仕方も第1実施形態と同様でよい。
SW3およびSW4が正常であるときは、B(j)(j≠1)の電圧をキャパシタに読み取らせた後、SW1(i)およびSW2(i−1)を開き、オフ状態とする(S300)。これにより、キャパシタCの端子間電圧は蓄電素子B(i)の電圧を反映したままであるが、キャパシタCと高いポテンシャルを有する蓄電素子B(i)との接続は解除される。この状態で、SW6およびSW7を閉じ(S400)、第1電圧検出部VS(1)により、蓄電素子B(i)の電圧を反映したキャパシタCの電圧Vcpを測定する(S500)。
次に、SW4およびSW1(1)を閉じてオン状態にすると(S600)、キャパシタCの端子間が短絡し、蓄えられていた電気エネルギーが放電される。これにより、キャパシタCは元の状態に復帰する。
次に、通常モードで、第i電圧検出部により測定された蓄電素子B(i)の電圧Viと、第1電圧検出部により測定されたキャパシタの電圧Vcpとが対比され、両者に実質的な差が認められる場合には、通常モードでの測定値Viが電圧Vcpに基づいて補正される(S700)。補正の方法は、特に限定されないが、例えばViとVcpとの差:ΔVが今後の通常モードでの測定値に加算または減算されるように、第i電圧検出部で得られる測定信号を電圧に換算するための格納データがリセットされる。
一連の工程が終了すると、SW1(1)が開かれてオフ状態となり、SW3が閉じられてオン状態となり、通常モードに戻る(S800)。その後、補正された測定値を用いて、充放電制御および電圧の均等化が行われる。
[付記]
上記電圧測定装置に関し、以下の付記を開示する。
(付記1) 直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する電圧測定部と、
前記B(1)〜B(n)と前記第1〜第n電圧検出部との接続状態を切り替えるスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を駆動するSW制御部と、
前記第1〜第n電圧検出部および前記SW制御部と連絡し合う演算処理装置と、を具備し、
前記B(1)〜B(n)は、nが大きくなる順序で高電位側に配置され、
前記電圧測定部は、前記B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する第1〜第n電圧検出部と、前記B(1)〜B(n)の負極端子の電位を入力するための端子T(1)〜T(n)と、前記B(n)の正極端子の電位を入力するための端子T(n+1)と、を有し、
前記スイッチ回路は、前記B(1)と並列に接続されたキャパシタを具備し、更に、
前記B(1)〜B(n)の前記負極端子および前記B(n)の前記正極端子と、前記T(1)〜T(n+1)と、をそれぞれ接続するラインL(1)〜L(n+1)と、
前記L(1)と、前記L(2)〜L(n)と、をそれぞれ接続するバイパスラインBL1(1)〜BL1(n−1)と、
前記L(2)と、前記L(3)〜L(n+1)と、をそれぞれ接続するバイパスラインBL2(2)〜BL2(n)と、を具備し、
前記BL1(1)〜BL1(n−1)は、それぞれ第1スイッチSW1(1)〜SW1(n−1)を有し、前記第1スイッチSW1(1)〜SW1(n−1)に、それぞれ直列に抵抗Rが接続されており、
前記BL2(2)〜BL2(n)は、それぞれ第2スイッチSW2(2)〜SW2(n)を有し、前記第2スイッチSW2(2)〜SW2(n)に、それぞれ直列に抵抗Rが接続されており、
前記L(1)は、前記BL1(1)〜BL1(n)との接続点よりも前記負極端子側に、第3スイッチSW3を有し、
前記L(2)は、前記BL1(1)との接続点と、前記BL2(2)〜BL2(n)との接続点との間に、第4スイッチSW4を有し、
前記T(1)と前記キャパシタの前記第1端子との間に、第6スイッチSW6が介在しており、
前記B(j)(jは2〜nから選ばれる1つの整数)の負極端子と前記L(1)との間に介在する前記第1スイッチをSW1(j−1)および前記B(j)(jは2〜nから選ばれる1つの整数)の正極端子と前記L(2)との間に介在する前記第2スイッチをSW2(j)とするとき、
前記演算処理装置の指令により、前記SW制御部が、SW1(j−1)およびSW2(j)を閉じ、他の前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを開くことで、前記キャパシタは前記B(j)と並列に接続される、電圧測定装置。
(付記2)
(i)前記SW制御部が、SW6、SW3およびSW4を閉じ、前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを開いて、前記スイッチ回路を通常モードに設定し、前記通常モードで、前記第1〜n電圧検出部が、前記B(1)〜B(n)の電圧を測定する工程と、
(ii)前記SW制御部が、SW3およびSW4を開いて、前記通常モードを解除し、SW6を開いた後、SW1(j−1)およびSW2(j)(jは2〜nから選ばれる1つの整数)を閉じ、前記B(j)の電圧を前記キャパシタに読み取らせる工程と、
(iii)前記キャパシタに前記B(j)の電圧を読み取らせた後、前記SW制御部が、SW1(j−1)およびSW2(j)を開く工程と、
(iv)SW1(j−1)およびSW2(j)を開いた後、前記SW制御部が、SW6を閉じ、前記第1電圧検出部が、前記B(j)の電圧を読み取らせた前記キャパシタの電圧を測定する工程と、
(v)前記第1電圧検出部が、前記キャパシタの電圧を測定した後、前記SW制御部が、SW4およびSW1(1)を閉じて、前記キャパシタを放電させる工程と、
(vi)前記演算処理装置が、前記第j電圧検出部により測定された測定値を、前記第1電圧検出部により測定された前記キャパシタの電圧の測定値に基づいて補正する工程と、をこの順で実行する機能を有する、付記1に記載の電圧測定装置。
本発明の実施形態によれば、直列に接続された2以上の蓄電素子を含む蓄電モジュールにおいて、蓄電素子の電圧を個別に、かつ正確に測定することができる。また、複数の蓄電素子の電圧を均等化する際に、状況に応じて、電流値を変更することができる。
100:電源装置、101:蓄電モジュール、102:モジュール制御部、103:演算処理装置、104:通信手段、105:スイッチ回路、11:第1電圧測定部、12:第2電圧測定部、13:SW制御部、14:計算部、15:充放電制御部、16:メモリユニット

Claims (18)

  1. 直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する電圧測定装置であって、
    前記B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する第1〜第n電圧検出部と、
    前記B(1)〜B(n)と前記第1〜第n電圧検出部との接続状態を切り替えるスイッチ回路と、
    前記スイッチ回路を駆動するSW制御部と、
    前記第1〜第n電圧検出部および前記SW制御部と連絡し合う演算処理装置と、を具備し、
    前記B(1)〜B(n)は、nが大きくなる順序で高電位側に配置され、
    前記スイッチ回路は、前記B(1)と並列に接続されたキャパシタを具備し、
    前記スイッチ回路において、
    前記B(1)〜B(n)の負極端子は、それぞれ対応する第1スイッチを介して、前記キャパシタの第1端子と接続され、
    前記B(1)〜B(n)の正極端子は、それぞれ対応する第2スイッチを介して、前記キャパシタの第2端子と接続され、
    前記第1電圧検出部と前記キャパシタの前記第1端子との間に、第3スイッチSW3が介在しており、
    前記B(j)(jは1〜nから選ばれる1つの整数)に対応する前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを、それぞれSWj1およびSWj2とするとき、
    前記演算処理装置の指令により、前記SW制御部が、SWj1およびSWj2を閉じ、他の前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを開くことで、前記キャパシタは前記B(j)と並列に接続される、電圧測定装置。
  2. (i)前記SW制御部が、SW3、SW11およびSW12を閉じ、他の前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを開いて、前記スイッチ回路を通常モードに設定し、前記通常モードで、前記第1〜n電圧検出部が、前記B(1)〜B(n)の電圧を測定する工程と、
    (ii)前記SW制御部が、SW11およびSW12を開いて、前記通常モードを解除し、SW3を開いた後、SWj1およびSWj2(jは2〜nから選ばれる1つの整数)を閉じ、前記B(j)の電圧を前記キャパシタに読み取らせる工程と、
    (iii)前記キャパシタに前記B(j)の電圧を読み取らせた後、前記SW制御部が、SWj1およびSWj2を開く工程と、
    (iv)SWj1およびSWj2を開いた後、前記SW制御部が、SW3を閉じ、前記第1電圧検出部が、前記B(j)の電圧を読み取らせた前記キャパシタの電圧を測定する工程と、
    (v)前記第1電圧検出部が、前記キャパシタの電圧を測定した後、前記SW制御部が、SW12およびSW21を閉じて、前記キャパシタを放電させる工程と、
    (vi)前記演算処理装置が、前記第j電圧検出部により測定された測定値を、前記第1電圧検出部により測定された前記キャパシタの電圧の測定値に基づいて補正する工程と、をこの順で実行する機能を有する、請求項1に記載の電圧測定装置。
  3. SWj1およびSWj2(jは2〜nから選ばれる1つの整数)を閉じてB(j)の電圧をキャパシタに読み取らせる前に、
    (a)前記SW制御部が、SW12およびSW21を閉じた後、SW12およびSW21を開く工程と、
    (b)前記SW制御部が、SW3を閉じ、前記第1電圧検出部が、前記キャパシタの電圧を測定する工程と、
    (c)前記工程(b)において測定された前記キャパシタの電圧を閾値と対比し、閾値以上であるときには、前記演算処理装置がSW11の異常を検知する工程と、
    (d)SW11が正常であるときに、前記SW制御部が、SW11を閉じ、前記第1電圧検出部が、前記キャパシタの電圧を測定する工程と、
    (e)前記工程(d)において測定された前記キャパシタの電圧を閾値と対比し、閾値以上であるときには、前記演算処理装置がSW12の異常を検知する工程と、をこの順で実行する機能を有する、請求項2に記載の電圧測定装置。
  4. 前記スイッチ回路が、更に、SW11およびSW12以外の前記第1スイッチおよび前記第2スイッチに、それぞれ直列に接続された抵抗を具備し、
    前記演算処理装置が、
    前記B(1)〜B(n)の電圧の測定値に基づいて、前記B(1)〜B(n)の電圧の均等化目標電圧を算出する計算部と、
    前記均等化目標電圧に基づいて、前記B(1)〜B(n)をそれぞれ個別に充電または放電させる充放電制御部と、を具備し、
    放電の際に、少なくとも1つの前記抵抗に電流が流れる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電圧測定装置。
  5. 前記第1電圧検出部と前記キャパシタの前記第2端子との間に、前記第3スイッチとともに開閉される第4スイッチSW4が介在している、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電圧測定装置。
  6. 請求項1に記載の電圧測定装置を用いて、前記B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する方法であって、
    (i)SW3、SW11およびSW12を閉じ、他の前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを開いた通常モードで、前記B(1)〜B(n)の電圧を、前記第1〜n電圧検出部により測定する工程と、
    (ii)SW11およびSW12を開いて前記通常モードを解除し、SW3を開いた後、SWj1およびSWj2(jは2〜nから選ばれる1つの整数)を閉じ、前記B(j)の電圧を前記キャパシタに読み取らせる工程と、
    (iii)前記キャパシタに前記B(j)の電圧を読み取らせた後、SWj1およびSWj2を開く工程と、
    (iv)SWj1およびSWj2を開いた後、SW3を閉じて前記B(j)の電圧を読み取らせた前記キャパシタの電圧を前記第1電圧検出部で測定する工程と、
    (v)前記キャパシタの電圧を前記第1電圧検出部で測定した後、SW12およびSW21を閉じて、前記キャパシタを放電させる工程と、
    (vi)前記第j電圧検出部により測定された測定値を、前記第1電圧検出部により測定された前記キャパシタの電圧の測定値に基づいて補正する工程と、を具備する、電圧測定方法。
  7. 前記工程(v)または(vi)の後、SW11を閉じ、SW21を開いて通常モードに戻る工程、を更に有する、請求項6に記載の電圧測定方法。
  8. SWj1およびSWj2(jは2〜nから選ばれる1つの整数)を閉じてB(j)の電圧をキャパシタに読み取らせる前に、
    (a)SW12およびSW21を閉じた後、SW12およびSW21を開く工程と、
    (b)前記工程(a)の後、SW3を閉じて前記キャパシタの電圧を前記第1電圧検出部で測定する工程と、
    (c)前記工程(b)において測定された前記キャパシタの電圧を閾値と対比し、閾値以上であるときには、SW11の異常を検知する工程と、
    (d)SW11が正常であるときに、SW11を閉じて前記キャパシタの電圧を前記第1電圧検出部で測定する工程と、
    (e)前記工程(d)において測定された前記キャパシタの電圧を閾値と対比し、閾値以上であるときには、SW12の異常を検知する工程と、を具備する、請求項6または7に記載の電圧測定方法。
  9. 直列に接続されたn個(2≦n)の蓄電素子B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する第1〜第n電圧検出部を具備する電圧測定部と、
    前記B(1)〜B(n)と前記第1〜第n電圧検出部との接続状態を切り替えるスイッチ回路と、
    前記スイッチ回路を駆動するSW制御部と、
    前記第1〜第n電圧検出部および前記SW制御部と連絡し合う演算処理装置と、を具備し、
    前記B(1)〜B(n)は、nが大きくなる順序で高電位側に配置され、
    前記電圧測定部は、前記B(1)〜B(n)の負極端子の電位を入力するための端子T(1)〜T(n)と、前記B(n)の正極端子の電位を入力するための端子T(n+1)と、を有し、
    前記スイッチ回路は、
    前記B(1)〜B(n)の前記負極端子および前記B(n)の前記正極端子と、前記T(1)〜T(n+1)と、をそれぞれ接続するラインL(1)〜L(n+1)と、
    前記L(1)と、前記L(2)〜L(n+1)と、をそれぞれ接続するバイパスラインBL1(1)〜BL1(n)と、
    前記L(2)と、前記L(3)〜L(n+1)と、をそれぞれ接続するバイパスラインBL2(2)〜BL2(n)と、を具備し、
    前記BL1(1)〜BL1(n)は、それぞれ第1スイッチSW1(1)〜SW1(n)を有し、前記第1スイッチSW1(1)〜SW1(n)に、それぞれ直列に抵抗Rが接続されており、
    前記BL2(2)〜BL2(n)は、それぞれ第2スイッチSW2(2)〜SW2(n)を有し、前記第2スイッチSW2(2)〜SW2(n)に、それぞれ直列に抵抗Rが接続されており、
    前記L(1)は、前記BL1(1)〜BL1(n)との接続点よりも前記負極端子側に、第3スイッチSW3を有し、
    前記L(2)は、前記BL1(1)との接続点と、前記BL2(2)〜BL2(n)との接続点との間に、第4スイッチSW4を有し、
    前記L(3)は、前記BL1(2)との接続点および前記BL2(2)との接続点よりも前記負極端子側に、第5スイッチSW5を有する、電圧制御装置。
  10. 前記SW制御部は、全ての前記スイッチを、複数の候補モードから選択されたモードに設定する機能を具備し、
    前記複数の候補モードは、通常モード、第1均等化モードおよび第2均等化モードを含み、
    前記演算処理装置の指令により、
    前記通常モードでは、前記SW制御部が、前記SW3〜SW5を閉じ、他の前記スイッチを開き、
    前記第1均等化モードでは、前記SW制御部が、前記B(1)〜B(n)から選択される少なくとも1つが第1電流で放電されるように、全ての前記スイッチを制御し、
    前記第2均等化モードでは、前記SW制御部が、前記B(1)〜B(n)から選択される少なくとも1つが第2電流で放電されるように、全ての前記スイッチを制御し、
    前記第1電流が流れる回路は、前記抵抗Rの1個分相当の抵抗を含み、
    前記第2電流が流れる回路は、前記抵抗Rの2個分相当の抵抗を含む、請求項9に記載の電圧制御装置。
  11. 前記演算処理装置が、前記B(1)〜B(n)の電圧の測定値に基づいて、前記B(1)〜B(n)の電圧の均等化目標電圧Vmを算出する計算部を具備し、
    前記SW制御部は、前記Vmに基づいて、前記B(1)〜B(n)の少なくとも1つを、前記第1均等化モードまたは前記第2均等化モードに設定する、請求項10に記載の電圧制御装置。
  12. 更に、前記B(1)と並列に接続されたキャパシタを具備し、
    前記B(1)の負極端子は、前記キャパシタの第1端子と接続され、
    前記B(1)の正極端子は、前記キャパシタの第2端子と接続され、
    前記端子T(1)と、前記キャパシタの前記第1端子との間に、第6スイッチSW6が介在しており、
    前記複数の候補モードは、補正モードを含み、
    前記演算処理装置の指令により、
    前記補正モードでは、前記SW制御部により、前記キャパシタが、前記B(2)〜B(n)のいずれか1つと並列に接続され、
    前記キャパシタの電圧が、前記第1電圧検出部で測定され、
    前記演算処理装置が、前記通常モードで測定された測定値を、前記第1電圧検出部により測定された前記キャパシタの電圧の測定値に基づいて補正する、請求項10または11に記載の電圧制御装置。
  13. 前記端子T(2)と、前記キャパシタの前記第2端子との間に、前記第6スイッチとともに開閉される第7スイッチSW7が介在している、請求項12に記載の電圧制御装置。
  14. 請求項9に記載の電圧制御装置を用いて、前記B(1)〜B(n)の電圧を均等化する工程を含む電圧制御方法であって、
    前記SW制御部は、全ての前記スイッチを、複数の候補モードから選択されたモードに設定する機能を具備し、
    前記複数の候補モードは、通常モード、第1均等化モードおよび第2均等化モードを含み、
    前記通常モードでは、前記SW3〜SW5を閉じ、かつ他の前記スイッチを開き、
    前記第1均等化モードでは、前記B(1)〜B(n)から選択される少なくとも1つが第1電流で放電されるように、全ての前記スイッチが制御され、
    前記第2均等化モードでは、前記B(1)〜B(n)から選択される少なくとも1つが第2電流で放電されるように、全ての前記スイッチが制御され、
    前記第1電流が流れる回路は、前記抵抗Rの1個分相当の抵抗を含み、
    前記第2電流が流れる回路は、前記抵抗Rの2個分相当の抵抗を含み、
    (i)前記電圧測定部により、前記B(1)〜B(n)の電圧をそれぞれ個別に測定する工程と、
    (ii)前記電圧測定部により測定された測定値に基づき、均等化目標電圧Vmを設定する工程と、
    (iii)前記Vmに基づいて、前記B(1)〜B(n)の少なくとも1つを、前記第1均等化モードまたは前記第2均等化モードで放電する工程と、を有する、電圧制御方法。
  15. 前記B(1)を、前記第1均等化モードで放電する場合には、前記SW1(1)および前記SW3を閉じ、他の前記スイッチを開き、
    前記B(1)を、前記第2均等化モードで放電する場合には、前記SW3、前記SW4、前記SW1(2)および前記SW2(2)を閉じ、他の前記スイッチを開き、
    前記B(2)を、前記第1均等化モードで放電する場合には、前記SW4、前記SW5および前記SW2(2)を閉じ、他の前記スイッチを開き、
    前記B(2)を、前記第2均等化モードで放電する場合には、前記SW5、前記SW1(1)および前記SW1(2)を閉じ、他の前記スイッチを開き、
    前記B(i)(iは、3〜nから選択される1つの整数)を、前記第1均等化モードで放電する場合には、前記SW1(i−1)、前記SW1(i)、前記SW2(i)および前記SW2(i−1)を閉じ、他の前記スイッチを開き、
    前記B(i)を、前記第2均等化モードで放電する場合には、前記SW1(i−1)および前記SW1(i)を閉じるか、または前記SW2(i−1)および前記SW2(i)を閉じ、他の前記スイッチを開く、請求項14に記載の電圧制御方法。
  16. 前記電圧制御装置が、更に、前記B(1)と並列に接続されたキャパシタを具備し、
    前記B(1)の負極端子は、前記キャパシタの第1端子と接続され、
    前記B(1)の正極端子は、前記キャパシタの第2端子と接続され、
    前記端子T(1)と、前記キャパシタの前記第1端子との間に、第6スイッチSW6が介在しており、
    更に、前記通常モードで得られた前記B(2)〜B(n)の電圧を補正する工程を有し、
    前記補正する工程は、
    (I)前記SW6、前記SW3および前記SW4を開いて前記通常モードを解除した後、所定の前記スイッチを閉じ、前記B(j)(j≠1)の電圧を前記キャパシタに読み取らせる工程と、
    (II)前記キャパシタに前記B(j)の電圧を読み取らせた後、前記所定のスイッチを開く工程と、
    (III)前記所定のスイッチを開いた後、前記SW6を閉じて、前記B(j)の電圧を読み取らせた前記キャパシタの電圧を前記第1電圧検出部で測定する工程と、
    (IV)前記キャパシタの電圧を前記第1電圧検出部で測定した後、前記キャパシタを放電させる工程と、
    (V)前記第j電圧検出部により測定された測定値を、前記第1電圧検出部により測定された前記キャパシタの電圧の測定値に基づいて補正する工程と、を具備する、請求項14または15に電圧制御方法。
  17. 前記B(j)(j≠1)の電圧をキャパシタに読み取らせる前に、
    (a)SW1(1)およびSW4を閉じた後、SW1(1)およびSW4を開く工程と、
    (b)前記工程(a)の後、SW6を閉じて前記キャパシタの電圧を前記第1電圧検出部で測定する工程と、
    (c)前記工程(b)において測定された前記キャパシタの電圧が閾値以上であるときに、SW3の異常を検知する工程と、
    (d)SW3が正常であるときに、SW3を閉じて前記キャパシタの電圧を前記第1電圧検出部で測定する工程と、
    (e)前記工程(c)において測定された前記キャパシタの電圧が閾値以上であるときに、SW4の異常を検知する工程と、を具備する、請求項16に記載の電圧制御方法。
  18. 前記端子T(2)と、前記キャパシタの前記第2端子との間に、前記第6スイッチとともに開閉される第7スイッチSW7が介在している、請求項16または17に記載の電圧制御方法。

JP2016085796A 2015-07-07 2016-04-22 電圧測定装置および電圧測定方法、並びに電圧制御装置および電圧制御方法 Active JP6627635B2 (ja)

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