JP4083504B2 - 電圧モニタ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、直列接続された複数個のセル(電池)の端子電圧をモニタするための電圧モニタ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電気モータを動力源として有する電気自動車の電源として、複数のセル(電池)からなる組電池が使用されている。このセルとしては、例えばリチウムイオン電池が使用されており、約110個程のセルを直列接続することにより、約400V程度の電源電圧を得ている。このように複数のセルを直列に接続した場合、各セルの特性にバラツキが存在すると、一部のセルが過充電状態や過放電状態となる虞がある。このような状態に陥ることを避けるため、各セルの電圧をモニタすることが行われており、そのための電圧モニタ装置がある。
【0003】
ところで、電気自動車の場合、上述のように高電圧の電源を使用するため、安全を確保する必要上、電圧をモニタする場合には組電池の間を電気的に絶縁する等の安全対策が必要になる。このような要請を満足しながら組電池をなすセル電圧をモニタする従来技術として、例えば特開2001−289886号公報に開示された技術が知られている。
【0004】
図4に、上述の公報に開示された技術の構成を示す。この従来技術は、いわゆるフライングキャパシタ方式を用いたものであって、直列接続された複数のセル(電池)を複数の電池ブロック110〜11n(nは自然数)に分割し、これら電池ブロック110〜11nに対し、スイッチ120〜12n、コンデンサブロック130〜13n、スイッチ140〜14nを設け、これらスイッチ140〜14nに対し差分演算回路150とAD変換器160を共通に設けている。
【0005】
この従来技術によれば、例えば電池ブロック110の電圧をモニタする場合、スイッチ120をオン状態(閉成)とし、スイッチ140をオフ状態(開放)とすることにより、コンデンサブロック130に電池ブロック110の電圧を保持させる。そして、スイッチ120をオフ状態とし、スイッチ140をオン状態とすることにより、コンデンサブロック130に保持された電圧が差分演算回路150に与えられて差分増幅され、各セルの電圧が得られる。この電圧はAD変換器160によりアナログ/デジタル変換されて出力される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の従来技術によれば、電池ブロック110〜11nに対し、スイッチ120〜12n、コンデンサブロック130〜13n、およびスイッチ140〜14nが設けられているので、電池ブロックの数が増加すると、それに比例して装置構成が大規模化し、装置コストが大幅に上昇するという問題がある。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、モニタすべき組電池のセル数が増加しても、装置構成の規模の増加を最小限に抑えることができる電圧モニタ装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、この発明は以下の構成を有する。
即ち、請求項1に記載された発明に係る電圧モニタ装置は、直列接続された複数個のセルのうち、当該セルの総数よりも少ない所定数のセルの端子を選択する第1のスイッチ回路(例えば後述するスイッチ回路A−1〜A−22に相当する構成要素)と、前記第1のスイッチ回路により選択されるセルと同数のコンデンサを有し、前記コンデンサにより前記所定数のセルの端子電圧を保持する電圧保持回路(例えば後述する電圧保持回路Bに相当する構成要素)と、前記第1のスイッチ回路の選択動作に対し相補的に作動して前記電圧保持回路に保持された前記端子電圧を伝達する第2のスイッチ回路(例えば後述するスイッチ回路Cに相当する構成要素)と、前記第2のスイッチ回路を介し前記電圧保持回路から前記端子電圧を入力して該端子電圧を測定する測定回路(例えば後述する差動増幅器DおよびA/D変換器Eからなる構成要素)とを備え、前記第1のスイッチ回路は、直列接続された前記複数個のセルのうちの一端側に位置するセルと他端側に位置するセルとの間を往復するように、前記所定数のセルを単位として前記複数個のセルを順次的に選択すること(例えば後述する図2に示すフローに相当する要素)を特徴とする。
【0008】
この構成によれば、直列接続された複数のセルのうち、第1のスイッチ回路により選択された所定数(セルの総数よりも少ない数)のセルが、この第1のスイッチ回路を介して電圧保持回路に接続され、セルの端子電圧が電圧保持回路に保持される。セルの端子電圧が電圧保持回路に保持されると、第1のスイッチ回路がオフ状態とされ、第2のスイッチ回路がオン状態とされる。これにより電圧保持回路に保持されたセルの端子電圧が測定回路に供給され、各セルの端子電圧が測定される。同様に、第1のスイッチ回路により、残りの複数のセルの中から所定数のセルを選択し、電圧保持回路にそのセルの端子電圧を保持して測定が行われる。ここで、測定対象の所定数のセルが変わっても、電圧保持回路と第2のスイッチ回路は共用される。従って、組電池のセル数が増加しても、電圧保持回路と第2のスイッチ回路の構成規模を拡大する必要がなく、よって装置規模の増加を抑えることが可能になる。また、第1のスイッチ回路が選択対象(セル)を移す場合、第1のスイッチ回路から電圧保持回路および第2のスイッチ回路を介して測定回路に至る信号経路上の電圧変化が小さく抑えられる。従ってこの信号経路に浮遊容量が存在していても、電圧変化に伴う電流が小さく抑えられ、この電流に起因する損失も小さく抑えられる。
【0010】
請求項2に記載された発明は、請求項1に記載された電圧モニタ装置において、前記測定回路が、前記第2のスイッチ回路を介して入力した端子電圧を差分増幅する差分増幅回路(例えば後述する差動増幅器Dに相当する構成要素)と、前記差分増幅回路により差分増幅された端子電圧をアナログ/デジタル変換する変換回路(例えば後述するA/D変換器Eに相当する構成要素)と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、差動増幅器により端子間の差分電圧が抽出され、各セルのアナログ量の電圧が得られる。この電圧は、A/D変換器によりデジタル量に変換され、各セルの電圧を表すデータとして出力される。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
(実施の形態1)
図1に、本実施の形態1に係るフライングキャパシタ方式による電圧モニタ装置の構成を示す。同図において、直列接続された複数個のセルV1〜V110は組電池を構成し、例えば電気自動車等の動力用モータの電源として使用される。1個のセルの電圧は、例えば約3.6Vであり、組電池として発生する電圧は約400Vにものぼる。
【0012】
セルV1〜V110の端子には、スイッチ回路A−1〜A−22(第1のスイッチ回路)が接続される。スイッチ回路A−1〜A−22は、セルV1〜V110のうち、5個(所定数)のセルの端子を同時に選択するためのものであり、抵抗群とスイッチ群から構成される。具体的には、スイッチ回路A−1の場合、セルV1〜V5の各端子に一端がそれぞれ接続された抵抗R1〜R6と、これら抵抗R1〜R6の他端に一方の電極が接続されたスイッチSW1〜SW6から構成される。スイッチSW1〜SW6としては例えばフォトMOSリレーが用いられる。他のスイッチ回路A−2〜A−22についてもスイッチ回路A−1と同様に構成される。以下では、説明の便宜上、スイッチ回路A−2〜A−22を構成する抵抗群およびスイッチ群についてもスイッチ回路A−1と同様に抵抗R1〜R6およびスイッチSW1〜SW6とする。
【0013】
スイッチ回路A−1〜A−22を構成するスイッチSW1〜SW6の他方の電極側には配線H1〜H6を介して電圧保持回路Bが接続される。この電圧保持回路Bは、スイッチ回路A−1〜A−22により選択されるセルと同数の所定数のコンデンサCP1〜CP5を有し、これらコンデンサCP1〜CP5により所定数のセルの端子電圧を保持するように構成されている。具体的には、コンデンサCP1の電極は1対の配線H1,H2を介してスイッチ回路A−1〜A−22のそれぞれを構成するスイッチSW1,SW2の各電極に共通接続される。同様に、コンデンサCP2〜CP5の各電極は、配線H2〜H6を介してスイッチ回路A−1〜A−22のそれぞれを構成するスイッチSW2〜SW6の各電極に共通接続される。換言すれば、複数のスイッチ回路A−1〜A−22に対して1つ電圧保持回路Bが設けられ、この電圧保持回路Bが複数のスイッチ回路A−1〜A−22に共有された構成となっている。
【0014】
電圧保持回路Bは、スイッチ回路C(第2のスイッチ回路)を介して差動増幅器Dの入力部に接続される。このスイッチ回路Cは、電圧保持回路Bをなすコンデンサの電極端子(即ち配線H1〜H6)と差動増幅器Dの入力部との間に接続されたスイッチ群から構成され、上述のスイッチ回路A−1〜A−22の選択動作に対し相補的に作動して開閉し、電圧保持回路Bに保持された端子電圧を伝達する。差動増幅器Dの出力部にはA/D変換器Eの入力部が接続される。これら差動増幅器DおよびA/D変換器Eは、端子電圧を測定するための測定回路(符号なし)を構成する。なお、特に図示していないが、スイッチ回路A−1〜A−22およびスイッチ回路Cの開閉動作を制御するためのスイッチ制御回路が設けられている。
【0015】
次に、この実施の形態1に係る電圧モニタ装置の動作を、図2に示すフローに沿って説明する。
なお、変数n(n;1〜22の自然数)を用いて、図1に示すスイッチ回路A−1〜A−22をスイッチ回路A−nと表すことにする。
初期状態では、スイッチ回路A−1〜A−22およびスイッチ回路Cの全てがオフ状態(開放状態)に制御され、セルV1〜V110側と差動増幅器D側とが電気的に絶縁されている。この初期状態から、変数nに「1」を設定し、制御対象をスイッチ回路A−1(n=1)に設定する(ステップS01)。
【0016】
続いて、制御対象として設定されたスイッチ回路A−1をオン状態に制御する(ステップS02)。これにより、セルV1〜V5の端子電圧がスイッチ回路A−1内の抵抗R1〜R6およびスイッチSW1〜SW6と配線H1〜H6を介して電圧保持回路Bに供給される。そして、この電圧保持回路Bを構成するコンデンサCP1〜CP5がセルV1〜V5の端子電圧により充電され、この端子電圧がこれらのコンデンサに保持される。この時点では、スイッチ回路Cがオフ状態にあるので、セルV1〜V110側と差動増幅器D側との間は依然として電気的に絶縁された状態にあり、また電圧保持回路Bに保持された端子電圧は差動増幅器D側には供給されない。
【0017】
続いて、スイッチ回路A−1をオフ状態に制御する(ステップS03)。これにより、セルV1〜V110側と電圧保持回路Bとの間が電気的に絶縁される。このとき、スイッチ回路Cもオフ状態にあるから、電圧保持回路Bを構成するコンデンサCP1〜CP5はフローティング状態で端子電圧を保持する。
続いて、スイッチ回路Cをオン状態に制御する(ステップS04)。これにより、電圧保持回路Cを構成するコンデンサCP1〜CP5の各電極がスイッチ回路Cを介して差動増幅器Dの入力部に接続される。このとき、スイッチ回路A−1〜A−22はオフ状態に制御されているから、セルV1〜V110側と差動増幅器D側との間の電気的絶縁が維持される。
【0018】
続いて、差動増幅器Dが、スイッチ回路Cを介して電圧保持回路Bから入力した端子電圧を差動増幅し、この差動増幅された端子電圧をA/D変換器Eがアナログ/デジタル変換する(ステップS05)。この結果、A/D変換器EからセルV1〜V5の電圧を表すデータが出力される。この後、スイッチ回路Cをオフ状態に制御する(ステップS06)。以上でセルV1〜V5の電圧が得られた。続いて、変数nに「1」を加算してインクリメントすることにより変数nに「2」を設定し(ステップS07)、この変数nの値が、最大値である「22」以下であるか否かを判断する(ステップS08)。
【0019】
いま、変数nには「1」が設定されているから、変数nが「22」以下であると判断される(ステップS08;YES)。この場合、処理はステップS02に戻され、スイッチ回路A−2(n=2)が新たに制御対象とされて上述と同様の処理が実行される。これにより、スイッチ回路A−2に接続されたセル6〜V10の端子電圧が電圧保持回路Bに保持され、スイッチ回路Cを介して差動増幅器Dに供給されて、セルV6〜V10の電圧が測定される。以後、変数nが順次インクリメントされ、最後のスイッチ回路A−22(n=22)が制御対象とされ、セルV106〜V110の電圧が測定される。そして、ステップS07において変数nがインクリメントされて変数nの値が「23」となる。従って、変数nの値が「22」以下ではないと判断され(ステップS08;NO)、上述のステップS02〜S08による一連のループ処理から抜け出る。
【0020】
続いて、上述とは逆にスイッチ回路A−22からスイッチ回路A−1に向かって順に制御対象とされ、同様にセル電圧の測定が行われる(ステップS09〜S16)。即ち、変数nに「22」を設定し(ステップS09)、制御対象をスイッチ回路A−22(n=22)に設定した上で、このスイッチ回路A−22をオン状態に制御する(ステップS10)。これにより、セルV106〜V110の端子電圧がスイッチ回路A−22および配線H1〜H6を介して電圧保持回路Bに供給され、この電圧保持回路BにセルV106〜V110の端子電圧が保持される。
【0021】
続いて、スイッチ回路A−22をオフ状態に制御し(ステップS11)、スイッチ回路Cをオン状態に制御する(ステップS12)。これにより、電圧保持回路Bを構成するコンデンサCP1〜CP5の各電極がスイッチ回路Cを介して差動増幅器Dの入力部に接続される。差動増幅器Dは、スイッチ回路Cを介して電圧保持回路Bから端子電圧を入力して差動増幅し、これをA/D変換器Eがアナログ/デジタル変換する(ステップS13)。この結果、A/D変換器EからセルV106〜V110の電圧を表すデータが出力される。この後、スイッチ回路Cをオフ状態に制御する(ステップS06)。
【0022】
続いて、変数nから「1」を減算してデクリメントすることにより変数nに「21」を設定し(ステップS15)、この変数nの値が、最小値である「1」以上であるか否かを判断する(ステップS16)。いま、変数nには「21」が設定されているから、変数nは「1」以上であると判断される(ステップS16;YES)。この場合、処理はステップS10に戻され、スイッチ回路A−21(n=21)があらたに制御対象とされて上述と同様の処理が実行される。以後、変数nが順次デクリメントされ、最後のスイッチ回路A−1(n=1)が制御対象とされて所定の測定がなされると、ステップS16において変数nがインクリメントされる。この結果、変数nの値が「0」となり、「1」よりも小さくなる(ステップS16;NO)。この場合、処理は最初のステップS01に戻され、以降、同様の処理が繰り返し実行される。
【0023】
上述の一連の動作において、スイッチ回路A−1〜A−22は、直列接続された複数個のセルV1〜V110のうち、一端側に位置するセルV1と他端側に位置するセルV110との間を往復するようにして、5個(所定数)のセルを単位としてセルを順次的に選択する。このため、スイッチ回路A−nが切り替わる際に、測定対象として選択されるセル間の電位差は、この例の場合、常に約18V(3.6V×5個)程度に小さく維持される。従って、スイッチ回路の切り替え時に配線H1〜H6の浮遊容量に高電圧が印加されることがなく、この浮遊容量の充放電電流として抵抗R1〜R6を流れるリーク電流が小さく抑えられ、抵抗R1〜R6での電圧降下が抑えられる。よって、スイッチ回路A−1〜A−22の制御周期を短くし、その動作周波数を上げたとしても、セルV1〜V110の端子電圧をそのまま電圧保持回路Bに伝達することができ、精度よくセル電圧を測定することが可能になる。
【0024】
ここで、仮に、上述の図2に示すステップS08の後、ステップS01に処理を戻すものとした場合、配線H1〜H6の電圧は、グランド電位に近いセルV106〜V110の端子電圧から400V近傍のセルV1〜V5の端子電圧に急激に変化する。このため、この配線H1〜H6の浮遊容量に対して大振幅の電圧が印加され、過大な充放電電流が抵抗R1〜R6を流れることになる。しかしながら、この実施の形態1によれば、セルV1とセルV110との間を往復するようにしてセルが順次選択されるので、配線に大振幅の電圧が印加されることがなく、その充放電電流に起因した弊害を防止することが可能になる。
【0025】
(実施の形態2)
以下、この発明の実施の形態2を説明する。
上述の実施の形態1では、5個のセルを単位としてセル電圧を測定するように構成したが、この実施の形態では1個のセルを単位として測定する。図3に、この実施の形態2に係る電圧モニタ装置の構成を示す。同図に示すように、セルV1〜V110には、1対1でスイッチ回路a−1〜a−110が設けられる。また、各スイッチ回路は保護用の抵抗RA,RBとスイッチSWA,SWBから構成される。これら抵抗RA,RBおよびスイッチSWA,SWBは、前述の図1に示す抵抗R1〜R6およびスイッチSW1〜SW6に対応するものである。
【0026】
スイッチSWA,SWBは、配線HA,HBを介して電圧保持回路bに接続される。この電圧保持回路bは1個のコンデンサから構成され、このコンデンサは配線HAと配線HBとの間に接続される。このコンデンサの電極は、スイッチ回路cを介して差動増幅器dの入力部に接続され、差動増幅器dの出力部はA/D変換器eの入力部に接続される。これら電圧保持回路b、スイッチ回路c、差動増幅器d、およびA/D変換器eは、前述の図1に示す電圧保持回路B、スイッチ回路C、およびA/D変換器Eに対応する。
【0027】
この実施の形態2によれば、スイッチ回路a−1〜a−110により、セルV1〜V110の中から1個のセルが選択され、その端子電圧が電圧保持回路bに保持される。そして、この端子電圧が差動増幅器dにより差動増幅されてA/D変換器eに供給され、このセルの電圧を表すデータが得られる。スイッチ回路a−1〜a−110の制御については基本的には前述の実施の形態1に係るスイッチ回路A−1〜A−22と同様である。
この実施の形態2によれば、上述の実施の形態1に比較して、スイッチ回路a−nを切り替える際に配線HA,HBに加えられる電圧振幅を1個のセルの電圧にまで小さく抑えることが可能になる。従って配線HA,HBの浮遊容量の充放電電流による弊害を一層有効に防止することが可能になる。
【0028】
以上、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、上述の実施の形態では5個または1個の所定数のセルを単位としてスイッチ回路により選択するものとしたが、これに限定されることなく、どのような個数を選択の単位として設定してもよい。
また、図2に示すステップS08において、変数nの値が最大値「22」以下(n≦22)であるか否かを判断するものとしたが、変数nの値が、最大値「22」より小さい(n<22)か否かを判断するものとしてもよく、変数nと最大値との大小関係を判断するものであればよい。同様に、ステップS16において、変数nの値が最小値「1」以上であるか否かを判断するものとしたが、変数nの値が最小値「1」より大きい(n>1)か否かを判断するものとしてもよく、変数nと最小値との大小関係を判断するものであればよい。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、直列接続された複数個のセルのうち、所定数のセルの端子を選択し、このセルと同数のコンデンサによりセルの端子電圧を保持して測定するようにしたので、モニタすべき組電池のセル数が増加しても、装置構成の規模の増加を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態に1係る電圧モニタ装置の構成を示す図である。
【図2】 この発明の実施の形態1に係る電圧モニタ装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【図3】 この発明の実施の形態に2係る電圧モニタ装置の構成を示す図である。
【図4】 従来技術に係る電圧モニタ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
A−1〜A−22,a−1〜a−110,C,c;スイッチ回路(第1のスイッチ回路)、B,b;電圧保持回路、CP1〜CP5;コンデンサ、D、d;差動増幅器D、E,e;A/D変換器、R1〜R6,RA,RB;抵抗、SW1〜SW6,SWA,SWB;スイッチ。
Claims (2)
- 直列接続された複数個のセルのうち、当該セルの総数よりも少ない所定数のセルの端子を選択する第1のスイッチ回路と、
前記第1のスイッチ回路により選択されるセルと同数のコンデンサを有し、前記コンデンサにより前記所定数のセルの端子電圧を保持する電圧保持回路と、
前記第1のスイッチ回路の選択動作に対し相補的に作動して前記電圧保持回路に保持された前記端子電圧を伝達する第2のスイッチ回路と、
前記第2のスイッチ回路を介し前記電圧保持回路から前記端子電圧を入力して該端子電圧を測定する測定回路とを備え、
前記第1のスイッチ回路は、直列接続された前記複数個のセルのうちの一端側に位置するセルと他端側に位置するセルとの間を往復するように、前記所定数のセルを単位として前記複数個のセルを順次的に選択することを特徴とする電圧モニタ装置。 - 前記測定回路は、
前記第2のスイッチ回路を介して入力した端子電圧を差分増幅する差分増幅回路と、
前記差分増幅回路により差分増幅された端子電圧をアナログ/デジタル変換する変換回路と
を備えることを特徴とする請求項1記載の電圧モニタ装置。
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