JP3792677B2 - 電源電圧測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電装置の出力電圧を測定する電源電圧測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電池の過放電や過充電を防止するために、二次電池からなる複数個の単位セルを直列に接続してなる組電池において、単位セル間の残容量(SOC:State Of Charge )のばらつきを判定する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
また、組電池の充放電制御を行う際に、組電池に発生する異常を判定するための異常検出装置等も提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−92732号公報
【特許文献2】
特開2001−174531号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の組電池等、直列に接続された複数のセルから構成される蓄電装置(エネルギーストレージデバイス)の出力電圧を測定する場合、各セルの周囲の環境や特性は微妙に異なる。そこで、図4に示すように、例えばバッテリ11の各セル11a〜11e毎に、セルの両端に接続された2本の抵抗12、13と該2本の抵抗の間に接続されたコンデンサ14とから構成されると共に、雑音を除去するためのフィルタを設け、出力電圧は、フォトMOSリレー(15a、15b)、(16a、16b)、(17a、17b)、(18a、18b)、(19a、19b)を介して、各セル毎にそれぞれCH1からCH5として個別に測定することが望ましい。しかし、このように従来の電源電圧測定装置では、各セル毎に出力電圧を安定して検出するためのフィルタ等の付加部品が必要となるため、部品点数の増大と組立工数の増大等により、コストが増加するという問題がある。
【0005】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、付加部品を各セル間で共通利用する場合でも、共通利用する部品の影響で各セル毎に測定された出力電圧に発生する各セル間のクロストーク(電圧相互干渉)を補正して、正確な出力電圧を測定する電源電圧測定装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1の発明に係る電源電圧測定装置は、複数のセル(例えば実施の形態のセル2a〜2e)を直列に接続した蓄電装置(例えば実施の形態のバッテリ2)の両端と前記セル同士の各接点とにそれぞれ抵抗(例えば実施の形態の抵抗5a〜5f)を接続し、これら複数の各抵抗間をコンデンサ(例えば実施の形態のコンデンサ6a〜6e)で接続してなると共に、前記セル同士の接点に接続された抵抗を該セル間で共通に利用するフィルタを介して、前記セル毎の出力電圧を測定する電源電圧測定装置であって、前記複数のセルに対応したそれぞれの前記コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出手段(例えば実施の形態のフォトMOSリレー7a〜7f及びオペアンプ8)と、それぞれの前記コンデンサにおける両端電圧の単位時間毎の変化量に基づいて、前記コンデンサの両端電圧が変化する前の前記セル毎の出力電圧を算出する制御手段(例えば実施の形態の高電圧計測CPU1)とを備え、前記制御手段が、前記コンデンサにおける両端電圧の単位時間毎の変化量から、前記コンデンサに移動した電荷量を算出すると共に、該電荷量の移動に必要な、前記コンデンサに対応する前記セルの単位時間前における出力電圧を算出することを特徴とする。
【0007】
以上の構成を備えた電源電圧測定装置は、電圧検出手段が、蓄電池を構成する各セルに対応する各フィルタのコンデンサの両端電圧を検出すると共に、制御手段が、それぞれのコンデンサの両端電圧の単位時間毎の変化量に基づいて、コンデンサの両端電圧が変化する前のセル毎の出力電圧を算出することにより、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗の影響が打ち消されたコンデンサの両端電圧の変化からセル毎の出力電圧を算出することができる。
また、制御手段が、各コンデンサの電荷量の変化から、該変化を発生させる各セルの電圧を算出することで、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗の影響を排除して、正確に各セル毎の出力電圧を算出することができる。
【0010】
請求項2の発明に係る電源電圧測定装置は、請求項1に記載の電源電圧測定装置において、前記制御手段が、単位時間前の前記セル毎の出力電圧を補正することにより、前記フィルタの出力で検出される前記セル毎の出力電圧を算出する電圧補正手段(例えば実施の形態の高電圧計測CPU1で実行されるステップS4の動作)を備えたことを特徴とする。
【0011】
以上の構成を備えた電源電圧測定装置は、電圧補正手段が、コンデンサの両端電圧の単位時間毎の変化量から求めたセル毎の出力電圧を補正して、フィルタの出力で検出されるセル毎の出力電圧を算出することにより、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗の影響を排除して求めたフィルタ前の各セル毎の出力電圧から、実際にフィルタによりフィルタリングされた出力電圧を求めることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、説明の簡単化のために、一例として5個のセルを直列に接続したバッテリを測定対象のバッテリとし、これに対応する電源電圧測定装置について説明する。
(全体構成)
図1は、本発明の一実施の形態の電源電圧測定装置の構成を示すブロック図である。図1において、高電圧計測CPU1は、測定対象のバッテリ2の電圧測定を制御する制御部である。また、高電圧計測CPU1は、バッテリ2の負荷(図示せず)との間に設けられると共に、主にインバータ回路から構成されたPDU(Power Drive Unit:図示せず)によるバッテリ2の充放電を制御するバッテリ制御CPU3と、パルストランス4を介して接続されている。ここで、パルストランス4は、高電圧系の高電圧計測CPU1側と、低電圧系のバッテリ制御CPU3側とを分離するためのトランスであって、高電圧計測CPU1が取得したバッテリ2の電圧測定値は、パルストランス4を介してバッテリ制御CPU3へ通知される。
【0013】
一方、測定対象のバッテリ2は、複数のセル2a〜2eを直列に接続した構成を持ち、バッテリ2の両端及びセル2a〜2eのセル同士の各接点には、抵抗5a〜5fの一端が接続されている。また、セル2a〜2eと接続された端子の反対側において、抵抗5a〜5fの各抵抗間をコンデンサ6a〜6eで接続し、抵抗5a〜5fとコンデンサ6a〜6eとで、バッテリ2の各セル2a〜2eの電圧を計測する際に雑音を除去するための各セル毎のフィルタを構成する。
【0014】
更に、各抵抗5a〜5fと各コンデンサ6a〜6eとの接点は、各セルの電圧を計測するための出力端子として、各セルの出力端子を電気的に分離するためのフォトMOSリレー7a〜7fを介して、共通にオペアンプ8へ入力されている。具体的には、フォトMOSリレー7a、7c、7eの出力が、共通にオペアンプ8の一方の差動入力端子へ、フォトMOSリレー7b、7d、7fの出力が、共通にオペアンプ8のもう一方の差動入力端子へ、それぞれ入力されている。
【0015】
ここで、オペアンプ8は、高電圧計測CPU1によって一定時間毎に順番に駆動されたフォトMOSリレー7a〜7fから出力されるフォトMOSリレー7aとフォトMOSリレー7bとに出力されるコンデンサ6aの両端の電位、あるいはフォトMOSリレー7bとフォトMOSリレー7cとに出力されるコンデンサ6bの両端の電位、あるいはフォトMOSリレー7cとフォトMOSリレー7dとに出力されるコンデンサ6cの両端の電位、あるいはフォトMOSリレー7dとフォトMOSリレー7eとに出力されるコンデンサ6dの両端の電位、あるいはフォトMOSリレー7eとフォトMOSリレー7fとに出力されるコンデンサ6eの両端の電位のいずれかを差動増幅する増幅器であって、オペアンプ8の出力は、コンデンサの両端電圧として高電圧計測CPU1へ入力される。
【0016】
なお、オペアンプ8の差動入力端子に対する接続方向により、コンデンサ6aの両端電圧、コンデンサ6cの両端電圧、及びコンデンサ6eの両端電圧に対して、コンデンサ6bの両端電圧、コンデンサ6dの両端電圧、及びコンデンサ6fの両端電圧は、その極性が反転して検出されるので、高電圧計測CPU1は、両者の極性を統一してから扱うものとする。
【0017】
従って、高電圧計測CPU1は、フォトMOSリレー7a〜7fを順次駆動して、コンデンサ6a〜6eの両端の電位をスキャンすると共に、フォトMOSリレー7a〜7fの出力をオペアンプ8を介して取得することにより、順番にコンデンサ6a〜6eの両端に印加される両端電圧を計測することができる。
【0018】
(測定電圧補正動作)
次に、本実施の形態の電源電圧測定装置の測定電圧補正動作について、図面を参照して説明する。図2は、高電圧計測CPU1における測定電圧補正動作を示すフローチャートである。
図2において、まず高電圧計測CPU1は、上述のようにフォトMOSリレー7a〜7fを順次駆動して、コンデンサ6a〜6eの両端の電位をスキャンすると共に、フォトMOSリレー7a〜7fの出力をオペアンプ8を介して取得することにより、順番にコンデンサ6a〜6eの両端に印加される両端電圧(コンデンサの両端電圧)を計測する(ステップS1)。
【0019】
次に、コンデンサ6a〜6eの両端電圧の前回値に対する変化量を算出する(ステップS2)。具体的には、まずコンデンサの両端電圧の変化を考える。なお、以下の説明では、抵抗5a〜5fの抵抗値は全て同一で抵抗値R、コンデンサ6a〜6eの容量値は全て同一で容量値Cで表すものとする。
この時、各コンデンサ6a〜6eの電荷量は下記(1)式のように求められ、各コンデンサ6a〜6eの両端電圧は下記(2)式で表される。
【0020】
【数1】
【0021】
ここで、iは瞬時電流、tは処理時間であって、処理時間tが速いために上述の(2)式のように近似することができる。従って、例えばコンデンサ6aにおいて単位時間あたりに変化した電圧dVc1(n)は、コンデンサ6aの両端電圧の今回値Vc1(n)と前回値Vc1(n−1)とにより、下記(3)式のように、
【0022】
【数2】
【0023】
と表され、抵抗5aを流れる電流i1は、下記(4)式により求められる。
【0024】
【数3】
【0025】
また、同様にして、例えばコンデンサ6bにおいて単位時間あたりに変化した電圧dVc2(n)は、下記(5)式のように、
【0026】
【数4】
【0027】
となり、抵抗5bを流れる電流i2は、下記(6)式により求められる。
【0028】
【数5】
【0029】
更に、同様にして各抵抗5c〜5fを流れる電流i3〜i6が、下記(7)式から(10)式のように、
【0030】
【数6】
【0031】
と求まる。
また、閉回路においてキルヒホッフの電圧則を適用して、バッテリ2を構成するセル2a〜2eの出力電圧の前回値を算出する(ステップS3)。具体的には、閉回路における電圧の関係を考えると、下記(11)式のように、
【0032】
【数7】
【0033】
と表すことができる。
ところで、ある時点で生じるセル2aの出力電圧とコンデンサ6aの両端電圧との電圧差dVbc1(n)は、下記(12)式のように、
【0034】
【数8】
【0035】
と表される。但し、電流はセル2a〜2eの出力電圧の前回値に基づいて流れるので、それぞれの前回値により下記(13)式のように、
【0036】
【数9】
【0037】
と表すことができる。
また、同様にして、ある時点で生じる各セル2b〜2eの出力電圧とコンデンサ6b〜6eの両端電圧との電圧差dVbc2(n−1)〜dVbc5(n−1)は、下記(14)式から(17)式のように求まる。
【0038】
【数10】
【0039】
また、各セル2a〜2eの出力電圧とコンデンサ6a〜6eの両端電圧との電圧差dVbc1(n−1)〜dVbc5(n−1)は、コンデンサ6a〜6eにおいて単位時間あたりに変化した電圧dVc1(n)〜dVc5(n)によって、下記(18)式から(22)式のように表すことができる。
【0040】
【数11】
【0041】
従って、バッテリ2を構成する各セル2a〜2eの出力電圧の前回値Vb1(n−1)〜Vb5(n−1)は、下記(23)式から(27)式のように求めることができる。
【0042】
【数12】
【0043】
また、(23)式から(27)式により求められた、バッテリ2を構成する各セル2a〜2eの出力電圧の前回値Vb1(n−1)〜Vb5(n−1)は、抵抗5a〜5fとコンデンサ6a〜6eとで構成される各セル2a〜2eの電圧を計測する際に雑音を除去するためのフィルタの入力での値なので、高電圧計測CPU1は、算出された各セル2a〜2eの出力電圧に、ソフトウェア処理によるフィルタリング(フィルタ処理)を行い、フィルタ出力における各セル2a〜2eの出力電圧を算出する(ステップS4)。
【0044】
なお、上述の実施の形態では、高電圧計測CPU1が電圧補正手段を含んでいる。より具体的には、図2のステップS4の動作が電圧補正手段に相当する。
また、本実施の形態の電源電圧測定装置が出力電圧を測定する蓄電装置は、上述のバッテリ2に限らず、直列に接続されたセルを有し直流電力を蓄電可能な、キャパシタ等を含む蓄電装置(エネルギーストレージデバイス)であれば何であっても良い。
【0045】
以上説明したように、本実施の形態の電源電圧測定装置によれば、フォトMOSリレー7a〜7fやオペアンプ8を介して検出した、バッテリ2を構成する各セル2a〜2eに対応する各フィルタのコンデンサ6a〜6eの両端電圧の単位時間毎の変化量、すなわちコンデンサ6a〜6eの電荷量の変化に基づいて、高電圧計測CPU1が、コンデンサ6a〜6eの両端電圧が変化する前のセル毎の出力電圧を算出することにより、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗5a〜5fの影響が打ち消されたコンデンサ6a〜6eの両端電圧の変化から、セル毎の出力電圧を算出することができる。また、算出された各セル毎の出力電圧から、高電圧計測CPU1が、フィルタの出力で検出されるセル毎の出力電圧をソフトウェア処理により算出することにより、実際にフィルタによりフィルタリングされた出力電圧を求めることができる。
【0046】
従って、バッテリ2を構成する各セルに対応するフィルタの部品を各セル間で共通利用することにより部品点数を削減すると共に、共通利用する部品の影響で各セル毎に測定された出力電圧に発生する各セル間のクロストークを補正して、正確な出力電圧を測定する電源電圧測定装置を実現することができるという効果が得られる。
【0047】
具体的に示すと、図3(a)は、従来の電源電圧測定装置によって、10個のセルを直列に接続してなる正常なバッテリのそれぞれのセル電圧を測定した結果であって、各セル毎の測定電圧P1がばらついており、セル電圧相互の電圧差Q1が例えばバッテリの異常判定の目安として設定された基準電圧0.5[V]を超えているため、バッテリが正常であるにもかかわらず異常と判定してしまう可能性があった。
【0048】
しかし、図3(b)に示すように、本実施の形態の電源電圧測定装置によって、同じバッテリのそれぞれのセル電圧を測定した場合、各セル毎の測定電圧P2がばらつかず、セル電圧相互の電圧差Q2もバッテリの異常判定の目安として設定された基準電圧0.5[V]を超えていないため、バッテリは正常であると正確に判定することができるようになる。
【0049】
【発明の効果】
以上の如く、本発明の電源電圧測定装置によれば、電圧検出手段が検出した、蓄電池を構成する各セルに対応する各フィルタのコンデンサの両端電圧の単位時間毎の変化量に基づいて、制御手段が、コンデンサの両端電圧が変化する前のセル毎の出力電圧を算出することにより、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗の影響が打ち消されたコンデンサの両端電圧の変化からセル毎の出力電圧を算出することができる。
【0050】
また、制御手段が、各コンデンサの電荷量の変化から、該変化を発生させる各セルの電圧を算出することで、正確に各セル毎の出力電圧を算出することができる。更に、制御手段に電圧補正手段を備え、算出された各セル毎の出力電圧から、フィルタの出力で検出されるセル毎の出力電圧を算出することにより、各セル間で共通利用するフィルタの抵抗の影響を排除すると共に、実際にフィルタによりフィルタリングされた出力電圧を求めることができる。
【0051】
従って、付加部品を各セル間で共通利用することにより部品点数を削減すると共に、共通利用する部品の影響で各セル毎に測定された出力電圧に発生する各セル間のクロストークを補正して、正確な出力電圧を測定する電源電圧測定装置を実現することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態の電源電圧測定装置の構成を示すブロック図である。
【図2】 同実施の形態の電源電圧測定装置による測定電圧補正動作を示すフローチャートである。
【図3】 従来の電源電圧測定装置による測定電圧と同実施の形態の電源電圧測定装置による測定電圧との差を示す図である。
【図4】 従来の電源電圧測定装置のフィルタ構成を示す図である。
【符号の説明】
1 高電圧計測CPU(制御手段)
2 バッテリ(蓄電装置)
2a〜2e セル
5a〜5f 抵抗
6a〜6e コンデンサ
7a〜7f フォトMOSリレー(電圧検出手段)
8 オペアンプ(電圧検出手段)
S4 電圧補正手段
Claims (2)
- 複数のセルを直列に接続した蓄電装置の両端と前記セル同士の各接点とにそれぞれ抵抗を接続し、これら複数の各抵抗間をコンデンサで接続してなると共に、前記セル同士の接点に接続された抵抗を該セル間で共通に利用するフィルタを介して、前記セル毎の出力電圧を測定する電源電圧測定装置であって、
前記複数のセルに対応したそれぞれの前記コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出手段と、
それぞれの前記コンデンサにおける両端電圧の単位時間毎の変化量に基づいて、前記コンデンサの両端電圧が変化する前の前記セル毎の出力電圧を算出する制御手段とを備え、
該制御手段が、前記コンデンサにおける両端電圧の単位時間毎の変化量から、前記コンデンサに移動した電荷量を算出すると共に、該電荷量の移動に必要な、前記コンデンサに対応する前記セルの単位時間前における出力電圧を算出することを特徴とする電源電圧測定装置。 - 前記制御手段が、単位時間前の前記セル毎の出力電圧を補正することにより、前記フィルタの出力で検出される前記セル毎の出力電圧を算出する電圧補正手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の電源電圧測定装置。
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