JP2017053708A - 電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電圧測定装置の故障を検出する。
【解決手段】 本実施の形態は、第１のスイッチＳＷ２により、内部電圧源４からの第１の電圧及びアッテネータ３により減衰された第２の電圧とを選択する。そして、論理回路６により、第１の電圧と、第２の電圧とに基づく検出値が、アッテネータ３の故障を検出するための基準閾値の範囲外であることを検出する。
【選択図】図２

Description

本実施形態は、電池電圧の測定を行なう電圧測定装置に関する。

従来より、電池電圧の測定を行なう電圧測定装置が広く知られている。このような電圧測定装置自体が故障をした場合には、電池電圧の測定にも影響がでる。したがって、電圧測定装置の電圧測定回路の一部が故障した場合にも、電池電圧を測定することができる技術が広く知られている。

このような技術は、電圧測定装置のＭＵＸ（マルチプレクサ）を含む電圧測定回路に生ずる故障に関するものである。しかしながら、電圧測定装置に含まれる構成部品には、ＭＵＸに限らず、アッテネータなどの他の構成部品も含まれる。

特許第４８５８３７８号公報

本実施形態は、アッテネータの故障を精度よく検出することができる電圧測定装置を実現する。

実施形態によれば、第１のスイッチにより、電源から出力された第１電圧と、アッテネータにより第１電圧が減衰された第２電圧を選択する。そして、検出回路により、第１電圧と第２電圧とに基づく検出値が、基準閾値の範囲外であることを検出する。

実施の形態に係る自動車に搭載した電圧測定装置を説明するための図である。 第１の実施形態に係る故障検出器を含む電圧測定装置を示す図である。 第１の実施形態に係る故障検出器を含む電圧測定装置の効果を比較するための図である。 第１の実施形態に係る電圧測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。 第２の実施形態に係る故障検出器を含む電圧測定装置を示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態に係る自動車に搭載した電圧測定装置を説明するための図である。

同図に示すように、車輪１１ａ、１１ｂを駆動するモータ１２が、インバータ１３に接続されている。インバータ１３には、車載用の電池（ｂ２２−１ａ、ｂ２２−１ｂ、ｂ２２−１ｃ、ｂ２２−２ａ、ｂ２２−２ｂ、ｂ２２−２ｃ・・・、ｂ２２−Ｎａ、ｂ２２−Ｎｂ、ｂ２２−Ｎｃ）が直列に接続されており、これらは、交流又は直流充電器によって充電される。

電池（ｂ２２−１ａ、ｂ２２−１ｂ、ｂ２２−１ｃ、ｂ２２−２ａ、ｂ２２−２ｂ、ｂ２２−２ｃ・・・、ｂ２２−Ｎａ、ｂ２２−Ｎｂ、ｂ２２−Ｎｃ）は、所定の数毎に、グループ化されており、グループ毎に、電圧測定装置２２−１、２２−２、〜２２−Ｎが設けられている。

本実施の形態では、電池（ｂ２２−１ａ、ｂ２２−１ｂ、ｂ２２−１ｃ）には電圧測定装置２２−１、電池（ｂ２２−２ａ、ｂ２２−２ｂ、ｂ２２−２ｃ）には電圧測定装置２２−２、・・・、電池（ｂ２２−Ｎａ、ｂ２２−Ｎｂ、ｂ２２−Ｎｃ）には電圧測定装置２２−Ｎが設けられている。

各電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）は、それぞれの対応する電池の異常検出処理を行なう。そして、いずれかの電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）によって異常検出が行なわれた場合、その結果を、カプラ又は変換器１４を通してＭＣＵ(micro Controller Unit)１５に送る。

ＭＣＵ１５は、いずれかの電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）から異常検出が行なわれたことを検知すると、異常検出処理を行なう。

なお、異常検出処理は、ＭＣＵではなく、通信トランシーバ１６及び通信バス１７を通して自動車のＣＰＵに行なわせても良い。また、自動車に搭載された電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）の異常処理については、例えば、計器類を表示するモニターの一部に、電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）の異常を知らせるメッセージを表示しても良い。

さらに、本実施の形態によれば、グループ毎に電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）を設けていることから、電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）のＩＤに基づいて、どの電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）が故障しているのかを表示させても良い。

また、電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）の故障の検出タイミングについては、一定周期でも測定時であっても良いが、自動車のエンジン停止前のタイミングであることが望ましい。これは、電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）という電子機器の特性上、電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）の稼働後、一定期間が経過した方が安定した特性を得ることができるからである。

さらに、グループ毎に電圧測定装置２２（２２−１、２２−２、・・・、２２−Ｎ）を設けることにより、きめ細やかな電圧測定装置の故障検出を行なうことができる。

以下、上述の電圧測定装置２２の具体的な例を説明する。ここでは、電圧測定装置２２のうち、電圧測定装置２２−１を例にとり説明するが、他の電圧測定装置の構成も同様である。
＜第１の実施形態＞
図２は、第１の実施形態に係る故障検出器を含む電圧測定装置２２−１を示す図である。同図に示すように、第１の実施形態の電圧測定装置２２−１は、マルチプレクサ２、スイッチＳＷ１、アッテネータ３、内部電圧源４、スイッチＳＷ２、Ａ／Ｄコンバータ５及び論理回路６を具備している。

電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃは、直列に接続されており、負電極側がＧＮＤに接続され、正電極側が、電圧測定装置２２−１の端子Ｔ６を介して、電圧測定装置２２−１の構成部品（マルチプレクサ２、スイッチＳＷ１、アッテネータ３、内部電圧源４、スイッチＳＷ２、Ａ／Ｄコンバータ５、論理回路６及び他の構成部品）に接続される。電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃの電圧は、適正な電圧に変換された後、各構成部品に電源として供給される。なお、端子Ｔ４及び端子Ｔ５は、ＧＮＤに接続される。

電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃは、例えば、乾電池（マンガン電池、アルカリ電池、ニッケル系電池）、リチウム電池、ボタン電池（アルカリボタン電池、酸化銀電池、空気（亜鉛）電池）、小型二次電池（ニカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池など）、アルカリ蓄電池などである。

マルチプレクサ２には、各電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃの電圧が端子Ｔ１〜Ｔ４を介して入力される。マルチプレクサ２は、所定の制御信号ａに基づいて、電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃの電圧を選択する。、マルチプレクサ２はこの選択された電圧をＳＷ１に出力する。この制御信号ａは、実施の形態では、論理回路６から出力されるが、これに限られるものではない。例えば、制御信号ａは、論理回路６とは別の電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃを選択するための回路（図示せず）から出力されても良い。

スイッチＳＷ１は、マルチプレクサ２により選択された電池の電圧又は内部電圧源４の電圧(VIN+Verr)を論理回路６から出力される制御信号ｂに基づいて選択する。ここで、「VIN」は、内部電圧源４に期待される内部電圧期待値であり、「Verr」は、内部電圧源４の誤差電圧である。

このスイッチＳＷ１は、アッテネータ３の故障検出時には、制御信号ｂに基づいて、内部電圧源の電圧(VIN+Verr)を選択する（ＳＷ１の「０」）。また、電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃの電圧を測定する場合には、制御信号ｂに基づいて、マルチプレクサ２の出力側を選択する（ＳＷ１の「１」）。制御信号ｂは、論理回路６により制御される。

アッテネータ３は、スイッチＳＷ１により選択された電圧を減衰率βで減衰して、ＳＷ２の第１の入力（ＳＷ２の「１」）に出力する。

ＳＷ２は、アッテネータ３により減衰された第１の入力電圧（ＳＷ２の「１」）又は内部電圧源４の内部電圧(VIN+Verr)である第２の入力電圧（ＳＷ２の「０」）を、制御信号ｃに基づいて選択する。制御信号ｃは、論理回路６により制御される。

内部電圧源４は、電圧測定装置２２−１の内部において所定の電圧(VIN+Verr)をＳＷ１及びＳＷ２に供給し、その供給電圧は、ＳＷ１及びＳＷ２の定格、Ａ／Ｄコンバータ５のサンプリング電圧の性能に基づいて定められる。

ＳＷ２により選択された第１の入力電圧又は第２の入力電圧は、Ａ／Ｄコンバータ５に出力される。

Ａ／Ｄコンバータ５は、ＳＷ２により選択された第１の入力電圧（ＳＷ２の「１」）又は第２の入力電圧（ＳＷ２の「０」）をＡ／Ｄ変換して、論理回路６に出力する。

論理回路６は、各電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃの電圧の故障検出処理を行なうとともに、本実施の形態のアッテネータ３の故障検出処理を行なう。具体的には、論理回路６は、各電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃの電圧の故障検出処理を行なう場合には、制御信号ａにより、各電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃの電圧を選択する。また、この時、制御信号ｂにより、SW1はＭＵＸ２の出力を選択する（ＳＷ１の「１」）。さらに制御信号ｃにより、SW２はアッテネータ３の出力を選択する（ＳＷ２の「１」）。

これにより、論理回路６は、Ａ／Ｄコンバータ５から出力される各電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃの電圧測定値に基づいて、各電池ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃの電圧の故障検出処理を行なう。

なお、論理回路６は、電圧測定装置２２−１の基板の外側に設けられていてもい。また、論理回路６は、ＣＰＵ、ＭＰＵなどのプロセッサ、コントローラであっても良い。
また、アッテネータ３が必要とされるのでは、各電池（ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃ）の電圧が高いのに比べて、Ａ／Ｄコンバータ５の入力電圧範囲が低いためである。このように、アッテネータ３を用いることによって、必要以上にＩＣチップサイズが増大するのを防止することができ、電池電圧をＩＣで測定することが可能になる。

次に、第１の実施形態のアッテネータ３の故障検出処理を行なう場合の論理回路６の動作について説明する。

この場合、論理回路６は、制御信号ｂにより、内部電圧源４の内部電圧(VIN+Verr)である第２の入力電圧（ＳＷ１の「０」）を選択する。また、制御信号ｃにより、ＳＷ２により選択されたアッテネータ３により減衰された第１の入力電圧（ＳＷ２の「１」）又は内部電圧源４の内部電圧(VIN+Verr)である第２の入力電圧（ＳＷ２の「０」）を選択する。

以下、第１の実施形態に係る電圧測定装置２２−１の動作について説明する。

ここでは、第１の実施形態の電圧測定装置２２−１の動作との比較のために、ＳＷ２を設けない場合のアッテネータ３の故障を検出する場合について、図３の電圧測定装置２２−１と比較して説明する。

図３において、論理回路６が内部電圧源４の電圧(VIN±Verr)を測定した場合、
測定値 = (VIN±Verr)(β±βerr)
となる。ここで、βerrは、減衰率βの減衰率誤差である。

この測定値を入力換算(1/β)した値と、内部電圧期待値VINとの差を取った値
(VIN±Verr)(β±βerr)(1/β)-VIN = ±(VIN±Verr)(βerr/β)±Verr
が、内部電圧測定誤差となり、この誤差がアッテネータ３の故障を検出するための故障閾値を超える場合、故障と判定される。ここで、入力換算を行なうのは、測定された電圧の範囲を大きくして、正確な故障閾値を使用するためである。

このとき、故障を判定できる上限故障閾値は、許容されるβerr = βerr’とすると
上限故障閾値=(VIN+Verr)(βerr’/β)+Verr ・・・（式１）
下限故障閾値=-(VIN+Verr)(βerr’/β)-Verr ・・・（式2）
となる。

一方、第１の実施形態の電圧測定装置２２−１の動作について、図２及び図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、初めにアッテネータ３を介して（ＳＷ１の「０」側選択）内部電圧源４の電圧(VIN+Verr)を論理回路６が測定する。

具体的には、制御信号ｂにより、ＳＷ１の「０」側を選択して、内部電圧源４の電圧を選択（Ｓ１）するとともに、制御信号ｃにより、ＳＷ２の「１」側を選択して、アッテネータ３により減衰された出力電圧を選択する（Ｓ２）。

そして、ＳＷ２から出力される減衰された電圧をＡ／Ｄコンバータ５によってＡ／Ｄ変換し（Ｓ３）、論理回路６の記憶部に測定値Vmes1として記憶する（Ｓ４）。

この時の測定値Vmes1は、
Vmes1 = (VIN±Verr)(β±βerr) ・・・（式3）
と表わせる。

次に、アッテネータ３を介さずに直接、内部電圧源４の電圧を測定する（ＳＷ２の「０」側選択）。

具体的には、制御信号ｃにより、ＳＷ２の「０」側を選択して、内部電圧源４の電圧を選択し（Ｓ５）、ＳＷ２から出力される電圧をＡ／Ｄコンバータ５によってＡ／Ｄ変換し（Ｓ６）、論理回路６の記憶部に測定値Vmes2として記憶する（Ｓ７）。

この時の測定値Vmes2は、
Vmes2 = (VIN±Verr) ・・・（式4）
と表わせる。

そして、後段の論理回路６によって、(式3)を(式4)で除算し、減衰期待値βで減算した結果を検出閾値Vthとすると、
Vth = Vmes1 / Vmes2 - β
= ±βerr・・・（式5）
となる（Ｓ８）。

次に、検出閾値Vthが、基準閾値Vth'の範囲外か否かの判断が行なわれる（Ｓ９）。ここで、基準閾値Vth'は、アッテネータ３の定格により定められる許容される誤差減衰率（Vth' = ±β'err）により定められる。検出閾値Vthは、アッテネータ３の故障検出時に実際に測定して得られる誤差減衰率（Vth = ±βerr）により定められる。

Ｓ９において、検出閾値Vthが基準閾値Ｖth'の範囲を超えていると判断された場合には、電圧測定装置２２−１が異常であると判断し、論理回路６は異常処理を行なう（Ｓ１０）。一方、検出閾値Vthが基準閾値Ｖth'の範囲を超えていないと判断された場合には、異常はないものとして処理を終了する（Ｓ１１）。

ここで、異常処理は、論理回路６で行なうものとしたが、他の異常処理を行なうための回路によって行ってもよい。例えば、電圧測定装置２２−１を使用するシステムのプロセッサ、コントローラであってもよい。

異常処理の例としては、電圧測定装置２２−１の異常を示す異常フラグを格納する処理を行なっても良い。この場合、格納する先は、論理回路６の記憶部であっても良いし、システムの記憶部であっても良い。このように、異常フラグを格納することにより、電圧測定装置２２−１や、電圧測定装置２２−１を使用するシステムは、格納された異常フラグを参照することにより、種々の処理を行なうことができる。

また、電圧測定装置２２−１が異常であると判断された場合、電圧測定装置２２−１の測定を止める制御を行なっても良い。この場合、論理回路１が測定を停止しても良いし、論理回路１が電圧測定装置２２−１を使用するシステムに対して測定を停止させても良い。

第１の実施形態によれば、（式5）より、内部電圧源４の電圧の誤差（Verr）を2回の測定（Vmes1とVmes2）にて相殺しており、図３の測定装置の（式１）,（式2）に対して、検出閾値範囲を±βerrに狭めることが出来る。また、内部電圧値およびその精度にかかわらず、(式5)より見込まれる最悪値に閾値を設定することで、高精度にアッテネータ３の故障を検出することができる。

例えば、アッテネータ３の故障検知可能範囲について、VIN=2.5 [V], Verr = ±5 [mV], β = 0.2, βerr’ = ±1mV, 各電池(ｂ２２−１ａ〜ｂ２２−１ｃ)電圧=20Vとすると、図３に示した電圧測定装置２２−１では、アッテネータ故障検出可能域は、βerr ≧ 1.8 （各電池電圧測定精度 ±１８０ ｍＶ相当）である。一方、本実施の形態によれば、アッテネータ故障検出可能域は、βerr ≧ 1.0 （各電池電圧測定精度 ±１００ ｍＶ相当）である。

また、アッテネータ３の故障を正確に発見することができるので、電池の過放電や過充電を防止することができ、その結果、電池寿命を長くすることができる。さらに、高精度な電圧源が不要となり、その結果、チップサイズを小さくすることできるとともに、製造コストも抑えることができる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態に係る電圧測定装置２２−１について説明する。
第２の実施形態の電圧測定装置２２−１は、第１の実施形態の内部電圧源４に代えて、図５に示すように、外部電圧源ｂ２１及び外部電圧源ｂ２１用の端子Ｔ２１を用いたことにある。

このような構成によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、外部電圧源ｂ２１が故障した場合にも、新たな外部電圧源ｂ２１を使用することが容易になる。さらに、外部電圧源ｂ２１を使用することにより、電圧測定装置２２−１のチップサイズを小さくすることができるとともに、製造コストを抑えることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、２２、２２−１〜２２−Ｎ 電圧測定装置 ２ ＭＵＸ ３ アッテネータ ４ 内部電圧源 ５ コンバータ ６ 論理回路

Claims (7)

1. 電圧源から出力された第１電圧を減衰するアッテネータと、
   前記第１電圧が前記アッテネータにより減衰された第２電圧と、前記第１電圧のいずれかを選択する第１のスイッチと、
   前記選択された第１電圧と、前記第２電圧とに基づく検出値が、前記アッテネータの故障を検出するための基準閾値の範囲外であることを検出する検出回路と
   を具備する、電圧測定装置。
2. 前記第１電圧及び電池電圧のいずれかを選択する第２のスイッチをさらに具備する、請求項１記載の電圧測定装置。
3. 前記第１電圧は、前記電圧測定装置の内部電圧源からの入力電圧である、請求項１記載の電圧測定装置。
4. 前記第１電圧は、前記電圧測定装置の外部電圧源からの入力電圧である、請求項１記載の電圧測定装置。
5. 前記第２のスイッチは、
   前記第１電圧及び複数の電池のうち１つの電池の入力電圧を入力とし、前記第１電圧又は前記複数の電池のうち１つの電池の入力電圧を選択可能であり、選択された電圧を前記アッテネータに出力する、請求項２記載の電圧測定装置。
6. 車輪のモータを駆動するインバータに接続された電池と、
   前記電池の電圧測定を行なう電圧測定装置と
   を具備する自動車において、
   前記電圧測定装置は、
   電源から出力された第１電圧を減衰するアッテネータと、
   前記第１電圧が前記アッテネータにより減衰された第２電圧と、前記第１電圧のいずれかを選択する第１のスイッチと、
   前記選択された第１電圧と、前記第２電圧とに基づく検出値が、前記アッテネータの故障を検出するための基準閾値の範囲外であることを検出する検出回路と
   を具備する、
   自動車。
7. 前記電池は、グループ化され、
   前記電圧測定装置は複数であり、前記グループ化された電池に対応して、それぞれ設けられ、
   前記電圧測定装置の少なくとも１つが、前記第１電圧と、前記第２電圧とに基づく検出値が、前記基準閾値の範囲外であることを検出した場合に、前記電圧測定装置の異常を処理する回路をさらに具備する請求項６記載の自動車。