JP4508977B2 - 組電池電圧測定装置及び組電池電圧測定方法 - Google Patents

組電池電圧測定装置及び組電池電圧測定方法 Download PDF

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Description

本発明は、たとえば車両用の複数の蓄電部材からなる組電池の電圧を測定する組電池電圧測定装置及び組電池電圧測定方法に関する。
たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池車等では、二次電池や燃料電池からなる組電池を搭載している。その組電池は、互いに直列接続した多数の電池モジュールにより構成されている。
ところで、各電池モジュールの電圧測定にあっては、各電池モジュールの電位が高く、かつそれぞれの電位が異なるために、各電池モジュールを出力側の差動電圧検出回路の基準電位から絶縁可能なフライングキャパシタ式が適している。
図6〜図8は、このようなフライングキャパシタ式により組電池の電圧を測定する場合の組電池電圧測定装置による測定手順を示す図である。まず、図6に示すように、測定対象の蓄電部材1の電極端子に高圧側SW(スイッチ)H11,H12を接続し、電荷中継コンデンサC1に電荷を充電する。
次いで、図7に示すように、電荷中継コンデンサC1に十分に電荷が貯まった時点で高圧側SW(スイッチ)H11,H12を開放し、低圧側SW(スイッチ)L11,L12を接続し、アナログデジタル変換I/F40を介してマイコン41により蓄電部材電圧を演算処理によって検出する。その後、コンデンサ電荷放電回路42を介して電荷中継コンデンサC1の電荷を放電し、併せて低圧側SW(スイッチ)L11,L12を開放する。
次いで、図8に示すように、測定対象の蓄電部材2の電極端子に高圧側SW(スイッチ)H21,H22を接続し、電荷中継コンデンサC1に電荷を充電する。
電荷中継コンデンサC1に十分に電荷が貯まった時点で、上記同様に、高圧側SW(スイッチ)H21,H22を開放し、低圧側SW(スイッチ)L11,L12を接続し、アナログデジタル変換I/F40を介してマイコン41により蓄電部材電圧を演算処理によって検出する。
その後、コンデンサ電荷放電回路42を介して電荷中継コンデンサC1の電荷を放電し、併せて低圧側SW(スイッチ)L11,L12を開放する。このような手順を蓄電部材3以降に対しても順次行う。そして、全ての蓄電部材電圧を測定する。
また、フライングキャパシタ式により組電池の電圧を測定するものとして、特許文献1では、各電池モジュールの電圧が電流制限抵抗を通じて順次フライングキャパシタに読み込まれ、出力側サンプリングスイッチを通じて差動電圧検出回路に出力されると、データ処理回路により、所定の電池モジュールの電圧を読み込んだフライングキャパシタの電位差からなる計測データが異なるタイミングで複数回読み込まれて電圧減衰特性が演算され、この電圧減衰特性に基づいて電池モジュールの電圧がフライングキャパシタに読み込まれた直後の電位差が推定されるようにしたフライングキャパシタ式組電池電圧検出装置を提案している。
特開2002−291167号公報
ところで、上述の図6〜図7に示した電圧測定方法では、電荷中継コンデンサC1からアナログデジタル変換I/F40へ安定した電荷を供給する必要があるため、電荷中継コンデンサC1の容量を大きくする必要があり、しかも高圧車両のように蓄電部材の数量が多い場合では全ての蓄電部材の電圧測定に時間がかかるという問題があった。
また、上述した特許文献1でも同様に、フライングキャパシタから差動電圧検出回路等へ安定した電荷を供給する必要があるため、フライングキャパシタの容量を大きくする必要があり、しかも高圧車両のように電池モジュールの数量が多い場合では全ての電池モジュールの電圧測定に時間がかかるという問題があった。
また、上述の図6〜図7に示した電圧測定方法及び特許文献1では、実車動作状態において、車両負荷補機の変動による動的な電圧監視に対して遅延影響が大きく、全体の正確な電圧や個別の電圧状態が把握できないという問題もあった。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決することができる組電池電圧測定装置及び組電池電圧測定方法を提供することを目的とする。
本発明の組電池電圧測定装置は、複数の蓄電部材からなる組電池の電圧を前記蓄電部材毎に測定する組電池電圧測定装置であって、個々の前記蓄電部材の電荷を充電する電荷中継コンデンサと、前記充電が行われる際、前記電荷中継コンデンサの飽和推定時間に相当する期間でのオンによって個々の前記蓄電部材の電極端子を前記電荷中継コンデンサの両端に接続する高圧側スイッチ手段と、前記高圧側スイッチ手段がオフされた後、オンによって前記電荷中継コンデンサの両端に接続される低圧側スイッチ手段と、前記高圧側スイッチ手段と前記低圧側スイッチ手段のオン/オフのタイミングを制御し、前記低圧側スイッチ手段を介して得られる前記電荷中継コンデンサの両端の電位差を演算処理して個々の前記蓄電部材の電圧を検出する制御手段とを備え、前記制御手段は、電源起動時において、前記高圧側スイッチ手段のオン時間を前記飽和推定時間とその飽和推定時間より短い時間とで制御し、それぞれにおいて検出される前記蓄電部材の電圧からその蓄電部材の真の電圧を得るための補正係数を求めた後、その求めた補正係数を用い前記飽和推定時間より短い時間に応じて前記電位差を演算処理し、さらに、前記制御手段は、前記高圧側スイッチ手段のオン時間を前記飽和推定時間より短い時間で種々制御し、それぞれにおいて検出される前記蓄電部材の電圧に応じてその蓄電部材の真の電圧を得るための補正係数を求め、その求めた補正係数を平均化した平均値を用い、前記飽和推定時間より短い時間に応じて前記電位差を演算処理することを特徴とする。
また、前記制御手段は、前記補正係数を用い前記飽和推定時間より短い時間に応じて行う前記電位差の演算処理を電源がオフされるまでの間、前記複数の蓄電部材に対し順次実行するようにすることができる。
また、前記補正係数は、前記蓄電部材毎に求められるものであるようにすることができる。
本発明の組電池電圧測定方法は、複数の蓄電部材からなる組電池の電圧を前記蓄電部材毎に測定する組電池電圧測定方法であって、個々の前記蓄電部材の電荷が電荷中継コンデンサに充電される際、高圧側スイッチ手段を前記電荷中継コンデンサの飽和推定時間に相当する期間でオンし、個々の前記蓄電部材の電極端子が前記電荷中継コンデンサの両端に接続されるように制御する工程と、前記高圧側スイッチ手段がオフされた後、低圧側スイッチ手段をオンし、前記電荷中継コンデンサの両端に接続されるように制御する工程と、
前記低圧側スイッチ手段を介して得られる前記電荷中継コンデンサの両端の電位差を演算処理して個々の前記蓄電部材の電圧を検出する工程とを有し、電源起動時において、前記高圧側スイッチ手段のオン時間を前記飽和推定時間とその飽和推定時間より短い時間とで制御し、それぞれにおいて検出される前記蓄電部材の電圧からその蓄電部材の真の電圧を得るための補正係数を求めた後、その求めた補正係数を用い前記飽和推定時間より短い時間に応じて前記電位差を演算処理し、さらに、前記高圧側スイッチ手段のオン時間を前記飽和推定時間より短い時間で種々制御し、それぞれにおいて検出される前記蓄電部材の電圧に応じてその蓄電部材の真の電圧を得るための補正係数を求め、その求めた補正係数を平均化した平均値を用い、前記飽和推定時間より短い時間に応じて前記電位差を演算処理することを特徴とする。
また、前記補正係数を用い前記飽和推定時間より短い時間に応じて行う前記電位差の演算処理を電源がオフされるまでの間、前記複数の蓄電部材に対し順次実行するようにすることができる。
また、前記補正係数は、前記蓄電部材毎に求められるものであるようにすることができる。
本発明の組電池電圧測定装置及び組電池電圧測定方法では、制御手段により、電源起動時において、高圧側スイッチ手段のオンタイミングを電荷中継コンデンサの飽和推定時間とその飽和推定時間より短い時間とで制御し、それぞれにおいて検出される蓄電部材の電圧からその蓄電部材の真の電圧を得るための補正係数を求めた後、その求めた補正係数を用い飽和推定時間より短い時間に応じて電位差を演算処理するようにしたので、補正係数を求めた後では電荷中継コンデンサの飽和推定時間より短い時間で複数の蓄電部材の電圧を測定することができる。
本発明の組電池電圧測定装置及び組電池電圧測定方法によれば、補正係数を求めた後では電荷中継コンデンサの飽和推定時間より短い時間で複数の蓄電部材の電圧を測定することができることから、電荷中継コンデンサの容量を必要最小限にでき、しかも蓄電部材の数量が多い場合でもそれらの電圧測定を短時間で行うことができ、車両負荷補機の変動による動的な電圧監視に対しても遅延影響を少なくでき、全体の正確な電圧や個別の電圧状態を確実に把握することができる。
本実施形態では、制御手段により、電源起動時において、高圧側スイッチ手段のオンタイミングを電荷中継コンデンサの飽和推定時間とその飽和推定時間より短い時間とで制御し、それぞれにおいて検出される蓄電部材の電圧からその蓄電部材の真の電圧を得るための補正係数を求めた後、その求めた補正係数を用い飽和推定時間より短い時間に応じて電位差を演算処理するようにし、補正係数を求めた後では電荷中継コンデンサの飽和推定時間より短い時間で複数の蓄電部材の電圧を測定することで、電荷中継コンデンサの容量を必要最小限にし、しかも蓄電部材の数量が多い場合でもそれらの電圧測定を短時間で行い、車両負荷補機の変動による動的な電圧監視に対しても遅延影響を少なくし、全体の正確な電圧や個別の電圧状態を確実に把握するようにした。
図1は、本発明の組電池電圧測定装置の一実施例に係る基本構成を説明するための図、図2〜5は、図1の組電池電圧測定装置による組電池電圧測定方法を説明するための図である。なお、以下に説明する図において、図6〜図8と共通する部分には同一符号を付し重複する説明を適宜行うものとする。
図1に示すように、組電池電圧測定装置は、伝送路抵抗Ra,Rb、高圧側SW(スイッチ)H1、電荷中継コンデンサC1、低圧側SW(スイッチ)L1、アナログデジタル変換I/F40、マイコン41A、コンデンサ電荷放電回路42を備えている。
なお、本実施例での組電池電圧測定装置の構成は、基本的に図6〜図8に示したものと同じであるが、制御手段としてのマイコン41Aによる蓄電部材電圧を検出するための演算処理が従来とは異なっている。
すなわち、マイコン41Aは、高圧側スイッチ手段としての高圧側SW(スイッチ)H1を切り替え時間であるt1で制御し、低圧側スイッチ手段としての低圧側SW(スイッチ)L1を切り替え時間であるt2で制御するとともに、車両電源起動時の初回測定時のみ各蓄電部材1,2,3・・・の補正係数を求め、車両電源起動時以降はその補正係数を用いて各蓄電部材1,2,3・・・の電圧を測定する。なお、切り替えタイミングであるt1,t2、補正係数については後述する。
次に、組電池電圧測定方法について説明する。
まず、基本的な組電池電圧測定方法では、マイコン41Aからのonの切り替えタイミングであるt1により、図2(b)のように高圧側SW(スイッチ)H1がonとなり、蓄電部材1の電荷が電荷中継コンデンサC1に充電される。
ここで、蓄電部材1から伝送路抵抗Ra,Rbを介して電荷中継コンデンサC1に充電する際の回路時定数をT{C1・(Ra+Rb)}とすると、図2(a)のように切り替えタイミングであるt1のon時間を10T程度とすることで、99.99%程度まで電荷中継コンデンサC1への充電が可能となる。ここで、10Tは、電荷中継コンデンサC1の飽和推定時間に相当する。
そこで、T{C1・(Ra+Rb)}よりも十分長い時間だけ経過した後、マイコン41Aからの切り替えタイミングであるt1をoffとし、高圧側SW(スイッチ)H1をoffさせる。この場合、高圧側と定圧側との絶縁を確保するために、低圧側SW(スイッチ)L1はoff のままとしておく。
次いで、電荷中継コンデンサC1の両端の電位差を測定するために、マイコン41Aからのonの切り替えタイミングであるt2により、図2(c)のように低圧側SW(スイッチ)L1をonする。そして、アナログデジタル変換I/F40を介してマイコン41Aによる電荷中継コンデンサC1の両端の電位差の演算処理により、蓄電部材電圧が検出される。
その後、マイコン41Aの制御によりコンデンサ電荷放電回路42を介して電荷中継コンデンサC1の電荷が放電され、併せてマイコン41Aからのoff の切り替えタイミングであるt2により、低圧側SW(スイッチ)L1がoff される。
以降、蓄電部材2から順に上記同様の手順で、蓄電部材電圧が演算処理によって検出される。
ここで、マイコン41Aによるアナログデジタル変換I/F40を介して得られる読み込み値をV(t)とすると、
V(t)=V0 {1−e^(−10T/T)}≒V0
となる。ただし、V0 は各蓄電部材1,2,3・・・の真の電圧値である。
また、図2(d)のように切り替えタイミングであるt1のon時間を、電荷中継コンデンサC1の飽和推定時間より十分短いTとし、図2(e)のように高圧側SW(スイッチ)H1をonさせ、その後、図2(f)のようにマイコン41Aからのonの切り替えタイミングであるt2により、低圧側SW(スイッチ)L1をonさせる。
この場合、アナログデジタル変換I/F40を介してマイコン41Aにより蓄電部材電圧を演算処理によって検出したときのV0 は、
V0 ≒V(t)/(1−e^−1)=V(t)/0.632
となる。
本実施例では、車両電源起動時において、各蓄電部材1,2,3・・・での切り替えタイミングであるt1のon時間を種々変更して電荷中継コンデンサC1の充電時間を種々変更し、それぞれにおいて得られる各蓄電部材1,2,3・・・毎の複数の蓄電部材電圧から各蓄電部材1,2,3・・・毎の補正係数を求めるようにしている。各蓄電部材1,2,3・・・毎の補正係数を求めるに際しては、測定精度を高めるために、電荷中継コンデンサC1の充電時間を少なくとも2種以上とすることが好ましい。
すなわち、図3に示すように、電荷中継コンデンサC1の充電時間をTとした場合、
V(t=T)=V0 {(1−e^(−T/T)}≒V0 ・0.632
となる。
また、電荷中継コンデンサC1の充電時間を2Tとした場合、
V(t=2T)=V0 {(1−e^(−2T/T)}≒V0 ・0.865
となる。
ちなみに、電荷中継コンデンサC1の充電時間を10Tとした場合、
V(t=10T)=V0 {(1−e^(−10T/T)}≒V0
となる。
そこで、電荷中継コンデンサC1の充電時間をTとした場合の補正係数kは、以下の式より導き出すことができる。
V0 =V(t=t1(on))/{1−e^(−t1(on)/T)}・k
ここで、t1(on)は、上述したように、電荷中継コンデンサC1の飽和推定時間より短い時間である。また、この補正係数kは、たとえば電荷中継コンデンサC1の充電時間をTとした場合と、電荷中継コンデンサC1の充電時間を2Tとした場合の平均値である。なお、補正係数kは、電荷中継コンデンサC1の充電時間をT,2Tよりさらに複数とすることで、精度の高い値とすることができる。
次に、組電池電圧測定方法の具体例について説明する。
まず、図4に示すように、車両電源がonされると(ステップS1)、マイコン41Aによる初期処理が実行される(ステップS2)。ここでは、図5(a)に示すように、蓄電部材1における処理周期A1であるt=10TでのV(10T)≒V0 が計測され、処理周期A2であるt=2TでのV(2T)≒V0・0.865 が計測され、処理周期Bであるt=TでのV(T)≒V0・0.632 が計測され、その後、蓄電部材1の補正係数k1が算出される。
次いで、蓄電部材2における処理周期A1であるt=10TでのV(10T)≒V0 が計測され、処理周期A2であるt=2TでのV(2T)≒V0・0.865 が計測され、処理周期Bであるt=TでのV(T)≒V0・0.632 が計測され、その後、蓄電部材2の補正係数k2が算出される。
以降、同様にして蓄電部材nまでの処理周期A1であるt=10TでのV(10T)≒V0 が計測され、処理周期A2であるt=2TでのV(2T)≒V0・0.865 が計測され、処理周期Bであるt=TでのV(T)≒V0・0.632 が計測され、その後、蓄電部材nまでの補正係数knが算出される。なお、このような補正係数knの算出は、車両電源がonされた初回のみ実行されるものである。
このようにして蓄電部材nまでの個々の補正係数knが算出された後、図5(b)に示すような通常処理が実行される(ステップS3)。ここでは、まず蓄電部材1の計測が行われる。すなわち、処理周期Bであるt=TでのV(T)が計測され、演算処理により、V0 =V(T)/(0.632・k1)が求められる。
次いで、蓄電部材2の計測が同様にして行われ、処理周期Bであるt=TでのV(T)が計測された後、演算処理により、V0 =V(T)/(0.632・k2)が求められる。
以降、蓄電部材nまでの計測が同様にして行われ、処理周期Bであるt=TでのV(T)が計測された後、演算処理により、V0 =V(T)/(0.632・kn)が求められる。
蓄電部材1〜蓄電部材nまでの計測とV0 の演算処理の1順目を終了した後、所定時間経過後に、上記同様の通常処理により蓄電部材1〜蓄電部材nまでの計測とV0 の演算処理の2順目が実行される。以降、同様にして、車両電源がoff されるまでの間、蓄電部材1〜蓄電部材nまでの計測とV0 の演算処理とが繰り返し実行される。
このように、本実施例では、マイコン41Aにより、車両電源起動時において、高圧側SW(スイッチ)H1のオンタイミングを電荷中継コンデンサC1の飽和推定時間とその飽和推定時間より短い時間とで制御し、それぞれにおいて検出される蓄電部材1,2,3・・・の電圧からそれぞれの蓄電部材1,2,3・・・の真の電圧を得るための補正係数k1〜knを求めた後、その求めた補正係数k1〜knを用い、飽和推定時間より短い時間に応じて電位差を演算処理するようにし、補正係数k1〜knを求めた後では電荷中継コンデンサC1の飽和推定時間より短い時間で複数の蓄電部材1,2,3・・・の電圧を測定するようにしたので、電荷中継コンデンサC1の容量を必要最小限にでき、しかも蓄電部材1,2,3・・・の数量が多い場合でもそれらの電圧測定を短時間で行うことができ、車両負荷補機の変動による動的な電圧監視に対しても遅延影響を少なくでき、全体の正確な電圧や個別の電圧状態を確実に把握することができる。
車両用組電池の電圧の測定に限らず、車両用以外の組電池の電圧の測定においても適用可能である。
本発明の組電池電圧測定装置の一実施例に係る基本構成を説明するための図である。 図1の組電池電圧測定装置による組電池電圧測定方法を説明するための図である。 図1の組電池電圧測定装置による組電池電圧測定方法を説明するための図である。 図1の組電池電圧測定装置による制御処理手順を示すフローチャートである。 図1の組電池電圧測定装置による具体的な組電池電圧測定方法を説明するための図である。 従来の組電池電圧測定装置を説明するための図である。 図6の組電池電圧測定装置による組電池電圧測定方法を説明するための図である。 図6の組電池電圧測定装置による組電池電圧測定方法を説明するための図である。
符号の説明
1,2,3・・・ 蓄電部材
40 アナログデジタル変換I/F
41A マイコン
42 コンデンサ電荷放電回路
C1 電荷中継コンデンサ
H1 高圧側SW(スイッチ)(高圧側スイッチ手段)
k1〜kn 補正係数
L1 低圧側SW(スイッチ)(低圧側スイッチ手段)
Ra,Rb 伝送路抵抗

Claims (6)

  1. 複数の蓄電部材からなる組電池の電圧を前記蓄電部材毎に測定する組電池電圧測定装置であって、
    個々の前記蓄電部材の電荷を充電する電荷中継コンデンサと、
    前記充電が行われる際、前記電荷中継コンデンサの飽和推定時間に相当する期間でのオンによって個々の前記蓄電部材の電極端子を前記電荷中継コンデンサの両端に接続する高圧側スイッチ手段と、
    前記高圧側スイッチ手段がオフされた後、オンによって前記電荷中継コンデンサの両端に接続される低圧側スイッチ手段と、
    前記高圧側スイッチ手段と前記低圧側スイッチ手段のオン/オフのタイミングを制御し、前記低圧側スイッチ手段を介して得られる前記電荷中継コンデンサの両端の電位差を演算処理して個々の前記蓄電部材の電圧を検出する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、電源起動時において、前記高圧側スイッチ手段のオン時間を前記飽和推定時間とその飽和推定時間より短い時間とで制御し、それぞれにおいて検出される前記蓄電部材の電圧からその蓄電部材の真の電圧を得るための補正係数を求めた後、その求めた補正係数を用い前記飽和推定時間より短い時間に応じて前記電位差を演算処理し、
    さらに、前記制御手段は、前記高圧側スイッチ手段のオン時間を前記飽和推定時間より短い時間で種々制御し、それぞれにおいて検出される前記蓄電部材の電圧に応じてその蓄電部材の真の電圧を得るための補正係数を求め、その求めた補正係数を平均化した平均値を用い、前記飽和推定時間より短い時間に応じて前記電位差を演算処理する
    ことを特徴とする組電池電圧測定装置。
  2. 前記制御手段は、前記補正係数を用い前記飽和推定時間より短い時間に応じて行う前記電位差の演算処理を電源がオフされるまでの間、前記複数の蓄電部材に対し順次実行することを特徴とする請求項1に記載の組電池電圧測定装置。
  3. 前記補正係数は、前記蓄電部材毎に求められるものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の組電池電圧測定装置。
  4. 複数の蓄電部材からなる組電池の電圧を前記蓄電部材毎に測定する組電池電圧測定方法であって、
    個々の前記蓄電部材の電荷が電荷中継コンデンサに充電される際、高圧側スイッチ手段を前記電荷中継コンデンサの飽和推定時間に相当する期間でオンし、個々の前記蓄電部材の電極端子が前記電荷中継コンデンサの両端に接続されるように制御する工程と、
    前記高圧側スイッチ手段がオフされた後、低圧側スイッチ手段をオンし、前記電荷中継コンデンサの両端に接続されるように制御する工程と、
    前記低圧側スイッチ手段を介して得られる前記電荷中継コンデンサの両端の電位差を演算処理して個々の前記蓄電部材の電圧を検出する工程とを有し、
    電源起動時において、前記高圧側スイッチ手段のオン時間を前記飽和推定時間とその飽和推定時間より短い時間とで制御し、それぞれにおいて検出される前記蓄電部材の電圧からその蓄電部材の真の電圧を得るための補正係数を求めた後、その求めた補正係数を用い前記飽和推定時間より短い時間に応じて前記電位差を演算処理し、
    さらに、前記高圧側スイッチ手段のオン時間を前記飽和推定時間より短い時間で種々制御し、それぞれにおいて検出される前記蓄電部材の電圧に応じてその蓄電部材の真の電圧を得るための補正係数を求め、その求めた補正係数を平均化した平均値を用い、前記飽和推定時間より短い時間に応じて前記電位差を演算処理する
    ことを特徴とする組電池電圧測定方法。
  5. 前記補正係数を用い前記飽和推定時間より短い時間に応じて行う前記電位差の演算処理を電源がオフされるまでの間、前記複数の蓄電部材に対し順次実行することを特徴とする請求項4に記載の組電池電圧測定方法。
  6. 前記補正係数は、前記蓄電部材毎に求められるものであることを特徴とする請求項4又は5に記載の組電池電圧測定方法。
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