JP3696124B2 - 組電池の電圧検出回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の走行用モータの電源等として用いられる組電池の電圧を検出する回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ハイブリッド車等の電気自動車においては、走行用モータの電源として、複数の二次電池を直列に接続してなる組電池が搭載されている。この様な組電池においては、通常、２００〜３００Ｖの高電圧を発生する必要があるため、例えば１セル当りの出力が約３.６Ｖのリチウム系の二次電池では６０〜８０セルが直列に接続され、１セル当りの出力が約１.２ＶのＮｉＭＨ系の二次電池では２００セル程度が直列に接続されて、組電池が構成される。
【０００３】
この様な組電池においては、全ての二次電池の充電状態が均等であることが望ましい。例えば１本の二次電池が７０％の充電率であり、他の二次電池が５０％の充電率である場合、充電可能な電気量は、充電率７０％の二次電池が満充電になるまでの３０％相当であるため、仮に３０％相当を超えて充電を行なうと、充電率が７０％であった二次電池は、充電率が１００％を超えることとなって、寿命が大幅に短くなる。その結果、組電池としての寿命も短くなる。
【０００４】
そこで、図１０に示す如き電圧監視システムを構成して、組電池(10)を構成する各二次電池の電圧を監視することが行なわれている。該システムにおいては、複数個の二次電池を直列に接続して電池モジュールが構成され、更に複数の電池モジュールを直列に接続して組電池(10)が構成されている。
【０００５】
組電池(10)の両端及び電池モジュールどうしの連結点からはそれぞれ、電圧検出線が引き出され、これらの電圧検出線は電圧検出回路(７)に接続されている。電圧検出回路(７)によって検出された各電池モジュールの電圧は、全体制御回路(８)に入力される。又、温度検出回路(81)によって電池の温度が検出されると共に、電流検出回路(82)によって電池に流れる電流が検出され、これらの検出結果は全体制御回路(８)に入力される。
全体制御回路(８)は、上記の入力データに基づいて、電池の残量を算出すると共に、電池に異常が発生していないかどうかを監視し、監視結果は、通信線を経て外部の制御システムへ供給される。
【０００６】
ところで、上述の如き電圧監視システムにおいては、組電池(10)全体の電圧が２００〜３００Ｖに対して、例えばＮｉＭＨ系の二次電池の電圧は、１セル当り１.２Ｖ程度であるため、全体電圧の監視だけでは、各二次電池の状態を把握することは困難である。従って、電圧監視システムにおいては、少なくともモジュール単位で電圧を監視することが必要となる。
【０００７】
図１１は、モジュール単位で電圧の監視を行なう従来の電圧検出回路(７)の構成を表わしている(特開平１１−１６０３６７号、特開平１１−１６０３７１号参照)。
図１１において、組電池(10)は４つの電池ブロックに分割され、５つの電池モジュールから１つの電池ブロックが構成されており、電池ブロック毎に、差分演算回路(71)、アナログ−デジタル変換器(72)、及び絶縁インターフェース(73)が直列に接続されて、モジュール毎に電池電圧を検出する電圧検出回路(７)が構成されている。尚、ＮｉＭＨ系の二次電池の場合、１モジュールの電圧は１２Ｖ前後となる。
【０００８】
差分演算回路(71)は、各電池モジュールの両端電圧の差分を検出し、その検出値はアナログ−デジタル変換器(72)に供給されて、デジタル値に変換された後、フォトカプラ等からなる絶縁インターフェース(73)を経て、全体制御回路(８)へ供給される。この様に絶縁インターフェース(73)を介在させることによって、高電圧の組電池(10)と全体制御回路(８)の間を電気的に絶縁している。
【０００９】
差分演算回路(71)は、例えば図１２に示す如くオペアンプ及びその周辺の抵抗によって構成され、これによって各電池モジュールの出力電圧が検出される。例えば図中に示す電池モジュール１(Module1)の正極点の電位Ｖ１は、電池モジュール２(Module2)の負極点をグランドとして、電池モジュール１と電池モジュール２の合計の電圧となるが、各電池モジュールの両端がそれぞれ差分演算回路(71)に接続されることによって、各電池モジュールの電圧が検出される。そして、検出された電圧がアナログ−デジタル変換器(72)に入力されることによって、各電池モジュールの電圧検出データが得られる。この様に、電池モジュールの何れか１つの端子をグランドとして接地することにより、電池から見たグランド電位を安定なものとして、正確な差分演算を実現している。尚、図１１に示す各アナログ−デジタル変換器(72)にグランドが設けられている。
【００１０】
図１２において、各差分演算回路(71)から出力される電圧は、電圧差分値(Ｖ１−Ｖ２)に係数Ａを乗じた値となる。ここで、係数Ａは、差分演算回路(71)へ入力される電圧が正常なＡ／Ｄ変換のために必要な範囲に収まる様、適切な値に設定される。例えば、電圧の測定範囲が０〜２０Ｖ、アナログ−デジタル変換器(72)の入力範囲が０〜５Ｖである場合、Ａ＝５Ｖ／２０Ｖ＝０.２５となる様、図１２に示す各抵抗の抵抗値が設計される。図１２中に示す抵抗値は、この条件を満たすものである。
【００１１】
又、アナログ−デジタル変換器(72)の分解能は、１つの電池モジュールの電圧を検出するために必要な分解能で決まり、例えば図１２にて各電池モジュールの計測電圧を最大２０Ｖとし、これを数十ｍＶ程度の分解能で検出する場合、１０ビットのアナログ−デジタル変換器(72)を採用すれば、分解能Ｒは下記数１の如く算出される。
【数１】
Ｒ＝２０Ｖ／２１０ ＝１９.５ｍＶ
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０〜図１２に示す従来の電圧検出回路(７)においては、電池モジュール毎に１つのオペアンプと周辺抵抗を配備する必要があるので、モジュール数が増加すると、これに伴って回路規模が大きくなる問題があった。
【００１３】
又、図１２に示す回路構成の場合、電圧検出線が断線した場合の挙動が不明であった。１モジュールの電圧が１２Ｖとすると、断線のない状態では、アナログ−デジタル変換器(72)のチャンネルＣＨ１には、正しい電圧差分値３Ｖ（Ａ＝０．２５）が入力されるが、例えば図中に×印で示す位置で断線が発生した場合、アナログ−デジタル変換器(72)のチャンネルＣＨ１に対する入力電圧は５.３Ｖとなり、チャンネルＣＨ２に対する入力電圧は０.７Ｖ程度となる。この場合、電池モジュール１の過充電によって大きな電圧差分値が入力されているのか、断線によって異常な値が入力されているのかを判別することが出来ない。断線が発生している場合に組電池を継続して使用することは、電池にダメージを与える可能性があるため、異常として処理すべきである。同じく電池モジュール２の電圧判定においても、過放電によって小さな電圧差分値が入力されているのか、断線によって異常な値が入力されているのかの判別は、微妙なものとなる。
【００１４】
更に又、従来の電圧検出回路においては、検出精度が抵抗の誤差によって大きな影響を受けるため、検出精度を上げることが困難であった。即ち、図１２に示す差分演算回路(71)の演算精度を上げるためには、高精度の抵抗器を実装する必要があるが、抵抗器の精度は通常０.５〜１％程度であるため、仮に０.５％精度の抵抗器を採用したとしても、差分演算回路(71)の演算誤差は、合成抵抗の誤差によって決まり、１％程度に達することになる。従って、１２Ｖ程度の入力値の場合で１２０ｍＶ程度の誤差が発生し、１セル当り１.２Ｖの電圧を監視する際の精度としては不十分である。
【００１５】
一方、検出精度を改善するために、ソフトウエアによって補正演算を行なう方法が知られている。この方式を図１２の差分演算回路(71)に採用した場合、電圧差分値(Ｖ１−Ｖ２)の算出に代えて、補正差分値(Ａ×Ｖ１−Ｂ×Ｖ２)を算出する。ここで係数Ａ、Ｂは、抵抗値誤差の大きさを表わす係数であって、抵抗値誤差が小さいほど１に近づく値である。しかしながら、例えば電池モジュール１についての電圧差分値は電池モジュール２の電圧変化の影響を受けるため、ソフトウエアによって各電池モジュールについての電圧差分値を補正するには、非常に複雑な処理が必要となる。
【００１６】
本発明の目的は、部品点数の削減が可能であり、然も電圧検出精度を上げることが容易であり、更に断線の発生を確実に検出することが可能な電圧検出回路を提供することである。
【００１７】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る電圧検出回路は、複数の電池モジュールを互いに直列に接続してなる１以上の電池ブロックから構成される組電池において、電池ブロックを構成する各電池モジュールの電圧を検出する回路であって、電池ブロックの複数の電圧検出点(電池ブロックの両端及び電池モジュールどうしの連結点)からそれぞれ電圧検出線が引き出され、この中の１本の電圧検出線がグランドに接地され、非接地電圧検出線はそれぞれ電圧分岐線を介して接地電圧検出線に連結されている。各非接地電圧検出線及び各電圧分岐線には分圧抵抗が介在している。各非接地電圧検出線はアナログ−デジタル変換手段を介して演算手段に接続されている。演算手段は、各非接地電圧検出線から入力される電圧検出データに基づいて、各電池モジュールの電圧を算出するものである。
【００１８】
上記本発明の電圧検出回路において、電池ブロックの複数の電圧検出点から引き出された電圧検出線には、各電池モジュールの正極若しくは負極の電位が発生することになるが、１本の電圧検出線(接地電圧検出線)は接地されているため、各非接地電圧検出線には、接地電圧検出線の電位(グランド)を基準とする電位が発生することになる。そして、各非接地電圧検出線の電位は、その非接地電圧検出線とその非接地電圧検出線に連結された電圧分岐線とに介在する一対の分圧抵抗によって分圧され、これらの分圧抵抗の比に応じた電圧が非接地電圧検出線からアナログ−デジタル変換手段へ入力されて、デジタルの電圧検出データに変換される。各電圧検出データは更に演算手段へ供給される。
【００１９】
演算手段へ供給される電圧検出データは、接地電圧検出線の電位をグランドとする非接地電圧線の電位、即ち、各電池モジュールの正極若しくは負極の電位に比例した値を有しているので、ある１つの電池モジュールの出力電圧を算出する際には、その電池モジュールの両極から伸びる２本の電圧検出線の電位差を算出して、その電位差に前記分圧抵抗の比に応じた所定の係数を乗算すればよい。これによって、各電池モジュールの出力電圧が得られる。
【００２０】
この様に、本発明に係る電圧検出回路においては、従来の如きアナログ回路による差分演算を行なわず、アナログ−デジタル変換手段から得られるデジタルの電圧検出データに基づいて差分演算を実行して、各電池モジュールの電圧を算出するのである。
【００２１】
具体的構成において、演算手段は、予め設定されている補正方式に基づいて各非接地電圧検出線を経て入力される電圧検出データを補正するデータ補正手段を具えている。
該具体的構成による補正計算において、１本の非接地電圧検出線を経て得られる電圧検出値は、他の非接地電圧検出線の電圧変化による影響を受けないので、各非接地電圧検出線を経て入力される電圧検出データに対して個別に補正処理を施せばよく、補正処理は極めて簡易である。
【００２２】
他の具体的構成において、演算手段は、各非接地電圧検出線から入力される電圧検出データに基づいて各非接地電圧検出線の断線を検知する断線検知手段を具えている。
例えばある１本の非接地電圧検出線に断線が発生した場合、該非接地電圧検出線の電位は実質的に零となって、該非接地電圧検出線を経て得られる電圧検出データは、他の非接地電圧検出線を経て得られる電圧検出データよりも小さくなる。これによって、該非接地電圧検出線に断線が発生したものと判断することが出来る。
【００２３】
他の具体的構成において、接地電圧検出線と他の電圧検出線の間には、接地電圧検出線の断線を判定するための断線判定回路が介在し、該断線判定回路は、両電圧検出線及び１以上の電池モジュールを含む閉ループ回路が形成されるか否かによって断線を判定する。
接地電圧検出線に断線が発生していない場合には、接地電圧検出線と、前記他の電圧検出線と、両電圧検出線の間に介在する１以上の電池モジュールとによって、断線判定回路に電流を供給することが可能であるが、接地電圧検出線に断線が発生した場合には、断線判定回路に電流を供給することが出来なくなるので、この電流供給の可否を検知することによって、断線の有無を判定することが出来る。
【００２４】
他の具体的構成において、複数の電圧検出点の内、最も中央に位置する電圧検出点から伸びる電圧検出線が、接地電圧検出線としてグランドに接地されている。
該具体的構成によれば、各電池モジュールから非接地電圧検出線及び電圧分岐線を経てグランドへ至る電流経路が形成された場合、各電池モジュールに流れる電流は、接地電圧検出線が引き出された電池モジュールに近い電池モジュールほど電流経路が重複することとなって、接地電圧検出線が引き出された電池モジュールで最大電流となるが、接地電圧検出線を電池ブロックの中央位置に設けることによって、接地電圧検出線が引き出された電池モジュールに流れる電流の増大を可及的に抑制することが出来る。
【００２５】
更に具体的な構成において、電池ブロックの各端部から伸びる非接地電圧検出線と該非接地電圧検出線に連結されている電圧分岐線とに介在する一対の分圧抵抗は、他の非接地電圧検出線と該非接地電圧検出線に連結されている電圧分岐線とに介在する一対の分圧抵抗よりも、小さな抵抗値に設定されている。
これによって、電池モジュール間相互で電池モジュールに流れる電流のばらつきを更に効果的に抑制することが出来る。
【００２６】
更に他の具体的な構成においては、各電圧分岐線に介在する分圧抵抗に対して並列にコンデンサが接続されている。
該構成によれば、分圧抵抗とコンデンサによってローパスフィルターが形成されることとなって、該ローパスフィルターによってアナログ−デジタル変換手段へ供給される電圧信号のノイズ成分を低減させることが出来る。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係る組電池の電圧検出回路においては、各電圧検出線に電圧分岐線を連結して、各電圧検出線及び各電圧分岐線に分圧抵抗を介在させることによって、各電圧検出線の電位を検出するための簡易な回路を構成し、各電圧検出線の電位に応じた電圧検出データに基づいて各電池モジュールの電圧を算出するので、従来の複雑な構成の差分演算回路を装備する必要はなく、従来よりも部品点数の削減が可能である。又、各非接地電圧検出線を経て入力される電圧検出データに対して個別に補正処理を施すことが出来るので、補正処理は極めて簡易であり、これによって電圧検出精度を上げることが可能である。更に又、非接地電圧検出線の断線は、非接地電圧検出線を経て得られる電圧検出データの変化を監視することによって、確実に検出することが出来る。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、ハイブリッド車の電源として用いる組電池の電圧監視システムに実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る電圧監視システムにおいては、図１に示す如く、５つの電池モジュール(Module1〜Module5)を直列に接続して１つの電池ブロックが構成され、更に複数の電池ブロックを直列に接続して、組電池(１)が構成されている。組電池(１)には、電池ブロック毎に、各電池モジュールの出力電圧を検出するための電圧検出回路(２)が接続されている。
【００２９】
電圧検出回路(２)において、５つの電池モジュール(Module1〜Module 5)の内、一方の端部に位置する電池モジュール(Module1)の正極点(Ｖ１)、電池モジュールどうしの連結点(Ｖ２〜Ｖ５)、及び他方の端部に位置する電池モジュール(Module5)の負極点(Ｖ６)からはそれぞれ、電圧検出線(21)(22)(23)(24)(25)(26)が引き出され、略中央位置の第３番目の連結点(Ｖ３)から引き出された電圧検出線(23)はグランドに接地されている。
【００３０】
又、非接地電圧検出線(21)(22)(24)(25)(26)はそれぞれ電圧分岐線(31)(32)(33)(34)(35)を介して接地電圧検出線(23)に連結され、各非接地電圧検出線(21)(22)(24)(25)(26)及び各電圧分岐線(31)(32)(33)(34)(35)にはそれぞれ分圧抵抗(Ｒ1a〜Ｒ6a、Ｒ1b〜Ｒ6b)が介在している。
５本の非接地電圧検出線(21)(22)(24)(25)(26)は、５チャンネル(ＣＨ１〜ＣＨ５)のアナログ−デジタル変換器(４)の５つの入力端子に接続され、該アナログ−デジタル変換器(４)の５つの出力端子は、マイクロコンピュータからなる演算回路(５)に接続されている。尚、アナログ−デジタル変換器(４)のグランド端子ＧＮＤは接地されている。
【００３１】
上記電圧検出回路(２)においては、電池ブロックの６つの電圧検出点(Ｖ１〜Ｖ６)の内、接地されている第３番目の電圧検出点(Ｖ３)を除く５つの電圧検出点(Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６)の電位が、その電圧検出点から伸びる非接地電圧検出線と該非接地電圧検出線に接続された電圧分岐線に介在する一対の分圧抵抗によって分圧され、これによって両分圧抵抗の連結点に発生する電位がアナログ−デジタル変換器(４)の各入力端子に入力される。
例えば、第１番目の電圧検出点(Ｖ１)の電位は、その電圧検出点から伸びる電圧検出線(21)とその電圧分岐線(31)に介在する一対の分圧抵抗(Ｒ1a、Ｒ1b)によって分圧され、これによって両分圧抵抗の連結点に発生する電位が、アナログ−デジタル変換器(４)の第１チャンネルＣＨ１の入力端子に入力される。
【００３２】
アナログ−デジタル変換器(４)は、正負両方の値を入力することが出来るものであって、各入力端子に入力されたアナログ信号をデジタルデータに変換して、各出力端子から出力する。
【００３３】
図２は、本発明に係る電圧検出回路(２)の具体的な設計例を表わしており、ここでは、各電池モジュールの出力電圧を最大２０Ｖ、アナログ−デジタル変換器(４)の入力範囲を±５Ｖ以内としている。最大の電圧が発生する位置は、３つの電池モジュール(Module3〜5)が直列となっている電圧検出点Ｖ６であって、その電圧は６０Ｖとなる。この場合、アナログ−デジタル変換器(４)に対する入力電圧が±５Ｖ以内に収まる様に、一対の分圧抵抗による分圧比を０.０８３（＝５Ｖ／６０Ｖ）とする。
【００３４】
演算回路(５)は、下記数２に基づいて、アナログ−デジタル変換器(４)の５つの出力端子から得られる５チャンネル分の電圧検出データＶ(ｃｈ１)〜Ｖ(ｃｈ５)にソフトウエアによる差分演算を施し、各電池モジュールの出力電圧Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−ｎ)を算出する。
【００３５】
【数２】
Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−１)＝(Ｖ(ｃｈ１)−Ｖ(ｃｈ２))／０.０８３
Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−２)＝Ｖ(ｃｈ２)／０.０８３
Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−３)＝−Ｖ(ｃｈ３)／０.０８３
Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−４)＝(Ｖ(ｃｈ４)−Ｖ(ｃｈ５))／０.０８３
Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−５)＝(Ｖ(ｃｈ５)−Ｖ(ｃｈ６))／０.０８３
【００３６】
又、アナログ−デジタル変換器(４)の分解能Ｒとして、例えば図１２に示す従来の電圧検出回路と同様の１９.５ｍＶを確保する場合、アナログ−デジタル変換器(４)の必要ビット数Ｂは下記数３によって算出される。
【００３７】
【数３】
Ｂ＝ｌｏｇ２(６０Ｖ／１９.５ｍＶ)＝１２ビット
【００３８】
従って、図１２の場合と同程度の分解能１９.５ｍＶを確保するには、１２ビットのアナログ−デジタル変換器(４)が必要であり、図１２のアナログ−デジタル変換器(72)よりも２ビットだけ高分解能のものが必要となるが、近年のアナログ−デジタル変換器は、回路技術の進歩によって高分解能のものが低コストで製造されるようになっているので、問題はない。
【００３９】
本発明に係る電圧検出回路(２)においては、電圧検出精度を高めるため、以下に述べる様に、ソフトウエアによる補正演算が行なわれる。
図３は、アナログ−デジタル変換器(４)によるＡＤ変換結果と実際の電圧の関係を表わしており、ＡＤ変換結果がＸ１のとき、この値に１２（＝１／０．０８３）を乗算することによって電圧Ｖ１の値Ｙ１を得ることが出来るが、実際には抵抗値の誤差によって若干の誤差が発生する。図３において、理想的にはＸ２の値が抵抗誤差によってＸ１に変換されたとすると、演算回路(５)に予め係数(Ｘ２／Ｘ１)の値を登録しておき、下記数４に基づいて、ＡＤ変換結果Ｘから正確な電圧値Ｙを求めることが出来る。
【００４０】
【数４】
Ｙ＝(Ｘ２／Ｘ１)×１２×Ｘ
【００４１】
尚、係数(Ｘ２／Ｘ１)の値は、各電圧検出点Ｖ１〜Ｖ６に対する個別の値として、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発メモリに格納しておく。
この補正演算を実行することによって、各電圧検出点Ｖ１〜Ｖ６の電位を正確に測定することが出来、この結果、演算回路(５)による差分演算を高精度で行なうことが出来る。更に高精度な補正が必要な場合には、２つの係数Ａ、Ｂを用いた下記数５の補正式を採用することが有効である。
【００４２】
【数５】
Ｙ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ
【００４３】
非接地電圧検出線に発生する断線の検出は、次の様にして行なうことが出来る。例えば、図４中に×印で示す如く第１電圧検出点Ｖ１から伸びる非接地電圧検出線に断線が発生した場合、アナログ−デジタル変換器(４)のチャンネルＣＨ１の入力端子に入力される電圧検出値は略零Ｖとなって、チャンネルＣＨ２よりも低い値となる。実際の電池の使用範囲では、電池モジュールの電圧が負になることはあり得ないので、これによって断線の発生を検知することが出来るのである。この様に、非接地電圧検出線については、アナログ−デジタル変換器(４)に対する入力値又はアナログ−デジタル変換器(４)の出力値を監視することによって、断線の発生を検知することが可能である。
【００４４】
一方、接地電圧検出線(23)の断線を検知するためには、図５に示す如く、接地電圧検出線(23)と任意の非接地電圧検出線(21)との間に、電流制限用抵抗Ｒ、第１フォトカプラ(６)及び第１フォトカプラ(６)を介在させた断線検知回路を設ける。
該断線検知回路においては、第１フォトカプラ(６)の発光ダイオードに駆動信号を供給して、フォトトランジスタをオンとする。これによって、非接地電圧検出線(21)と接地電圧検出線(23)の間に介在する１以上の電池モジュールを電源として、非接地電圧検出線(21)から、抵抗Ｒ、第１フォトカプラ(６)のフォトトランジスタ及び第２フォトカプラ(61)の発光ダイオードを経て、接地電圧検出線(23)に至る電流経路が形成され、第２フォトカプラ(61)の発光ダイオードに電流が流れることになる。この結果、第２フォトカプラ(61)のフォトトランジスタがオンとなる。
【００４５】
ここで、図中に×印で示す様に接地電圧検出線(23)に断線が発生していた場合、 第１フォトカプラ(６)のフォトトランジスタをオンとしても、前記電流経路が開いたままとなるので、第２フォトカプラ(61)の発光ダイオードに電流が流れることはなく、従って、第２フォトカプラ(61)のフォトトランジスタはオフのままとなる。尚、電圧検出回路(２)を構成する分圧抵抗(数百ｋΩ)は、第１フォトカプラ(６)への電流を制限するための抵抗Ｒ(数百Ω)よりも非常に大きな抵抗値を有しているので、分圧抵抗を経て回り込む電流が第１フォトカプラ(６)のフォトトランジスタをオンさせることはない。
【００４６】
この様に、図５に示す断線検知回路によれば、第２フォトカプラ(61)のフォトトランジスタのオン／オフを断線判定信号として、接地電圧検出線(23)に発生している断線を検知することが出来る。
【００４７】
次に、図６を用いて、分圧抵抗に流れる電流によって発生する負荷バランスについて説明する。
図中に矢印で示す様に、電流Ｉ１は、電池モジュール１及び電池モジュール２を通過して流れるのに対し、電流Ｉ２は、電池モジュール２のみを流れるので、電池モジュール１と電池モジュール２に流れる電流に差が生じ、電池モジュール２には、電池モジュール１よりも電流Ｉ１の分だけ多くの電流が流れることになる。同様に、図６に示す電流Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５にも差が生じ、電池モジュール３には、電池モジュール５よりも電流Ｉ４及びＩ５の分だけ多くの電流が流れることになる。この結果、各電池モジュールの電荷の減少速度に差が生じて、電池モジュール間に残量ばらつきが発生することになる。この様な残量ばらつきが発生すると、前述の如く過充電が原因で、組電池の寿命が短くなる問題が生じる。
【００４８】
各電池モジュールに流れる電流を均等化するには、電流Ｉ２を電流Ｉ１に対して無視し得る程度に小さく設定すると共に、電流Ｉ３及びＩ４を電流Ｉ５に対して無視し得る程度に小さく設定することが有効である。
図７は、この様な対策を施した電圧検出回路(２)の回路定数を示している。図示の如く、最も外側の電圧検出点Ｖ１、Ｖ６から伸びる非接地電圧検出線(21)(26)と該非接地電圧検出線に連結されている電圧分岐線(31)(35)とに介在する一対の分圧抵抗は、他の非接地電圧検出線と該非接地電圧検出線に連結されている電圧分岐線とに介在する一対の分圧抵抗よりも、小さな抵抗値に設定されている。これによって、各電池モジュール１〜５に流れる電流は概ね均等となる。
【００４９】
下記表１は、各電池モジュールに流れる電流の値と、それらの平均値からのばらつきの計算結果を表わしている。
【００５０】
【表１】
【００５１】
表１から明らかな様に、各電池モジュールを流れる電流のばらつきは全て数％以下に収まっており、この程度のばらつきは無視し得るものである。
【００５２】
尚、１つの電池ブロックを構成する電池モジュールの数が増大するにつれて、各電池モジュールに流れる電流のばらつきは大きくなるが、接地すべき電圧検出線を出来るだけ中央の電圧検出点から引き出すことによって、各電池モジュールに流れる電流のばらつきを可及的に小さく抑えることが出来る。
【００５３】
更に、図８に示す電圧検出回路(２)においては、各電圧分岐線に介在する分圧抵抗Ｒｂに対して並列にコンデンサＣｂが接続され、分圧抵抗ＲｂとコンデンサＣｂによってローパスフィルタが構成されている。これによって、アナログ−デジタル変換器(４)へ入力される電圧信号に含まれるノイズ成分が低減されて、精度の高いＡＤ変換値を得ることが出来る。この様に本実施例では、分圧抵抗を利用してローパスフィルタが構成されているので、部品点数の増大は僅かである。
【００５４】
尚、本発明の電圧検出回路(２)においては、全ての検出電圧をＡＤ変換した後に差分演算を行なうので、全てのＡＤ変換処理が終了するまでは検出電圧を変化させずに維持する必要があり、そのためには次の様な対策が有効である。
１）各フィルタの時定数（Ｒｂ×Ｃｂ）の値を揃える。
２）各フィルタの時定数を、全チャンネルのＡＤ変換時間よりも十分に長く設定する。
１）の対策によれば、検出電圧が変化した後に定常状態に達するまでの時間を揃えることが出来る。又、２）の対策によれば、全チャンネルのＡＤ変換処理が終了するまでの検出電圧の変化を抑制することが出来る。
【００５５】
図９は、本発明に係る電圧検出回路(２)によるＡＤ変換処理と電圧判定処理の流れを表わしている。
先ずステップＳ１にて、接地電圧検出線(ＧＮＤ線)の断線検出を行なって、ステップＳ２にて、断線の有無を判断する。ここで断線が検出されたときは、ＡＤ変換の結果は不定であるため、“異常（ＥＮＤ）”として手続きを終了する。
接地電圧検出線に断線が発生していないときは、ステップＳ３に移行して、アナログ−デジタル変換器(４)による全チャンネルについてのＡＤ変換を実行する。
【００５６】
次にステップＳ４では、ＡＤ変換結果の内、何れか１本の電圧検出線の電位がほぼ零となっているかどうかを判断する。ここでイエスと判断されたときは、その電圧検出線は断線しており、正常な差分演算を行なうことが出来ないので、“異常（ＥＮＤ）”として手続きを終了する。
一方、ステップＳ４にてノーと判断されたときは、何れの電圧検出線にも断線はないので、予め設定されている補正値に基づいて電圧検出データに補正演算を施す。尚、特に高精度検出が不要な場合、この補正演算は省略することが可能である。
最後にステップＳ６にて、前述の差分演算を実行して、各電池モジュールの電圧を算出し、“正常（ＥＮＤ）”として手続きを終了する。
【００５７】
本発明に係る組電池の電圧検出回路においては、各電圧検出線及び各電圧分岐線に分圧抵抗を介在させた簡易な回路構成によって、各電圧検出線の電位を検出し、各電圧検出線を経て得られる電圧検出データに差分演算を施して各電池モジュールの電圧を算出する方式が採用されているので、従来の複雑な構成の差分演算回路を装備する必要はなく、従来よりも部品点数の削減が可能である。
又、各非接地電圧検出線を経て入力される電圧検出データに対して個別に補正処理を施すことが出来るので、補正処理は極めて簡易であり、これによって電圧検出精度を上げることが可能である。
更に又、非接地電圧検出線及び接地電圧検出線の断線を確実に検出することが出来る。
【００５８】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施例では各電池モジュールの電圧を検出しているが、各二次電池の電圧を検出することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電圧監視システムの構成を示す回路図である。
【図２】電圧検出回路の設計例を示す図である。
【図３】電圧検出値の補正方法を説明するためのグラフである。
【図４】断線検出方法を説明するための回路図である。
【図５】断線判定回路の構成を示す図である。
【図６】各電池モジュールに流れる電流の大きさを説明するための図である。
【図７】電圧検出回路の他の設計例を示す図である。
【図８】ローパスフィルタを構成した電圧検出回路を示す図である。
【図９】電圧検出回路によるＡＤ変換処理と電圧判定処理の流れを表わすフローチャートである。
【図１０】従来の電圧監視システムの構成を示すブロック図である。
【図１１】従来の電圧検出回路の構成を示す図である。
【図１２】従来の差分演算回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
(１) 組電池
(２) 電圧検出回路
(21)〜(26) 電圧検出線
(31)〜(35) 電圧分岐線
(４) アナログ−デジタル変換器
(５) 演算回路
Ｒ1a〜Ｒ6a 分圧抵抗
Ｒ1b〜Ｒ6b 分圧抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の走行用モータの電源等として用いられる組電池の電圧を検出する回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ハイブリッド車等の電気自動車においては、走行用モータの電源として、複数の二次電池を直列に接続してなる組電池が搭載されている。この様な組電池においては、通常、２００〜３００Ｖの高電圧を発生する必要があるため、例えば１セル当りの出力が約３.６Ｖのリチウム系の二次電池では６０〜８０セルが直列に接続され、１セル当りの出力が約１.２ＶのＮｉＭＨ系の二次電池では２００セル程度が直列に接続されて、組電池が構成される。
【０００３】
この様な組電池においては、全ての二次電池の充電状態が均等であることが望ましい。例えば１本の二次電池が７０％の充電率であり、他の二次電池が５０％の充電率である場合、充電可能な電気量は、充電率７０％の二次電池が満充電になるまでの３０％相当であるため、仮に３０％相当を超えて充電を行なうと、充電率が７０％であった二次電池は、充電率が１００％を超えることとなって、寿命が大幅に短くなる。その結果、組電池としての寿命も短くなる。
【０００４】
そこで、図１０に示す如き電圧監視システムを構成して、組電池(10)を構成する各二次電池の電圧を監視することが行なわれている。該システムにおいては、複数個の二次電池を直列に接続して電池モジュールが構成され、更に複数の電池モジュールを直列に接続して組電池(10)が構成されている。
【０００５】
組電池(10)の両端及び電池モジュールどうしの連結点からはそれぞれ、電圧検出線が引き出され、これらの電圧検出線は電圧検出回路(７)に接続されている。電圧検出回路(７)によって検出された各電池モジュールの電圧は、全体制御回路(８)に入力される。又、温度検出回路(81)によって電池の温度が検出されると共に、電流検出回路(82)によって電池に流れる電流が検出され、これらの検出結果は全体制御回路(８)に入力される。
全体制御回路(８)は、上記の入力データに基づいて、電池の残量を算出すると共に、電池に異常が発生していないかどうかを監視し、監視結果は、通信線を経て外部の制御システムへ供給される。
【０００６】
ところで、上述の如き電圧監視システムにおいては、組電池(10)全体の電圧が２００〜３００Ｖに対して、例えばＮｉＭＨ系の二次電池の電圧は、１セル当り１.２Ｖ程度であるため、全体電圧の監視だけでは、各二次電池の状態を把握することは困難である。従って、電圧監視システムにおいては、少なくともモジュール単位で電圧を監視することが必要となる。
【０００７】
図１１は、モジュール単位で電圧の監視を行なう従来の電圧検出回路(７)の構成を表わしている(特開平１１−１６０３６７号、特開平１１−１６０３７１号参照)。
図１１において、組電池(10)は４つの電池ブロックに分割され、５つの電池モジュールから１つの電池ブロックが構成されており、電池ブロック毎に、差分演算回路(71)、アナログ−デジタル変換器(72)、及び絶縁インターフェース(73)が直列に接続されて、モジュール毎に電池電圧を検出する電圧検出回路(７)が構成されている。尚、ＮｉＭＨ系の二次電池の場合、１モジュールの電圧は１２Ｖ前後となる。
【０００８】
差分演算回路(71)は、各電池モジュールの両端電圧の差分を検出し、その検出値はアナログ−デジタル変換器(72)に供給されて、デジタル値に変換された後、フォトカプラ等からなる絶縁インターフェース(73)を経て、全体制御回路(８)へ供給される。この様に絶縁インターフェース(73)を介在させることによって、高電圧の組電池(10)と全体制御回路(８)の間を電気的に絶縁している。
【０００９】
差分演算回路(71)は、例えば図１２に示す如くオペアンプ及びその周辺の抵抗によって構成され、これによって各電池モジュールの出力電圧が検出される。例えば図中に示す電池モジュール１(Module1)の正極点の電位Ｖ１は、電池モジュール２(Module2)の負極点をグランドとして、電池モジュール１と電池モジュール２の合計の電圧となるが、各電池モジュールの両端がそれぞれ差分演算回路(71)に接続されることによって、各電池モジュールの電圧が検出される。そして、検出された電圧がアナログ−デジタル変換器(72)に入力されることによって、各電池モジュールの電圧検出データが得られる。この様に、電池モジュールの何れか１つの端子をグランドとして接地することにより、電池から見たグランド電位を安定なものとして、正確な差分演算を実現している。尚、図１１に示す各アナログ−デジタル変換器(72)にグランドが設けられている。
【００１０】
図１２において、各差分演算回路(71)から出力される電圧は、電圧差分値(Ｖ１−Ｖ２)に係数Ａを乗じた値となる。ここで、係数Ａは、差分演算回路(71)へ入力される電圧が正常なＡ／Ｄ変換のために必要な範囲に収まる様、適切な値に設定される。例えば、電圧の測定範囲が０〜２０Ｖ、アナログ−デジタル変換器(72)の入力範囲が０〜５Ｖである場合、Ａ＝５Ｖ／２０Ｖ＝０.２５となる様、図１２に示す各抵抗の抵抗値が設計される。図１２中に示す抵抗値は、この条件を満たすものである。
【００１１】
又、アナログ−デジタル変換器(72)の分解能は、１つの電池モジュールの電圧を検出するために必要な分解能で決まり、例えば図１２にて各電池モジュールの計測電圧を最大２０Ｖとし、これを数十ｍＶ程度の分解能で検出する場合、１０ビットのアナログ−デジタル変換器(72)を採用すれば、分解能Ｒは下記数１の如く算出される。
【数１】
Ｒ＝２０Ｖ／２１０ ＝１９.５ｍＶ
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０〜図１２に示す従来の電圧検出回路(７)においては、電池モジュール毎に１つのオペアンプと周辺抵抗を配備する必要があるので、モジュール数が増加すると、これに伴って回路規模が大きくなる問題があった。
【００１３】
又、図１２に示す回路構成の場合、電圧検出線が断線した場合の挙動が不明であった。１モジュールの電圧が１２Ｖとすると、断線のない状態では、アナログ−デジタル変換器(72)のチャンネルＣＨ１には、正しい電圧差分値３Ｖ（Ａ＝０．２５）が入力されるが、例えば図中に×印で示す位置で断線が発生した場合、アナログ−デジタル変換器(72)のチャンネルＣＨ１に対する入力電圧は５.３Ｖとなり、チャンネルＣＨ２に対する入力電圧は０.７Ｖ程度となる。この場合、電池モジュール１の過充電によって大きな電圧差分値が入力されているのか、断線によって異常な値が入力されているのかを判別することが出来ない。断線が発生している場合に組電池を継続して使用することは、電池にダメージを与える可能性があるため、異常として処理すべきである。同じく電池モジュール２の電圧判定においても、過放電によって小さな電圧差分値が入力されているのか、断線によって異常な値が入力されているのかの判別は、微妙なものとなる。
【００１４】
更に又、従来の電圧検出回路においては、検出精度が抵抗の誤差によって大きな影響を受けるため、検出精度を上げることが困難であった。即ち、図１２に示す差分演算回路(71)の演算精度を上げるためには、高精度の抵抗器を実装する必要があるが、抵抗器の精度は通常０.５〜１％程度であるため、仮に０.５％精度の抵抗器を採用したとしても、差分演算回路(71)の演算誤差は、合成抵抗の誤差によって決まり、１％程度に達することになる。従って、１２Ｖ程度の入力値の場合で１２０ｍＶ程度の誤差が発生し、１セル当り１.２Ｖの電圧を監視する際の精度としては不十分である。
【００１５】
一方、検出精度を改善するために、ソフトウエアによって補正演算を行なう方法が知られている。この方式を図１２の差分演算回路(71)に採用した場合、電圧差分値(Ｖ１−Ｖ２)の算出に代えて、補正差分値(Ａ×Ｖ１−Ｂ×Ｖ２)を算出する。ここで係数Ａ、Ｂは、抵抗値誤差の大きさを表わす係数であって、抵抗値誤差が小さいほど１に近づく値である。しかしながら、例えば電池モジュール１についての電圧差分値は電池モジュール２の電圧変化の影響を受けるため、ソフトウエアによって各電池モジュールについての電圧差分値を補正するには、非常に複雑な処理が必要となる。
【００１６】
本発明の目的は、部品点数の削減が可能であり、然も電圧検出精度を上げることが容易であり、更に断線の発生を確実に検出することが可能な電圧検出回路を提供することである。
【００１７】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る電圧検出回路は、複数の電池モジュールを互いに直列に接続してなる１以上の電池ブロックから構成される組電池において、電池ブロックを構成する各電池モジュールの電圧を検出する回路であって、電池ブロックの複数の電圧検出点(電池ブロックの両端及び電池モジュールどうしの連結点)からそれぞれ電圧検出線が引き出され、この中の１本の電圧検出線がグランドに接地され、非接地電圧検出線はそれぞれ電圧分岐線を介して接地電圧検出線に連結されている。各非接地電圧検出線及び各電圧分岐線には分圧抵抗が介在している。各非接地電圧検出線はアナログ−デジタル変換手段を介して演算手段に接続されている。演算手段は、各非接地電圧検出線から入力される電圧検出データに基づいて、各電池モジュールの電圧を算出するものである。
【００１８】
上記本発明の電圧検出回路において、電池ブロックの複数の電圧検出点から引き出された電圧検出線には、各電池モジュールの正極若しくは負極の電位が発生することになるが、１本の電圧検出線(接地電圧検出線)は接地されているため、各非接地電圧検出線には、接地電圧検出線の電位(グランド)を基準とする電位が発生することになる。そして、各非接地電圧検出線の電位は、その非接地電圧検出線とその非接地電圧検出線に連結された電圧分岐線とに介在する一対の分圧抵抗によって分圧され、これらの分圧抵抗の比に応じた電圧が非接地電圧検出線からアナログ−デジタル変換手段へ入力されて、デジタルの電圧検出データに変換される。各電圧検出データは更に演算手段へ供給される。
【００１９】
演算手段へ供給される電圧検出データは、接地電圧検出線の電位をグランドとする非接地電圧線の電位、即ち、各電池モジュールの正極若しくは負極の電位に比例した値を有しているので、ある１つの電池モジュールの出力電圧を算出する際には、その電池モジュールの両極から伸びる２本の電圧検出線の電位差を算出して、その電位差に前記分圧抵抗の比に応じた所定の係数を乗算すればよい。これによって、各電池モジュールの出力電圧が得られる。
【００２０】
この様に、本発明に係る電圧検出回路においては、従来の如きアナログ回路による差分演算を行なわず、アナログ−デジタル変換手段から得られるデジタルの電圧検出データに基づいて差分演算を実行して、各電池モジュールの電圧を算出するのである。
【００２１】
具体的構成において、演算手段は、予め設定されている補正方式に基づいて各非接地電圧検出線を経て入力される電圧検出データを補正するデータ補正手段を具えている。
該具体的構成による補正計算において、１本の非接地電圧検出線を経て得られる電圧検出値は、他の非接地電圧検出線の電圧変化による影響を受けないので、各非接地電圧検出線を経て入力される電圧検出データに対して個別に補正処理を施せばよく、補正処理は極めて簡易である。
【００２２】
他の具体的構成において、演算手段は、各非接地電圧検出線から入力される電圧検出データに基づいて各非接地電圧検出線の断線を検知する断線検知手段を具えている。
例えばある１本の非接地電圧検出線に断線が発生した場合、該非接地電圧検出線の電位は実質的に零となって、該非接地電圧検出線を経て得られる電圧検出データは、他の非接地電圧検出線を経て得られる電圧検出データよりも小さくなる。これによって、該非接地電圧検出線に断線が発生したものと判断することが出来る。
【００２３】
他の具体的構成において、接地電圧検出線と他の電圧検出線の間には、接地電圧検出線の断線を判定するための断線判定回路が介在し、該断線判定回路は、両電圧検出線及び１以上の電池モジュールを含む閉ループ回路が形成されるか否かによって断線を判定する。
接地電圧検出線に断線が発生していない場合には、接地電圧検出線と、前記他の電圧検出線と、両電圧検出線の間に介在する１以上の電池モジュールとによって、断線判定回路に電流を供給することが可能であるが、接地電圧検出線に断線が発生した場合には、断線判定回路に電流を供給することが出来なくなるので、この電流供給の可否を検知することによって、断線の有無を判定することが出来る。
【００２４】
他の具体的構成において、複数の電圧検出点の内、最も中央に位置する電圧検出点から伸びる電圧検出線が、接地電圧検出線としてグランドに接地されている。
該具体的構成によれば、各電池モジュールから非接地電圧検出線及び電圧分岐線を経てグランドへ至る電流経路が形成された場合、各電池モジュールに流れる電流は、接地電圧検出線が引き出された電池モジュールに近い電池モジュールほど電流経路が重複することとなって、接地電圧検出線が引き出された電池モジュールで最大電流となるが、接地電圧検出線を電池ブロックの中央位置に設けることによって、接地電圧検出線が引き出された電池モジュールに流れる電流の増大を可及的に抑制することが出来る。
【００２５】
更に具体的な構成において、電池ブロックの各端部から伸びる非接地電圧検出線と該非接地電圧検出線に連結されている電圧分岐線とに介在する一対の分圧抵抗は、他の非接地電圧検出線と該非接地電圧検出線に連結されている電圧分岐線とに介在する一対の分圧抵抗よりも、小さな抵抗値に設定されている。
これによって、電池モジュール間相互で電池モジュールに流れる電流のばらつきを更に効果的に抑制することが出来る。
【００２６】
更に他の具体的な構成においては、各電圧分岐線に介在する分圧抵抗に対して並列にコンデンサが接続されている。
該構成によれば、分圧抵抗とコンデンサによってローパスフィルターが形成されることとなって、該ローパスフィルターによってアナログ−デジタル変換手段へ供給される電圧信号のノイズ成分を低減させることが出来る。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係る組電池の電圧検出回路においては、各電圧検出線に電圧分岐線を連結して、各電圧検出線及び各電圧分岐線に分圧抵抗を介在させることによって、各電圧検出線の電位を検出するための簡易な回路を構成し、各電圧検出線の電位に応じた電圧検出データに基づいて各電池モジュールの電圧を算出するので、従来の複雑な構成の差分演算回路を装備する必要はなく、従来よりも部品点数の削減が可能である。又、各非接地電圧検出線を経て入力される電圧検出データに対して個別に補正処理を施すことが出来るので、補正処理は極めて簡易であり、これによって電圧検出精度を上げることが可能である。更に又、非接地電圧検出線の断線は、非接地電圧検出線を経て得られる電圧検出データの変化を監視することによって、確実に検出することが出来る。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、ハイブリッド車の電源として用いる組電池の電圧監視システムに実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る電圧監視システムにおいては、図１に示す如く、５つの電池モジュール(Module1〜Module5)を直列に接続して１つの電池ブロックが構成され、更に複数の電池ブロックを直列に接続して、組電池(１)が構成されている。組電池(１)には、電池ブロック毎に、各電池モジュールの出力電圧を検出するための電圧検出回路(２)が接続されている。
【００２９】
電圧検出回路(２)において、５つの電池モジュール(Module1〜Module 5)の内、一方の端部に位置する電池モジュール(Module1)の正極点(Ｖ１)、電池モジュールどうしの連結点(Ｖ２〜Ｖ５)、及び他方の端部に位置する電池モジュール(Module5)の負極点(Ｖ６)からはそれぞれ、電圧検出線(21)(22)(23)(24)(25)(26)が引き出され、略中央位置の第３番目の連結点(Ｖ３)から引き出された電圧検出線(23)はグランドに接地されている。
【００３０】
又、非接地電圧検出線(21)(22)(24)(25)(26)はそれぞれ電圧分岐線(31)(32)(33)(34)(35)を介して接地電圧検出線(23)に連結され、各非接地電圧検出線(21)(22)(24)(25)(26)及び各電圧分岐線(31)(32)(33)(34)(35)にはそれぞれ分圧抵抗(Ｒ1a〜Ｒ6a、Ｒ1b〜Ｒ6b)が介在している。
５本の非接地電圧検出線(21)(22)(24)(25)(26)は、５チャンネル(ＣＨ１〜ＣＨ５)のアナログ−デジタル変換器(４)の５つの入力端子に接続され、該アナログ−デジタル変換器(４)の５つの出力端子は、マイクロコンピュータからなる演算回路(５)に接続されている。尚、アナログ−デジタル変換器(４)のグランド端子ＧＮＤは接地されている。
【００３１】
上記電圧検出回路(２)においては、電池ブロックの６つの電圧検出点(Ｖ１〜Ｖ６)の内、接地されている第３番目の電圧検出点(Ｖ３)を除く５つの電圧検出点(Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６)の電位が、その電圧検出点から伸びる非接地電圧検出線と該非接地電圧検出線に接続された電圧分岐線に介在する一対の分圧抵抗によって分圧され、これによって両分圧抵抗の連結点に発生する電位がアナログ−デジタル変換器(４)の各入力端子に入力される。
例えば、第１番目の電圧検出点(Ｖ１)の電位は、その電圧検出点から伸びる電圧検出線(21)とその電圧分岐線(31)に介在する一対の分圧抵抗(Ｒ1a、Ｒ1b)によって分圧され、これによって両分圧抵抗の連結点に発生する電位が、アナログ−デジタル変換器(４)の第１チャンネルＣＨ１の入力端子に入力される。
【００３２】
アナログ−デジタル変換器(４)は、正負両方の値を入力することが出来るものであって、各入力端子に入力されたアナログ信号をデジタルデータに変換して、各出力端子から出力する。
【００３３】
図２は、本発明に係る電圧検出回路(２)の具体的な設計例を表わしており、ここでは、各電池モジュールの出力電圧を最大２０Ｖ、アナログ−デジタル変換器(４)の入力範囲を±５Ｖ以内としている。最大の電圧が発生する位置は、３つの電池モジュール(Module3〜5)が直列となっている電圧検出点Ｖ６であって、その電圧は６０Ｖとなる。この場合、アナログ−デジタル変換器(４)に対する入力電圧が±５Ｖ以内に収まる様に、一対の分圧抵抗による分圧比を０.０８３（＝５Ｖ／６０Ｖ）とする。
【００３４】
演算回路(５)は、下記数２に基づいて、アナログ−デジタル変換器(４)の５つの出力端子から得られる５チャンネル分の電圧検出データＶ(ｃｈ１)〜Ｖ(ｃｈ５)にソフトウエアによる差分演算を施し、各電池モジュールの出力電圧Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−ｎ)を算出する。
【００３５】
【数２】
Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−１)＝(Ｖ(ｃｈ１)−Ｖ(ｃｈ２))／０.０８３
Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−２)＝Ｖ(ｃｈ２)／０.０８３
Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−３)＝−Ｖ(ｃｈ３)／０.０８３
Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−４)＝(Ｖ(ｃｈ４)−Ｖ(ｃｈ５))／０.０８３
Ｖ(ｍｏｄｕｌｅ−５)＝(Ｖ(ｃｈ５)−Ｖ(ｃｈ６))／０.０８３
【００３６】
又、アナログ−デジタル変換器(４)の分解能Ｒとして、例えば図１２に示す従来の電圧検出回路と同様の１９.５ｍＶを確保する場合、アナログ−デジタル変換器(４)の必要ビット数Ｂは下記数３によって算出される。
【００３７】
【数３】
Ｂ＝ｌｏｇ２(６０Ｖ／１９.５ｍＶ)＝１２ビット
【００３８】
従って、図１２の場合と同程度の分解能１９.５ｍＶを確保するには、１２ビットのアナログ−デジタル変換器(４)が必要であり、図１２のアナログ−デジタル変換器(72)よりも２ビットだけ高分解能のものが必要となるが、近年のアナログ−デジタル変換器は、回路技術の進歩によって高分解能のものが低コストで製造されるようになっているので、問題はない。
【００３９】
本発明に係る電圧検出回路(２)においては、電圧検出精度を高めるため、以下に述べる様に、ソフトウエアによる補正演算が行なわれる。
図３は、アナログ−デジタル変換器(４)によるＡＤ変換結果と実際の電圧の関係を表わしており、ＡＤ変換結果がＸ１のとき、この値に１２（＝１／０．０８３）を乗算することによって電圧Ｖ１の値Ｙ１を得ることが出来るが、実際には抵抗値の誤差によって若干の誤差が発生する。図３において、理想的にはＸ２の値が抵抗誤差によってＸ１に変換されたとすると、演算回路(５)に予め係数(Ｘ２／Ｘ１)の値を登録しておき、下記数４に基づいて、ＡＤ変換結果Ｘから正確な電圧値Ｙを求めることが出来る。
【００４０】
【数４】
Ｙ＝(Ｘ２／Ｘ１)×１２×Ｘ
【００４１】
尚、係数(Ｘ２／Ｘ１)の値は、各電圧検出点Ｖ１〜Ｖ６に対する個別の値として、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発メモリに格納しておく。
この補正演算を実行することによって、各電圧検出点Ｖ１〜Ｖ６の電位を正確に測定することが出来、この結果、演算回路(５)による差分演算を高精度で行なうことが出来る。更に高精度な補正が必要な場合には、２つの係数Ａ、Ｂを用いた下記数５の補正式を採用することが有効である。
【００４２】
【数５】
Ｙ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ
【００４３】
非接地電圧検出線に発生する断線の検出は、次の様にして行なうことが出来る。例えば、図４中に×印で示す如く第１電圧検出点Ｖ１から伸びる非接地電圧検出線に断線が発生した場合、アナログ−デジタル変換器(４)のチャンネルＣＨ１の入力端子に入力される電圧検出値は略零Ｖとなって、チャンネルＣＨ２よりも低い値となる。実際の電池の使用範囲では、電池モジュールの電圧が負になることはあり得ないので、これによって断線の発生を検知することが出来るのである。この様に、非接地電圧検出線については、アナログ−デジタル変換器(４)に対する入力値又はアナログ−デジタル変換器(４)の出力値を監視することによって、断線の発生を検知することが可能である。
【００４４】
一方、接地電圧検出線(23)の断線を検知するためには、図５に示す如く、接地電圧検出線(23)と任意の非接地電圧検出線(21)との間に、電流制限用抵抗Ｒ、第１フォトカプラ(６)及び第１フォトカプラ(６)を介在させた断線検知回路を設ける。
該断線検知回路においては、第１フォトカプラ(６)の発光ダイオードに駆動信号を供給して、フォトトランジスタをオンとする。これによって、非接地電圧検出線(21)と接地電圧検出線(23)の間に介在する１以上の電池モジュールを電源として、非接地電圧検出線(21)から、抵抗Ｒ、第１フォトカプラ(６)のフォトトランジスタ及び第２フォトカプラ(61)の発光ダイオードを経て、接地電圧検出線(23)に至る電流経路が形成され、第２フォトカプラ(61)の発光ダイオードに電流が流れることになる。この結果、第２フォトカプラ(61)のフォトトランジスタがオンとなる。
【００４５】
ここで、図中に×印で示す様に接地電圧検出線(23)に断線が発生していた場合、 第１フォトカプラ(６)のフォトトランジスタをオンとしても、前記電流経路が開いたままとなるので、第２フォトカプラ(61)の発光ダイオードに電流が流れることはなく、従って、第２フォトカプラ(61)のフォトトランジスタはオフのままとなる。尚、電圧検出回路(２)を構成する分圧抵抗(数百ｋΩ)は、第１フォトカプラ(６)への電流を制限するための抵抗Ｒ(数百Ω)よりも非常に大きな抵抗値を有しているので、分圧抵抗を経て回り込む電流が第１フォトカプラ(６)のフォトトランジスタをオンさせることはない。
【００４６】
この様に、図５に示す断線検知回路によれば、第２フォトカプラ(61)のフォトトランジスタのオン／オフを断線判定信号として、接地電圧検出線(23)に発生している断線を検知することが出来る。
【００４７】
次に、図６を用いて、分圧抵抗に流れる電流によって発生する負荷バランスについて説明する。
図中に矢印で示す様に、電流Ｉ１は、電池モジュール１及び電池モジュール２を通過して流れるのに対し、電流Ｉ２は、電池モジュール２のみを流れるので、電池モジュール１と電池モジュール２に流れる電流に差が生じ、電池モジュール２には、電池モジュール１よりも電流Ｉ１の分だけ多くの電流が流れることになる。同様に、図６に示す電流Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５にも差が生じ、電池モジュール３には、電池モジュール５よりも電流Ｉ４及びＩ５の分だけ多くの電流が流れることになる。この結果、各電池モジュールの電荷の減少速度に差が生じて、電池モジュール間に残量ばらつきが発生することになる。この様な残量ばらつきが発生すると、前述の如く過充電が原因で、組電池の寿命が短くなる問題が生じる。
【００４８】
各電池モジュールに流れる電流を均等化するには、電流Ｉ２を電流Ｉ１に対して無視し得る程度に小さく設定すると共に、電流Ｉ３及びＩ４を電流Ｉ５に対して無視し得る程度に小さく設定することが有効である。
図７は、この様な対策を施した電圧検出回路(２)の回路定数を示している。図示の如く、最も外側の電圧検出点Ｖ１、Ｖ６から伸びる非接地電圧検出線(21)(26)と該非接地電圧検出線に連結されている電圧分岐線(31)(35)とに介在する一対の分圧抵抗は、他の非接地電圧検出線と該非接地電圧検出線に連結されている電圧分岐線とに介在する一対の分圧抵抗よりも、小さな抵抗値に設定されている。これによって、各電池モジュール１〜５に流れる電流は概ね均等となる。
【００４９】
下記表１は、各電池モジュールに流れる電流の値と、それらの平均値からのばらつきの計算結果を表わしている。
【００５０】
【表１】
表１から明らかな様に、各電池モジュールを流れる電流のばらつきは全て数％以下に収まっており、この程度のばらつきは無視し得るものである。
【００５２】
尚、１つの電池ブロックを構成する電池モジュールの数が増大するにつれて、各電池モジュールに流れる電流のばらつきは大きくなるが、接地すべき電圧検出線を出来るだけ中央の電圧検出点から引き出すことによって、各電池モジュールに流れる電流のばらつきを可及的に小さく抑えることが出来る。
【００５３】
更に、図８に示す電圧検出回路(２)においては、各電圧分岐線に介在する分圧抵抗Ｒｂに対して並列にコンデンサＣｂが接続され、分圧抵抗ＲｂとコンデンサＣｂによってローパスフィルタが構成されている。これによって、アナログ−デジタル変換器(４)へ入力される電圧信号に含まれるノイズ成分が低減されて、精度の高いＡＤ変換値を得ることが出来る。この様に本実施例では、分圧抵抗を利用してローパスフィルタが構成されているので、部品点数の増大は僅かである。
【００５４】
尚、本発明の電圧検出回路(２)においては、全ての検出電圧をＡＤ変換した後に差分演算を行なうので、全てのＡＤ変換処理が終了するまでは検出電圧を変化させずに維持する必要があり、そのためには次の様な対策が有効である。
１）各フィルタの時定数（Ｒｂ×Ｃｂ）の値を揃える。
２）各フィルタの時定数を、全チャンネルのＡＤ変換時間よりも十分に長く設定する。
１）の対策によれば、検出電圧が変化した後に定常状態に達するまでの時間を揃えることが出来る。又、２）の対策によれば、全チャンネルのＡＤ変換処理が終了するまでの検出電圧の変化を抑制することが出来る。
【００５５】
図９は、本発明に係る電圧検出回路(２)によるＡＤ変換処理と電圧判定処理の流れを表わしている。
先ずステップＳ１にて、接地電圧検出線(ＧＮＤ線)の断線検出を行なって、ステップＳ２にて、断線の有無を判断する。ここで断線が検出されたときは、ＡＤ変換の結果は不定であるため、“異常（ＥＮＤ）”として手続きを終了する。
接地電圧検出線に断線が発生していないときは、ステップＳ３に移行して、アナログ−デジタル変換器(４)による全チャンネルについてのＡＤ変換を実行する。
【００５６】
次にステップＳ４では、ＡＤ変換結果の内、何れか１本の電圧検出線の電位がほぼ零となっているかどうかを判断する。ここでイエスと判断されたときは、その電圧検出線は断線しており、正常な差分演算を行なうことが出来ないので、“異常（ＥＮＤ）”として手続きを終了する。
一方、ステップＳ４にてノーと判断されたときは、何れの電圧検出線にも断線はないので、予め設定されている補正値に基づいて電圧検出データに補正演算を施す。尚、特に高精度検出が不要な場合、この補正演算は省略することが可能である。
最後にステップＳ６にて、前述の差分演算を実行して、各電池モジュールの電圧を算出し、“正常（ＥＮＤ）”として手続きを終了する。
【００５７】
本発明に係る組電池の電圧検出回路においては、各電圧検出線及び各電圧分岐線に分圧抵抗を介在させた簡易な回路構成によって、各電圧検出線の電位を検出し、各電圧検出線を経て得られる電圧検出データに差分演算を施して各電池モジュールの電圧を算出する方式が採用されているので、従来の複雑な構成の差分演算回路を装備する必要はなく、従来よりも部品点数の削減が可能である。
又、各非接地電圧検出線を経て入力される電圧検出データに対して個別に補正処理を施すことが出来るので、補正処理は極めて簡易であり、これによって電圧検出精度を上げることが可能である。
更に又、非接地電圧検出線及び接地電圧検出線の断線を確実に検出することが出来る。
【００５８】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施例では各電池モジュールの電圧を検出しているが、各二次電池の電圧を検出することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電圧監視システムの構成を示す回路図である。
【図２】電圧検出回路の設計例を示す図である。
【図３】電圧検出値の補正方法を説明するためのグラフである。
【図４】断線検出方法を説明するための回路図である。
【図５】断線判定回路の構成を示す図である。
【図６】各電池モジュールに流れる電流の大きさを説明するための図である。
【図７】電圧検出回路の他の設計例を示す図である。
【図８】ローパスフィルタを構成した電圧検出回路を示す図である。
【図９】電圧検出回路によるＡＤ変換処理と電圧判定処理の流れを表わすフローチャートである。
【図１０】従来の電圧監視システムの構成を示すブロック図である。
【図１１】従来の電圧検出回路の構成を示す図である。
【図１２】従来の差分演算回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
(１) 組電池
(２) 電圧検出回路
(21)〜(26) 電圧検出線
(31)〜(35) 電圧分岐線
(４) アナログ−デジタル変換器
(５) 演算回路
Ｒ1a〜Ｒ6a 分圧抵抗
Ｒ1b〜Ｒ6b 分圧抵抗
Claims (9)
- 複数の電池モジュールを互いに直列に接続してなる１以上の電池ブロックから構成される組電池において、電池ブロックを構成する各電池モジュールの電圧を検出する回路であって、電池ブロックの複数の電圧検出点からそれぞれ電圧検出線が引き出され、この中の１本の電圧検出線が接地され、非接地電圧検出線はそれぞれ電圧分岐線を介して接地電圧検出線に連結され、各非接地電圧検出線及び各電圧分岐線には分圧抵抗が介在し、各非接地電圧検出線はアナログ−デジタル変換手段を介して演算手段に接続され、演算手段は、各非接地電圧検出線から入力される電圧検出データに基づいて、各電池モジュールの電圧を算出することを特徴とする組電池の電圧検出回路。
- 演算手段は、予め設定されている補正方式に基づいて各非接地電圧検出線を経て入力される電圧検出データを補正するデータ補正手段を具えている請求項１に記載の電圧検出回路。
- 演算手段は、各非接地電圧検出線から入力される電圧検出データに基づいて各非接地電圧検出線の断線を検知する断線検知手段を具えている請求項１又は請求項２に記載の電圧検出回路。
- 接地電圧検出線と他の電圧検出線の間には、接地電圧検出線の断線を判定するための断線判定回路が介在し、該断線判定回路は、両電圧検出線及び１以上の電池モジュールを含む閉ループ回路が形成されるか否かによって断線を判定する請求項１乃至請求項３の何れかに記載の電圧検出回路。
- 複数の電圧検出点の内、最も中央に位置する電圧検出点から伸びる電圧検出線が、接地電圧検出線として接地されている請求項１乃至請求項４の何れかに記載の電圧検出回路。
- 電池ブロックの各端部から伸びる非接地電圧検出線と該非接地電圧検出線に連結されている電圧分岐線とに介在する一対の分圧抵抗は、他の非接地電圧検出線と該非接地電圧検出線に連結されている電圧分岐線とに介在する一対の分圧抵抗よりも、小さな抵抗値に設定されている請求項５に記載の電圧検出回路。
- 各電圧分岐線に介在する分圧抵抗に対して並列にコンデンサが接続されている請求項１乃至請求項６の何れかに記載の電圧検出回路。
- 互いに並列の分圧抵抗とコンデンサによってローパスフィルターが構成され、複数の電圧分岐線に形成されている複数のローパスフィルターの時定数は、同一若しくは略同一の値に揃えられている請求項７に記載の電圧検出回路。
- 互いに並列の分圧抵抗とコンデンサによってローパスフィルターが構成され、複数の電圧分岐線に形成されている複数のローパスフィルターの時定数はそれぞれ、アナログ−デジタル変換手段による全ての検出電圧についての変換処理時間よりも充分に長く設定されている請求項７に記載の電圧検出回路。
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