JP4432634B2 - 電圧検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、電圧源の電圧を検出する回路に関する。

従来、電池の電圧を電圧保持用コンデンサに保持させ、電池と電圧保持用コンデンサとを切り離した後、電圧保持用コンデンサの電圧を検出することにより、電池の電圧を検出するフライングキャパシタ方式の電圧検出技術が知られている（特許文献１参照）。この方式によれば、電池と電圧検出回路との間を電気的に絶縁しつつ、電池の電圧を検出することができる。

特開２００３−１１４２４３号公報

しかしながら、従来のフライングキャパシタ方式の電圧検出方法では、電圧保持用コンデンサの電圧を検出するＣＰＵにおいて、測定対象である電池の電圧がＣＰＵの定格電圧を超える場合には、電圧を検出することができないという問題があった。

本発明による電圧検出回路は、複数のセルｓ１〜ｓｎ（ｎは２以上の整数）を直列に接続して構成される組電池と、組電池の各セルｓ１〜ｓｎの電圧を検出する電圧検出回路において、各セルｓ１〜ｓｎの一方の極にそれぞれ接続される複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎと、スイッチのｔ番目（１≦ｔ≦ｎ）を接続すると、セルｓ１からセルｓｔまでの合計電圧が１次側に供給され、該１次側の電圧を減圧して２次側に出力する変圧器と、スイッチＳＷｔをオンした時に変圧器の２次側に発生する電圧、スイッチＳＷt-1をオンした時に変圧器の２次側に発生する電圧、および、スイッチオン時の１次側と２次側の巻き数比に基づいて、セルｓｔの電圧を算出する電圧算出手段とを備え、変圧器は、複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎを介して各セルｓ１〜ｓｎに接続される複数の１次巻線を含み、１次巻線の巻線と２次側の巻き数比をｋ：１とし（ｋは自然数）、変圧器の２次側に発生する電圧は、スイッチＳＷｔをオンした時、変圧器の１次側に発生する電圧に、１／ｔｋを乗ずる電圧であることを特徴とする。

本発明による電圧検出回路によれば、スイッチＳＷｔをオンした時に変圧器の２次側に発生する電圧、スイッチＳＷt-1をオンした時に変圧器の２次側に発生する電圧、および、変圧比に基づいて、セルｓｔの電圧を算出するので、組電池と電圧算出手段との間を絶縁しつつ、組電池を構成する各セルの電圧を算出することができる。特に、各セルの電圧が電圧算出手段の定格電圧より高い場合でも、電圧算出手段により各セルの電圧を算出することができる。

−参考例１−
図１は、本発明による電圧検出回路の参考例１の形態の構成を示す図である。参考例１における電圧検出回路は、スイッチ１と、トランス（変圧器）２と、ピークホールド回路３と、ＣＰＵ４とを備え、組電池１０の電圧を検出する。

組電池１０は、複数のセルｓ１〜ｓｎを直列に接続して構成されており、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される高圧バッテリである。組電池１０は、リレー等のスイッチ１を介して、トランス（変圧器）２の１次側と直列に接続されている。トランス２の２次側の一端は接地されており、他端は、ピークホールド回路３と接続されている。トランス２の１次側と２次側の巻き数比（変圧比）は、ｍ：１とする。従って、トランス２の２次側に発生する電圧は、１次側に発生する電圧のｍ分の１の大きさとなる。

ピークホールド回路３は、入力される電圧のピーク電圧値を保持して、ＣＰＵ４に出力する。図２は、ピークホールド回路３の構成の一例を示す図である。図２に示すピークホールド回路３の入力端は、トランス２の２次側と接続されており、出力端は、ＣＰＵ４と接続されている。

ＣＰＵ４は、Ａ／Ｄコンバータ５を備えている。ピークホールド回路３から出力される電圧信号は、Ａ／Ｄコンバータ５によってデジタル信号に変換される。ＣＰＵ４は、Ａ／Ｄコンバータ５によって変換されたデジタル信号に基づいて、組電池１０の電圧を算出する。

図３（ａ）は、スイッチ１のオン／オフタイミングを示す図であり、図３（ｂ）〜図３（ｅ）は、各部位における電圧波形を示す図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すスイッチ１のオン／オフタイミングに応じて、トランス２の１次側に発生する電圧波形を示す図であり、図３（ｃ）は、トランス２の２次側に発生する電圧波形を示す図である。また、図３（ｄ）は、ピークホールド回路３の入力端に入力される電圧波形を示す図であり、図３（ｅ）は、ピークホールド回路３の出力端から出力される電圧波形を示す図である。

スイッチ１がオフ（開放）されている間は、トランス２の１次側には電流が流れないため、トランス２の１次側および２次側の電位は０となる。この状態からスイッチ１をオン（接続）すると、トランス２の１次側に電流が流れることによって、１次側の電圧は、組電池１０の総電圧と同じ電圧Ｖ０まで上昇する。

トランス２の１次側に電流が流れることにより、２次側にも誘導電流が流れるので、２次側の電位も上昇する。上述したように、２次側の最大電圧Ｖ１は、１次側の最大電圧Ｖ０のｍ分の１の大きさとなる。

ピークホールド回路３には、０（Ｖ）を基準とすると、最大でＶ１×２（Ｖ）の電圧が入力される。図３（ｄ）に示すように、ピークホールド回路３に入力される電圧が最大電圧Ｖ１×２（Ｖ）に達すると、以後、電圧値がＶ１×２（Ｖ）に保持された状態でＣＰＵ ４に出力される。

ＣＰＵ４には、ピークホールド回路３から出力される電圧信号がＡ／Ｄコンバータ５でデジタル信号に変換された電圧値が入力されるので、入力される電圧値に基づいて、組電池１０の電圧値を算出する。すなわち、入力される電圧値Ｖ１×２（Ｖ）を２で割った値に巻き数比であるｍをかけた電圧値｛Ｖ１×ｍ（＝Ｖ０）｝を組電池１０の電圧値として、検出する。

このように、ＣＰＵ４およびＡ／Ｄコンバータ５には、トランス２で減圧されたＶ１×２（Ｖ）の電圧が入力されるので、この電圧Ｖ１×２（Ｖ）がＣＰＵ４およびＡ／Ｄコンバータ５の動作電圧（定格電圧）以下となるように、トランス２の巻き数比ｍを設定しておく。これにより、ＣＰＵ４およびＡ／Ｄコンバータ５の動作電圧より組電池１０の電圧が高い場合でも、電圧を検出することができる。

図４は、組電池１０の電圧検出処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０から始まる処理は、ＣＰＵ４によって行われる。ここでは、電圧検出処理をｊ回行うものとする。ステップＳ１０では、電圧検出回数を数えるための変数ｉを１に設定して、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０では、スイッチ１をオンにして、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、スイッチ１をオンにしてから所定時間が経過したか否かを判定する。この所定時間は、スイッチ１の応答時間およびトランス２の応答時間に基づいて予め定めておく。すなわち、スイッチ１のオン時に、トランス２の１次側電圧が上昇して、組電池１０の電圧と同一電圧に達する時間以上の時間を所定時間とする。スイッチ１をオンにしてから所定時間が経過したと判定すると、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、スイッチ１をオフにする。スイッチ１をオフにすると、ステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、ピークホールド回路３およびＡ／Ｄコンバータ５を介して入力される電圧値に基づいて、組電池１０の電圧値を算出する。Ａ／Ｄコンバータ５から入力される電圧値に基づいて、組電池１０の電圧値を算出する方法については、上述したので、ここでは詳しい説明は省略する。組電池１０の電圧値を算出すると、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、電圧検出回数を数えるための変数ｉが所定回数ｊに達したか否かを判定する。ｉ≧ｊが成り立たないと判定すると、ステップＳ７０に進んで、変数ｉに１を加えてステップＳ２０に戻る。一方、ｉ≧ｊが成り立つと判定すると、電圧検出処理を終了する。この後、例えば、ｊ回の電圧検出結果の平均電圧値を算出することにより、安定した電圧検出結果を得ることができる。

参考例１の形態における電圧検出回路によれば、電圧源である組電池１０をスイッチ１を介して、トランス２の１次側と接続し、ＣＰＵ４において、トランス２の１次側より低い電圧に変換された２次側の電圧に基づいて、組電池１０の電圧を検出するので、組電池１０の電圧がＣＰＵ４の定格電圧より高い場合でも、電圧を検出することができる。また、組電池１０と、ピークホールド回路３およびＣＰＵ４との間にトランス２を設けるので、両者の間を電気的に絶縁（アイソレーション）することができる。これは、上述したように、組電池１０が電気自動車に搭載される高圧バッテリのような場合に有効である。
特に、スイッチ１をオフした後に、ＣＰＵ４において、組電池１０の電圧値を算出するよ
うにしたので、組電池１０とＣＰＵ４との間を確実に絶縁した状態で電圧を検出すること
ができる。

また、参考例１における電圧検出回路によれば、スイッチ１を所定の時間だけオンして組電池１０から電流を流すことにより、組電池１０の電圧を検出することができるので、電圧検出時における組電池１０の電力消費を抑制することができる。

さらに、参考例１における電圧検出回路によれば、スイッチ１のオン／オフを複数回行うことによって、組電池１０の電圧を複数回算出することにより、例えば、電圧値の移動平均を算出することも容易となり、より精度の高い電圧検出を行うことができる。

−参考例２−
図５は、参考例２における電圧検出回路の構成を示す図である。参考例２における電圧検出回路は、参考例１おける電圧検出回路が備えるピークホールド回路３の代わりに、ＡＣ／ＤＣ変換回路７を備える。

ＡＣ／ＤＣ変換回路７は、スイッチ１のオン／オフによってトランス２の２次側に発生する擬似交流電圧（図３（ｃ）参照）を直流電圧に変換する。図６は、ＡＣ／ＤＣ変換回路７の構成の一例を示す図である。図６に示すＡＣ／ＤＣ変換回路７の入力端は、トランス２の２次側に接続され、出力端は、ＣＰＵ４に接続されている。

ＡＣ／ＤＣ変換回路７は、トランス２の２次側に発生する擬似交流電圧を、その実効値、すなわち、擬似交流電圧のピーク電圧の（１／√２）の直流電圧に変換して出力する。図７（ａ）は、スイッチ１のオン／オフタイミングを示す図であり、図７（ｂ）は、トランス２の２次側に発生する擬似交流電圧に基づいて変換された直流電圧を示す図である。図７（ｂ）において、ＡＣ／ＤＣ変換回路７に入力される電圧波形を点線で示し、ＡＣ／ＤＣ変換回路７から出力される電圧波形を実線で示す。

ＣＰＵ４は、ＡＣ／ＤＣ変換回路７およびＡ／Ｄコンバータ５を介して入力される電圧値に基づいて、組電池１０の電圧値を算出する。すなわち、入力される電圧値Ｖ１×２／√２（Ｖ）に√２／２を乗じた値に巻き数比であるｍをかけた電圧値｛Ｖ１×ｍ（＝Ｖ０）｝を組電池１０の電圧値として検出する。

参考例２における電圧検出回路においても、参考例１における電圧検出回路と同様に、組電池１０とＣＰＵ４との間を電気的に絶縁しつつ、組電池１０の電圧がＣＰＵ４の定格電圧より高い場合でも、電圧を検出することができる。

−第１の実施の形態−
図８は、第１の実施の形態における電圧検出回路の構成を示す図である。第１の実施の
形態における電圧検出回路は、組電池１０の電圧とともに、組電池１０を構成する各セル
ｓ１〜ｓｎの電圧も検出することができる。なお、参考例１および参考例２におけるトランス２と構成が異なるため、第１の実施の形態におけるトランスをトランス２ａと呼ぶ。

各セルｓ１〜ｓｎの正極は、各正極に対応して設けられているスイッチＳＷ１〜ＳＷｎを介して、トランス２ａの１次側と接続されている。トランス２ａの１次側と２次側との巻き数比は、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎのオン／オフの状態に基づいて変動する。ここでは、スイッチＳＷ１のみをオンした時のトランスの１次側と２次側の巻き数比をｋ：１とし、スイッチＳＷ２のみをオンした時の巻き数比を２ｋ：１、スイッチＳＷｎのみをオンした時の巻き数比をｎｋ：１とする。すなわち、隣接するスイッチ間における１次側巻き線の間隔（巻き数）は一定である。

例えば、スイッチＳＷ１のみをオンすると、参考例１における電圧検出回路にて、組電池１０の電圧を検出した方法により、セルｓ１の電圧を検出することができる。
次に、スイッチＳＷ１をオフして、スイッチＳＷ２のみをオンすると、セルｓ１の電圧と
セルｓ２の電圧とを加算した電圧を検出することができる。従って、スイッチＳＷ２のみ
をオンした時に検出される電圧から、スイッチＳＷ１のみをオンした時に検出される電圧
を減算することにより、セルｓ２の電圧を検出することができる。

このように、スイッチＳＷｔ（ｔは、２以上ｎ以下の整数）をオンした時に検出される電圧と、スイッチＳＷt-1をオンした時に検出される電圧との差を算出することにより、セルｓtの電圧を検出することができる。また、スイッチＳＷｎのみをオンすることにより、組電池１０の総電圧を算出することができる。

図９は、第１の実施の形態における電圧検出回路において、各セルｓ１〜ｓｎの電圧検
出処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１００から始まる処理は、ＣＰＵ４によって行われる。なお、図４に示すフローチャートと同一の処理を行うステップにお
いては、同一の符号を付す。ステップＳ１００では、セル数を数えるための変数ｑを１に
設定して、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、電圧検出回数を数えるための変
数ｉを１に設定して、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、スイッチＳＷｑをオンして、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、スイッチＳＷｑをオンにしてから所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していないと判定するとステップＳ３０で待機し、所定時間が経過したと判定すると、ステップＳ１２０に進む。ステップＳ１２０では、スイッチＳＷｑをオフにして、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、入力される電圧値に基づいて、セルｓqの電圧値を算出する。上述したように、セルｓ１の電圧値は、スイッチＳＷ１をオンすることにより算出することができ、セルｓt（ｔは、２以上ｎ以下の整数）の電圧値は、スイッチＳＷtをオンした時に検出される電圧と、スイッチＳＷt-1をオンした時に検出される電圧との差を算出することにより、算出することができる。

ステップＳ１３０において、セルｓqの電圧値を算出すると、ステップＳ６０に進む。ステップＳ６０では、電圧検出回数を数えるための変数ｉが所定回数ｊに達したか否かを判定する。ｉ≧ｊが成り立たないと判定すると、ステップＳ７０に進んで、変数ｉに１を加えてステップＳ１１０に戻る。一方、ｉ≧ｊが成り立つと判定すると、ステップＳ１４０に進む。

ステップＳ１４０では、セル数を数えるための変数ｑが組電池１０を構成するセル数ｎに到達したか否か、すなわち、全てのセルｓ１〜ｓｎの電圧を検出したか否かを判定する。ｑ≧ｎが成り立たたないと判定するとステップＳ１５０に進み、変数ｑに１を加えて、ステップＳ１０に戻る。一方、ｑ≧ｎが成り立ち、全てのセルｓ１〜ｓｎの電圧を検出したと判定すると、電圧検出処理を終了する。

第１の実施の形態における電圧検出回路によれば、組電池１０と、ピークホールド回路
３およびＣＰＵ４との間を電気的に絶縁しつつ、各セルｓ１〜ｓｎの電圧を検出すること
ができる。また、ＣＰＵ４において、トランス２ａで減圧された電圧に基づいて、各セル
ｓ１〜ｓｎの電圧を検出するので、各セルｓ１〜ｓｎの電圧がＣＰＵ４の定格電圧より高
い場合でも、電圧を検出することができる。各セルｓ１〜ｓｎの電圧を検出することがで
きるので、セルの過充電異常および過放電異常を検出することも可能となる。

また、セルｓ１〜ｓt-1の電圧値と、セルｓ１〜ｓtの電圧値をそれぞれ検出し、両者の
電圧差を算出することにより、セルｓtの電圧値を算出する構成としたので、電圧を検出
するためにグランドレベルを切り換える必要がない。例えば、特開２００３−２４０８０６号公報に記載のセル電圧測定装置では、セルを順に検出するごとに、セル検知回路側に
おいて、グランドレベルを切り換える必要があったが、第１の実施の形態における電圧検
出回路では、グランドレベルを切り換えることがなく、簡易な構成でセル電圧を検出する
ことができる。

さらに、いずれのセルｓ１〜ｓｎの電圧を検出する場合でも、２次側の電圧を１次側の電圧より低くすることができるので、計測する電位ごとに電圧検出側の回路定数を切り換える必要もなくなる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されることはない。例えば、参考例１および参考例２における電圧検出回路では、組電池１０の電圧を検出するものとして説明したが、組電池以外の電圧源、例えば、大容量キャパシタの電圧を検出することもできる。

第１の実施の形態における電圧検出回路では、参考例１と同様に、ピークホールド回路３を用いたが、参考例２と同様に、ＡＣ／ＤＣ変換回路７を用いることもできる。

第１の実施の形態における電圧検出回路では、トランス２を用いることによって
変動する電圧を、ピークホールド回路３またはＡＣ／ＤＣ変換回路７を用いて一定の電圧
値に変換したが、他の回路を用いて一定電圧に変換するようにしてもよい。

また、スイッチ１の一例としてリレーを挙げたが、光スイッチなどのオプティカル素子を用いるようにしてもよい。

特許請求の範囲の請求項１〜４の構成要素と第１の実施の形態の構成要素との対応関係では、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎがスイッチＳＷ１〜ＳＷｎを、トランス２ａが変圧器を、ＣＰＵ４が電圧算出手段を、ピークホールド回路３がピーク電圧検出手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

本発明による電圧検出回路の参考例１の構成を示す図 ピークホールド回路の構成の一例を示す図 図３（ａ）は、スイッチのオン／オフタイミングを示す図であり、図３（ｂ）〜図３（ｅ）は、各部位における電圧波形を示す図 組電池の電圧検出処理の手順を示すフローチャート 参考例２における電圧検出回路の構成を示す図 ＡＣ／ＤＣ変換回路の構成の一例を示す図 トランスの２次側に発生する擬似交流電圧に基づいて変換された直流電圧を示す図 第１の実施の形態における電圧検出回路の構成を示す図 第１の実施の形態における電圧検出回路において、各セルの電圧検出処理の手順を示すフローチャート

符号の説明

１…スイッチ
２，２ａ…トランス
３…ピークホールド回路
４…ＣＰＵ
５…Ａ／Ｄコンバータ
７…ＡＣ／ＤＣ変換回路
１０…組電池
ｓ１〜ｓｎ…セル
ＳＷ１〜ＳＷｎ…スイッチ

Claims (4)

1. 複数のセルｓ１〜ｓｎ（ｎは２以上の整数）を直列に接続して構成される組電池と、
   前記組電池の各セルｓ１〜ｓｎの電圧を検出する電圧検出回路において、
   各セルｓ１〜ｓｎの一方の極にそれぞれ接続される複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎと、
   前記スイッチのｔ番目（１≦ｔ≦ｎ）を接続すると、セルｓ１からセルｓｔまでの合計電圧が１次側に供給され、該１次側の電圧を減圧して２次側に出力する変圧器と、
   スイッチＳＷｔをオンした時に前記変圧器の２次側に発生する電圧、スイッチＳＷt-1をオンした時に前記変圧器の２次側に発生する電圧、および、スイッチオン時の１次側と２次側の巻き数比に基づいて、セルｓｔの電圧を算出する電圧算出手段とを備え、
   前記変圧器は、前記複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎを介して各セルｓ１〜ｓｎに接続される複数の１次巻線を含み、前記１次巻線の巻線と前記２次側の巻き数比をｋ：１とし（ｋは自然数）、
   変圧器の２次側に発生する電圧は、前記スイッチＳＷｔをオンした時、前記変圧器の１次側に発生する電圧に、１／ｔｋを乗ずる電圧であることを特徴とする電圧検出回路。
2. 請求項１に記載の電圧検出回路において、
   前記変圧器の２次側に発生する電圧のピーク電圧値を検出するピーク電圧検出手段をさらに備え、
   前記電圧算出手段は、スイッチＳＷｔをオンした時に前記ピーク電圧検出手段により検出されるピーク電圧、スイッチＳＷt-1をオンした時に前記ピーク電圧検出手段により検出されるピーク電圧、および、スイッチオン時の１次側と２次側の巻き数比に基づいて、セルｓｔの電圧を算出することを特徴とする電圧検出回路。
3. 請求項１に記載の電圧検出回路において、
   前記変圧器の２次側で発生する擬似交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段をさらに備え、
   前記電圧算出手段は、スイッチＳＷｔをオンした時に前記ＡＣ／ＤＣ変換手段によって変換される直流電圧、スイッチＳＷt-1をオンした時に前記ＡＣ／ＤＣ変換手段によって変換される直流電圧、ＡＣ／ＤＣ変換比、および、スイッチオン時の１次側と２次側の巻き数比に基づいて、セルｓｔの電圧を算出することを特徴とする電圧検出回路。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電圧検出回路において、
   前記複数の１次巻線は、ｎ個の１次巻線であることを特徴とする電圧検出回路。

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