JP4501754B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、組電池などの電圧を検出する電圧検出装置に関する。

電動モータを用いて走行する電気自動車、エンジンと電動モータを併用して走行するハイブリッド車、あるいは、燃料電池自動車などが知られている。これらの自動車では、ニッケル水素電池、リチウム電池といった２次電池を単一セルとして複数個を多重接続した組電池や、大容量キャパシタを電動モータの電源として用いる。

組電池や大容量キャパシタは、これらの自動車の走行開始時、走行中、停止開始時等に電動モータや他のシステムに電力供給(放電)したり、モータの回生を使用して蓄電(充電)したりする。組電池は、大量に電力を放電したり、大量に電力を充電したりすると、過充電になったり、過放電になったりすることが知られている。このような過充電状態や過放電状態になると、液漏れ、異常発熱、電池寿命を短くする等、好ましくない状態になる。そのため、組電池の電圧を精度良く安全に検出する技術が必要である。

組電池の電圧を検出する技術の１例として、フライングキャパシタを利用して測定する技術が知られている（特許文献１参照）。この技術では、フライングキャパシタを利用して各セルごとに電圧を計測し、それらを積算して組電池の総電圧を検出する。

しかし、このフライングキャパシタ方式は、各セル毎に電圧を検出するため、検出毎にセル側およびＧＮＤなどの切り替えスイッチが大量に必要になり、高コスト化、制御の煩雑さが生じる。更に、スイッチの切り替え時間、キャパシタへの充電時間等により時間がかかるため計測応答が遅くなり、組電池の充電中や放電中の計測精度が悪くなる。大電力を充放電する装置では、応答速度や計測精度の悪さから、組電池が過放電や過電圧に陥るという問題があった。

特開２００３−１１４２４３号公報

そこで、組電圧の総電圧を一度で計測する電圧検出装置が考えられる。しかし、組電池の総電圧は５００Ｖにもなり、使用する上限値を考慮して、０〜５００Ｖまで使用できる電圧検出装置が必要となる。例えば、組電池の出力を１００分の１に減圧してＡ／Ｄ変換する場合、０〜５Ｖの範囲でＡ／Ｄ変換ができるＡ／Ｄ変換器が必要となる。より精度の高い組電池の電圧測定を求める場合、０〜５Ｖの範囲で精度よく測定できる高価なＡ／Ｄ変換器が必要となる。さらにビット誤差を考慮すると、ビット数の多い高価なＡ／Ｄ変換器が必要となる。

本発明は、組電池の総電圧などを安価に精度よく効率よく検出できる電圧検出装置を提供する。

本発明は、電圧検出装置に適用され、電圧検出対象から出力される電圧を入力し、所定の比率で変換した電圧を出力する変換手段と、変換手段から出力される電圧から所定の基準電圧を減算する減算手段と、減算手段により減算された電圧を所定の増幅率で増幅する増幅手段と、増幅手段により増幅された電圧に基づき電圧検出対象の電圧値を求める電圧値検出手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明は、以上説明したように構成しているので、電圧検出対象の出力電圧を高精度に測定することができる。特に、電圧検出対象の実使用電圧範囲を高精度、高分解能で測定することができる。

図１は、ハイブリッド車の組電池電圧検出システムを示す図である。組電池１の電圧は、電圧検出機能部２およびＣＰＵ３で検出される。検出された組電池１の電圧は、ＣＰＵ４に送信され種々の制御に使用される。ＣＰＵ４は、組電池１と負荷５との接続を、スイッチ６、７をオンオフすることにより制御する。

負荷５は、インバータ回路（不図示）やインバータ回路で駆動されるモータ（電動機）（不図示）などである。インバータ回路で駆動されるモータは、ハイブリッド車の駆動輪を駆動するモータなどである。ＣＰＵ３とＣＰＵ４の間は種々の信号がやり取りされる。電流検出センサ８は、組電池１と負荷５が接続されているときに流れる電流を検出し、検出信号をＣＰＵ３に送信する。

図２は、電圧検出機能部２とＣＰＵ３の詳細を示す図である。電圧検出機能部２は、電圧検出部１１、基準電位生成部１２、差動増幅回路１３、スイッチ１４、１５などからなる。ＣＰＵ３は、内部に制御部（プロセッサ）１７、メモリ（不図示）、周辺回路（不図示）などを有し、制御部１７は、メモリに格納されたプログラムを実行して種々の処理を行う。ＣＰＵ３はさらにＡ／Ｄ変換器１６を有し、制御部１７は、Ａ／Ｄ変換器１６からのデータを使用して種々の処理を行う。

組電池１は、ニッケル水素電池、リチウム電池といった２次電池を単一セルとして複数個を多重接続した組電池である。組電池１の単一セルあたりの実用電圧範囲は２Ｖ付近〜４．３Ｖ付近であるが、総電圧は数１００Ｖとなる。本実施の形態の組電池１は、総電圧最大５００Ｖの電圧とする。このような組電池１は、放電できなくなる電圧は必ずしも０Ｖ付近ではない。例えば、総電圧が２００Ｖ付近まで低下すると電圧が残っていても放電できなくなる。すなわち、組電池１の実使用電圧範囲は、２００Ｖ〜５００Ｖとなる。

図３は、本発明の原理を説明する図である。図３（ａ）において、横軸は電圧検出部１１の入力電圧、縦軸は電圧検出部１１の出力電圧である。電圧検出部１１は、入力電圧を１／１００に変換する。すなわち、０〜５００Ｖの入力電圧に対して０〜５Ｖの出力電圧を出力する。図３（ａ）にも示す通り、前述した０〜２００Ｖは組電池１では実際に使用されない電圧範囲である。このように実用途で使用しない電圧範囲については、電圧を正確に測定する必要はない。

そこで、本発明では、図３（ｂ）で示す通り、電圧検出部１１の出力２Ｖ〜５Ｖの範囲を０〜５Ｖに増幅することにより、実使用電圧範囲である２００〜３００Ｖの範囲のみを高精度に測定する。

図２を参照して、さらに詳しく説明する。ＣＰＵ３は、通常の測定時にはスイッチ１４およびスイッチ１５をオンにする。電圧検出部１１は、組電池１の０〜５００Ｖの電圧範囲を、１／１００の比率で変換して０〜５Ｖを出力し、差動増幅回路１３に入力する。

基準電位生成部１２は、２Ｖの基準電位を生成して出力する。基準電位は、組電池１の実使用電圧範囲の下限値２００Ｖを１／１００した値である。言い換えれば、組電池１の実使用電圧範囲の下限値に対応する電圧検出部１１の出力値である。組電池１の実使用電圧範囲の下限値とは、組電池１が正常に動作（充放電）しているとき、それ以上に下がらないとする電圧でもある。

差動増幅回路１３は、電圧検出部１１からの電圧と基準電位生成部１２からの電圧の差分を所定の増幅率で増幅して出力する。本実施の形態では、所定の増幅率は５／３倍である。すなわち、差動増幅回路１３は、電圧検出部１１からの電圧と基準電位生成部１２からの電圧の差分の最大値がＡ／Ｄ変換器１６のフルスケールである５Ｖの値となるように増幅する。

Ａ／Ｄ変換器１６は、差動増幅回路１３からのアナログ電圧をデジタル値に変換し、制御部１７に渡す。制御部１７は、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力値を３／５倍し、基準電位を足し算し、１００倍して組電池１の電圧を求める。すなわち、差動増幅回路１３で増幅された電圧の値と、差動増幅回路１３の増幅率と、電圧検出部１１の変換比率と、基準電圧の値とに基づき、組電池１の電圧値を求める。なお、基準電位に相当する組電池１の電圧を最後に足すように計算してもよい。

次に、測定精度について説明する。Ａ／Ｄ変換器１６が、０〜５Ｖの範囲を８ビット（２５６階調）の分解能で測定するＡ／Ｄ変換器であるとする。組電池１の電圧０〜５００Ｖが、電圧検出部１１で電圧変換されてそのままＡ／Ｄ変換器１６に入力されると、５００／２５６＝１．９５Ｖの分解能で測定される。

しかし、図２の回路のように、組電池１の２００Ｖ〜５００Ｖの電位差３００Ｖが、Ａ／Ｄ変換器１６のフルスケール５Ｖで入力されると、３００／２５６＝１．１７Ｖの分解能で測定される。その結果、分解能が向上し、高精度な電圧測定が可能となる。

図４は、ＣＰＵ３内部の制御部１７が行う処理のフローチャートを示す図である。車両のイグニッションキーのオンで開始する。このとき、図１におけるスイッチ６、７は、ＣＰＵ４によりまだオンされておらず、組電池１と負荷５は接続されていない。従って、組電池１は非充放電状態である。

まず、このような非充放電状態で、自己診断およびオフセット誤差の設定を行う。ステップＳ１では、スイッチ１４をオフする。イグニッションキーオン時には、スイッチ１４は通常オンされていないが、念のためオフの制御を行う。ステップＳ２では、スイッチ１５をＧＮＤ側に接続する。ステップＳ３では、電圧測定を行う。このとき、ノイズ除去の観点から、複数回サンプリングをして読み取りデータを積分し、加重平均を求める。単純平均をとってもよい。

通常、スイッチ１４をオフしている場合、電圧検出部１１の出力は０Ｖである。ただし、数ｍＶの電圧が出力される場合がある。この電圧は、非充放電時の誤差となるので、オフセット電圧として測定し、その後の充放電時の測定電圧からオフセット電圧を引算し、誤差のない制度の高い測定を実現する。このオフセット電圧は数ｍＶのオーダーであるが、これが数１０ｍＶ以上あるいは数１００ｍＶ以上の電圧として測定されると、電圧検出部１１などに何らかの異常が発生していると自己診断できる。

ステップＳ４では、読み取った電圧値が所定の値（例えば、数１００ｍＶ）以上かどうかを判断する。所定の値以上でないと判断するとステップＳ５に進み、所定の値以上であると判断するとステップＳ８に進む。ステップＳ８では、所定の値以上であるため電圧検出部１１に何らかの異常があると判断し、自己診断の結果エラーありとし、その結果をＣＰＵ４に送信する。ＣＰＵ４では、電圧検出機能部２等にエラーがあるとして、その結果をインストパネル等に表示しドライバーに警告する。

ステップＳ５では、測定値を誤差としてすなわちオフセット値としてＣＰＵ３の内部メモリに記録する。ステップＳ６では、スイッチ１４をオンする。ステップＳ７では、スイッチ１５を基準電位側に接続する。ステップＳ８では、電圧検出機能部２の自己診断が正常に終了した旨の信号をＣＰＵ４に送信する。ＣＰＵ４では、自己診断が正常に終了した旨の信号を受信した後、スイッチ６、７をオンして組電池１と負荷５との接続を行う。

ステップＳ９では、所定の間隔で組電池１の電圧測定を行う。すなわち、スイッチ１４をオンし、スイッチ１５を基準電位生成部１２に接続し、差動増幅回路１３を利用した高分解能な電圧測定を行う。組電池１に負荷５が接続され、充放電が行われている状態での電圧測定である。ここでも、ノイズ除去の観点から、複数回サンプリングをしてＡ／Ｄ変換器１６からの読み取りデータを積分し、加重平均あるいは単純平均をとる。組電池１の電圧測定は所定の間隔で繰り返し行われる。イグニッションキーのオフ操作、すなわち、車両の使用停止により処理を終了する。

以上のように構成された本実施の形態の組電池電圧検出システムでは、次のような効果を奏する。
（１）組電池１の実使用しない電圧範囲を差動増幅回路１３で差し引いて組電池１の電圧を測定するようにしたので、言い換えれば、実使用電圧範囲のみを電圧測定の対象範囲としたので、電圧測定の分解能を向上することができ、精度の高い電圧測定が実現できる。その結果、分解能の高いＡ／Ｄ変換器を使用しなくてもよく、コストが低減され、装置も大型化しない。さらに、計測誤差による組電池１の過充電、過放電がなくなる。
（２）組電池１の非充放電時に、すなわち負荷が接続されない状態で、オフセット誤差を測定するようにしたので、負荷の影響を受けない正確なオフセット誤差の取得ができる。その結果、さらに精度の高い電圧測定が可能となる。
（３）組電池１の非充放電時に、すなわち負荷が接続されない状態で、自己診断をするようにしたので、正確な自己診断可能となる。また、負荷の接続前に異常が検出できるので、異常がある状態で負荷を接続することによるトラブルを未然に防ぐことができる。
（４）スイッチ１４のオンおよびスイッチ１５の基準電位生成部１２への接続を行ってから、自己診断が終了した旨をＣＰＵ４へ送信しているので、負荷５が接続されるときには確実に精度の高い電圧測定が行われる。その結果、高精度な電圧測定のもとに、組電池１の充放電の制御が行われる。

（変形例１）
図５は、電圧検出機能部２とＣＰＵ３の詳細の変形例を示す図である。上記実施の形態の図２に対応する。図５では、スイッチ１４およびスイッチ１５の図が省略されている。上記実施の形態と異なるところは、新たな基準電位生成部２１の出力がＡ／Ｄ変換器１６に入力され、ＣＰＵ３の制御部１７は補正演算を追加して行う点である。

基準電位生成部２１の基準電位は、ＣＰＵ３の動作電源がずれた場合のＡ／Ｄ変換器１６の誤差を検出するものである。例えば、ＣＰＵ３の電源が、通常５Ｖのところ４．８Ｖにずれたとする。この場合、同じ電源を使用しているＣＰＵ３内部のＡ／Ｄ変換器１６の測定にも誤差が生じる。所定の基準電位をＡ／Ｄ変換器１６に入力して実際に測定をしてみて、電源がずれていることによる測定誤差を検出することができる。

このようにして測定された誤差をメモリに格納しておき、実際の測定時に、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力データに対してこの誤差を使用して補正演算をする。このようにして、さらに測定精度を向上することができる。

（変形例２）
図６は、電圧検出機能部２とＣＰＵ３の詳細の他の変形例を示す図である。上記実施の形態の図２に対応する。図６では、スイッチ１４およびスイッチ１５の図が省略されている。上記実施の形態と異なるところは、電圧検出部１１および基準電位生成部１２と差動増幅回路１３との間にチョッパ部２２が挿入されている点である。

チョッパ部２２は、電圧検出部１１の直流出力および基準電位生成部１２の直流出力を定期的に切断する。これにより、ドリフトや歪等の影響を低減することができ、さらに測定精度を向上させることができる。

なお、図６において、変形例１で説明した新たな基準電位を、変形例１と同様にＡ／Ｄ変換器１６に入力して測定するようにしてもよい。これにより、一層測定精度を向上させることができる。

（変形例３）
上記実施の形態では、図４にも示すように、オフセット誤差および自己診断をしたのちに、差動増幅回路１３による差分機能を使用した実使用電圧範囲の高精度な電圧測定を行うようにした。しかし、このような高精度な電圧測定は、所定電圧以上のとき、所定以上の電圧変化があったとき、所定電流以上のとき、あるいは、所定以上の電流変化があったときに行うようにしてもよい。

図７は、所定電圧以上のとき、所定以上の電圧変化があったとき、所定電流以上のとき、あるいは、所定以上の電流変化があったときに、高精度な電圧測定（所定検出精度による測定）行うことを説明する図である。所定電圧以上、所定以上の電圧変化、所定電流以上、所定以上の電流変化は、所定のサンプリングタイムで測定される組電池１の電圧値や、電流センサ８により測定される電流値などに基づき、ＣＰＵ３の制御部１７が演算により求める。

このようにすることにより、真に精度の高い測定値が必要なときのみ高精度な測定を行うので、ＣＰＵ３の演算負荷などが軽減される。

上記実施の形態では、組電池１の電圧を測定する例で説明したが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。単一セルの電池の電圧を測定する場合であってもよい。また、大容量キャパシタの電圧を測定する場合であってもよい。さらに、電圧を出力する対象物のすべての電圧測定に適用することができる。

上記実施の形態では、組電池１の直流電圧を測定する例で説明したが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。本発明の基本的な原理は、交流電圧を測定する場合にも適用できる。

上記実施の形態では、自己診断として、スイッチ１４をオフし、電圧検出部１１の出力が所定電圧以上の場合異常ありとする例を説明した。さらに、スイッチ１４をオンした状態で、スイッチ１５をＧＮＤ側に接続したとき基準電位以上の電圧を測定し、スイッチ１５を基準電位側に接続したとき０Ｖの電圧を測定するような場合も、電圧検出部１１等に異常があると自己診断してもよい。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

以下、本発明の構成要素と上記実施の形態の構成要素との対応付けについて説明する。本発明の電圧検出装置は電圧検出機能部２およびＣＰＵ３に対応し、電圧検出対象は組電池１に対応し、所定の比率は１／１００倍に対応し、変換手段は電圧検出部１１に対応し、所定の基準電圧は基準電位生成部１２からの出力電圧に対応し、減算手段は差動増幅回路１３に対応し、増幅率は３／２倍に対応し、増幅手段は差動増幅回路１３に対応し、電圧値検出手段はＡ／Ｄ変換器１６および制御部１７を有するＣＰＵ３に対応する。電圧検出対象が正常に動作しているときとは組電池１が負荷に接続され正常に充放電をしているときに対応し、電圧検出対象の電圧がそれ以下に低下しないとされる電圧とは組電池１の実使用電圧範囲の下限値２００Ｖに対応する。

また、負荷接続判断手段はＣＰＵ３に対応し、図４のステップＳ８で自己診断終了信号を送信したかまだ送信していないかで判断することに対応する。さらに、減算制御手段はＣＰＵ３とスイッチ１５に対応し、誤差検出手段はＣＰＵ３に対応し、入力制御手段はＣＰＵ３とスイッチ１４に対応し、自己診断手段はＣＰＵ３に対応する。なお、以上の対応付けの説明はあくまで一例であり、本発明はこの対応付けに限定して解釈されるものではない。

ハイブリッド車の組電池電圧検出システムを示す図である。 電圧検出機能部２とＣＰＵ３の詳細を示す図である。 本発明の原理を説明する図である。 ＣＰＵ３内部の制御部１７が行う処理のフローチャートを示す図である。 電圧検出機能部２とＣＰＵ３の詳細の変形例を示す図である。 電圧検出機能部２とＣＰＵ３の詳細の他の変形例を示す図である。 所定電圧以上のとき、所定以上の電圧変化があったとき、所定電流以上のとき、あるいは、所定以上の電流変化があったときに、高精度な電圧測定行うことを説明する図である。

符号の説明

１ 組電池
２ 電圧検出機能部
３、４ ＣＰＵ
５ 負荷
６、７ スイッチ
８ 電流検出センサ
１１ 電圧検出部
１２ 基準電位生成部
１３ 差動増幅回路
１４、１５ スイッチ
１６ Ａ／Ｄ変換器
１７ 制御部
２１ 基準電位生成部
２２ チョッパ部

Claims (10)

1. 電圧検出装置であって、
   組電池から出力される電圧を入力し、所定の比率で変換した電圧を出力する変換手段と、
   前記変換手段から出力される電圧から所定の基準電圧を減算する減算手段と、
   前記減算手段により減算された電圧を所定の増幅率で増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段により増幅された電圧に基づき前記組電池の電圧値を求める電圧値検出手段とを備え、
   前記基準電圧は、前記組電池の実使用電圧範囲の下限電圧を前記所定の比率で変換した電圧であることを特徴とする電圧検出装置。
2. 請求項１に記載の電圧検出装置において、
   前記減算手段は、差動増幅回路により構成されることを特徴とする電圧検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の電圧検出装置において、
   前記電圧値検出手段は、前記増幅手段により増幅された電圧の値と、前記所定の比率と、前記基準電圧あるいは前記基準電圧に対応する前記組電池の電圧の値と、前記増幅率とに基づき前記組電池の電圧値を求めることを特徴とする電圧検出装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電圧検出装置において、
   前記電圧値検出手段は、前記増幅手段により増幅された電圧を入力してデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換手段を有することを特徴とする電圧検出装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の電圧検出装置において、
   前記組電池が負荷に接続されているか否かを判断する負荷接続判断手段と、
   前記減算手段において前記変換手段から出力される電圧から基準電圧を減算するか減算しないかを制御する減算制御手段と、
   前記電圧検出装置の誤差を求める誤差検出手段とを備え、
   前記誤差検出手段は、前記負荷接続判断手段が前記組電池が負荷に接続されていないと判断し、前記減算制御手段が前記変換手段から出力される電圧から基準電圧を減算しないように制御しているとき、前記電圧値検出手段により求められた前記組電池の電圧値に基づき前記誤差を求めることを特徴とする電圧検出装置。
6. 請求項５に記載の電圧検出装置において、
   前記組電池から出力される電圧の前記変換手段への入力のオンオフを制御する入力制御手段をさらに備え、
   前記誤差検出手段は、前記負荷接続判断手段が前記組電池が負荷に接続されていないと判断し、前記減算制御手段が前記変換手段から出力される電圧から基準電圧を減算しないように制御し、前記入力制御手段が前記組電池から出力される電圧の前記変換手段への入力をオフするように制御しているとき、前記電圧値検出手段により求められた電圧値に基づき前記誤差をオフセット誤差として求め、
   前記電圧値検出手段は、前記減算制御手段が前記変換手段から出力される電圧から基準電圧を減算するように制御し、前記入力制御手段が前記組電池から出力される電圧の前記変換手段への入力をオンするように制御しているとき、前記オフセット誤差を考慮して前記組電池の電圧値を求めることを特徴とする電圧検出装置。
7. 請求項１から４のいずれかに記載の電圧検出装置において、
   前記組電池が負荷に接続されているか否かを判断する負荷接続判断手段と、
   前記減算手段において前記変換手段から出力される電圧から基準電圧を減算するか減算しないかを制御する減算制御手段と、
   前記電圧検出装置の自己診断を行う自己診断手段とを備え、
   前記自己診断手段は、前記負荷接続判断手段が前記組電池が負荷に接続されていないと判断し、前記減算制御手段が前記変換手段から出力される電圧から基準電圧を減算しないように制御しているとき、前記電圧値検出手段により求められた電圧値に基づき前記自己診断を行うことを特徴とする電圧検出装置。
8. 請求項７に記載の電圧検出装置において、
   前記組電池から出力される電圧の前記変換手段への入力のオンオフを制御する入力制御手段をさらに備え、
   前記自己診断手段は、前記負荷接続判断手段が前記組電池が負荷に接続されていないと判断し、前記減算制御手段が前記変換手段から出力される電圧から基準電圧を減算しないように制御し、前記入力制御手段が前記組電池から出力される電圧の前記変換手段への入力をオフするように制御しているとき、前記電圧値検出手段により求められた電圧値が所定の値以上であると判断すると異常があると自己診断することを特徴とする電圧検出装置。
9. 請求項１から４のいずれかに記載の電圧検出装置において、
   前記減算手段において前記変換手段から出力される電圧から基準電圧を減算するか減算しないかを制御する減算制御手段をさらに備え、
   前記減算制御手段は、前記組電池の電圧が所定の電圧以上であるとき、前記組電池の電圧変化が所定の電圧以上であるとき、前記組電池から負荷へ流れる電流が所定の電流以上であるとき、前記組電池から負荷へ流れる電流変化が所定の電流以上であるときのいずれかを検出したとき、前記減算手段において前記変換手段から出力される電圧から基準電圧を減算するよう制御することを特徴とする電圧検出装置。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の電圧検出装置において、
    前記組電池は、車両の電動機の駆動に使用される組電池、大容量キャパシタ、単一セル電池のいずれかであることを特徴とする電圧検出装置。

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