JP4531608B2

JP4531608B2 - 電池電圧測定装置

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Publication number: JP4531608B2
Application number: JP2005098596A
Authority: JP
Inventors: 学宮本
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006275928A; US7417438B2; US20060220461A1

Description

本発明は、複数の二次電池が直列接続されて構成された電源装置における電池電圧を検出する電池電圧測定装置に係り、特に、電圧測定に係る信号線の断線時において、信号線の断線を速やかに検出する電池電圧測定装置に関する。

従来から、車両走行用の駆動源としてエンジンの他にモータを備えたハイブリッド車両が知られている。このハイブリッド車両の制御（モード）の一種に、モータでエンジンの出力を補助するパラレルハイブリッド車がある。このパラレルハイブリッド車は、例えば、加速時においてはモータによってエンジンの出力をアシストし、減速時においては、減速回生によってバッテリ等への充電を行うなど、様々な制御を行い、バッテリの残容量を確保しつつ運転者の要求を満足できるようになっている。そして、このバッテリは、高電圧が要求されるため、通常複数の電池セルを直列接続して構成されている。

従来から、このバッテリの電圧検出のために、複数の電圧センサが用いられている。バッテリを構成する直列接続された複数の電池セルは、適当数ずつ分割してモジュール化されている。複数の電圧センサは、それぞれのモジュールに対して設けられ、電圧測定線によって各モジュールと接続されている。

この電圧測定線に断線が発生した場合は、断線を即座に検知し、フェイルセーフアクションを取ることが重要となる。そのため、特許文献１に示す技術では、各モジュールに電圧測定線の断線を検出するために、一般的には、半導体集積回路で構成される電圧センサや、フィルタ部分とは別に測定線断線検出用抵抗が接続されている。図４は、この特許文献１に示された電圧測定装置を示す図である。図４に示された電圧測定装置では、断線検出用抵抗２−１〜２−ｎが配置されている。この電圧測定装置では断線検出用抵抗２の抵抗値が、各モジュールごとに交互に異なって配置されている。図４に示した装置では、例えば、電圧測定線Ｑが断線した場合、電圧センサ４−１および４−２で検出される電圧値は、それぞれ測定線断線検出用抵抗２−１、２−２の抵抗比に伴った電圧値となる。これにより、正常時には検出されない電圧が電圧センサ４−１、４−２によって検出され、この結果、電圧測定線の断線が速やかに検知されることが可能となる。
特開２００１−１１６７７６号公報

しかしながら、従来の電圧測定装置では各モジュールに並列に測定線断線検出用抵抗２−１〜２−ｎを挿入しなければならず、この抵抗は、待機時の電流（暗電流）を抑えるために数ＭΩのものを用意する必要があった。しかし、得られる抵抗値には限界があり、抵抗値で制限される電流以下に暗電流を低くすることは困難であった。

本発明の一態様による電圧測定装置によれば、電圧測定線を介して、２次電池の出力する電圧が入力される複数の電圧入力端子と、各電圧入力端子間に接続された複数の電圧センサと、前記複数の電圧入力端子に接続され、前記電圧測定線が非断線状態の時には接続された前記電圧入力端子対して所定の電流を供給する複数の定電流源とを有している。

このように構成することにより、電圧測定線の断線時には、電圧入力端子に定電流源からの電流が流れることが出来なくなるため、電圧センサにおいて、異常電圧を検出する。

定電流源を断線検出に必要な最低限の電流値に設定することによって、無駄な暗電流が削減でき、電圧測定装置の消費電流を抑えることが可能となる。

実施の形態１
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１の電圧測定装置を説明する概略図である。図１に示すように実施の形態１では複数の２次電池１０−１〜１０−ｎが直列に接続されている。ここでは１０−１から１０−ｎは、ひとつの電池として示されているが、それぞれが複数の電池を直列接続して構成したモジュール化されたものであっても構わない。各２次電池の両端は、電圧測定装置の電圧入力端子Ｖ１〜Ｖｎ＋１に電圧測定線Ｌ１〜Ｌｎ＋１を介して接続されている。実施の形態１の電圧測定装置は、測定する２次電池の数に対応した定電流源２０−１〜２０−ｎ、電圧センサ３０−１〜３０−ｎを有している。

実施の形態１では、定電流源２０−１は、２次電池１０−１の正極に対応する電圧入力端子Ｖ１から２次電池１０−１の負極に接続される電圧入力端子Ｖ２へと定電流Ｉｒｅｆを流している。定電流源２０−２は、２次電池１０−１の正極に接続される電圧入力端子Ｖ１から２次電池１０−２の負極に接続される電圧入力端子Ｖ３へと定電流Ｉｒｅｆを流している。他の定電流源も、これと同様に順次接続され、定電流源２０−ｎは２次電池１０−１の正極に接続される電圧入力端子Ｖ１から２次電池１０−ｎの負極に接続される電圧入力端子Ｖｎ＋１へと定電流Ｉｒｅｆを流している。この定電流源２０−１〜２０−ｎによって電圧入力端子に電流が流れる構成となっている。

電圧センサ３０−１〜３０−ｎは、電圧入力端子の間にそれぞれ接続されている。つまり電圧入力端子Ｖ１とＶ２の間に電圧センサ３０−１が、電圧入力端子Ｖ２とＶ３の間に電圧センサ３０−２がというように順次接続され、電圧入力端子間に接続された２次電池の電圧を測定している。

図１に示すように実施の形態1における電圧センサは過電圧検出用分圧抵抗３１、低電圧検出用分圧抵抗３２、参照電圧生成回路３３、過電圧検出用比較器３４および低電圧検出用比較器３５を有している。以下、図１における電圧入力端子Ｖ１−Ｖ２間の電圧センサを例に、電圧センサ３０の構成を説明する。

電圧入力端子Ｖ１−Ｖ２間には、過電圧検出用分圧抵抗３１、低電圧検出用分圧抵抗３２が接続されている。この過電圧検出用分圧抵抗３１、低電圧検出用分圧抵抗３２は、互いに並列に設けられている。過電圧検出用分圧抵抗の分圧点は、過電圧検出用比較器３４の非反転入力端子に接続されている。低電圧検出用分圧抵抗の分圧点は、低電圧検出用比較器３５の反転入力端子に接続されている。参照電圧生成部３３の出力する電圧は、過電圧検出用比較器３４の反転入力端子および低電圧検出用比較器３５の非反転入力端子に接続されている。

以上のように構成された電圧測定装置の通常時の動作について説明する。電圧測定線Ｌ１〜Ｌｎ＋１の断線がない場合には、各電圧入力端子に２次電池の出力する電圧が与えられている。各電圧センサ３０−１〜３０−ｎには、２次電池のそれぞれが出力する電圧が与えられ、電圧センサはその測定結果を出力している。

電圧センサ内では過電圧検出用比較器で、過電圧検出用分圧抵抗の分圧点の電圧と参照電圧Ｖｒｅｆが比較される。ここで、仮に過電圧検出用の分圧抵抗３１は低電位側：高電位側＝１：３の抵抗比を持っていたとする。また、参照電圧Ｖｒｅｆとしては１Ｖが設定されていたとする。ここで例えば参照電圧Ｖｒｅｆよりも、過電圧検出用分圧抵抗の分圧点の電圧が高ければ過電圧比較器は過電圧検出信号（例えばＨレベルの信号）を出力する。抵抗比は１：３と仮定したので、この場合電池電圧として４Ｖ以上の電圧が与えられると分圧点の電圧は、１Ｖを超え、過電圧検出となる。
同様に、低電圧検出用の分圧抵抗３２の抵抗比を、低電位側：高電位側＝１：１、Ｖｒｅｆを１Ｖと仮定すれば、電池電圧が２Ｖ以下となれば、低電圧検出用の分圧点の電位が１Ｖ以下となる。低電圧検出用比較器では、低電圧検出用抵抗の分圧点の電圧と参照電圧が比較されている。ここで仮に分圧点の電圧が参照電圧よりも低ければ低電圧検出信号（例えばＨレベル）が出力される。以上の説明では、説明を分かりやすくするために計算しやすい値を用いて説明したが、実際はこの限りではなく、この参照電圧Ｖｒｅｆに対して過電圧検出用、低電圧検出用の分圧抵抗の分圧比を適切に設定することで過電圧および低電圧の検出が可能となる。

また、通常動作時、定電流源２０−１〜２０−ｎによって生成された電流は、電圧入力端子Ｖ２〜Ｖｎ＋１、電圧測定線Ｌ２〜Ｌｎ＋１を介して２次電池の負極へと流れて行く（図１、矢印参照）。つまり、本実施の形態では、電圧測定線Ｌ１〜Ｌｎ＋１に断線がない場合には、それぞれの電圧入力端子に常に定電流源によって生成される電流Ｉｒｅｆが流れている。

ここで、仮に電圧測定線Ｌ３に断線が生じた場合、定電流源２０−２によってＶ１からＶ３へと流れていた電流は、電圧入力端子Ｖ３を流れずに、全て電圧センサ３０−２および３０−３側へと流れて行く（図１破線矢印参照）。この結果、電圧センサ３０−２および３０−３の間のノードの電圧が上がることとなり、電圧センサは通常動作時に検出しない値を検出する。具体的には、電圧センサ３０−２は、低電圧を検出し、電圧センサ３０−３は過電圧を検出する。電圧センサ３０−２および３０−３が異常電圧を示す信号を出力することで、電圧測定線Ｌ３の断線が検出される。ここで、電圧センサ内の過電圧、低電圧測定用の分圧抵抗は、通常動作時に電圧センサの一部として用いられる抵抗であり、従来のように断線検出用に外付けで接続される抵抗ではない。

本実施の形態によれば定電流源を用いることで、従来用いられていたような断線測定用抵抗を外付けで用いることなく、断線の測定をすることが可能となる。これにより、電圧測定装置の使用する部品数を削減し、電圧測定装置の小型化を図ることが可能である。

また従来の電圧測定装置では、待機時に電圧測定装置に流れる電流（暗電流）を削減するために大きな抵抗値を有する断線測定用抵抗を用いていた。しかし、得られる抵抗値には限界があり、充分に暗電流を削減することは困難であった。それに対し本発明では、断線測定用抵抗の変わりに定電流源を用い、暗電流を定電流源によって決定することが可能となる。定電流源では、数μＡのレベルで電流を設定することが可能なため、待機時の電流消費を極めて小さくすることが可能である。

実施の形態２
図２は、本発明の実施の形態２の電圧測定装置を示す回路図である。図２において、図１と共通する構成については同じ記号を付し、その説明を省略する。実施の形態２の電圧測定装置ではその定電流源の接続の仕方が異なっている。定電流源２１−１は、電圧入力端子Ｖ１からＶｎ＋１に向かって定電流Ｉｒｅｆを流している。定電流源２１−２は、電圧入力端子Ｖ２からＶｎ＋１に向かって定電流Ｉｒｅｆを流している。以降、Ｖ３からＶｎ＋１に、Ｖ４からＶｎ＋１にと順に定電流源が接続され、定電流源２１−ｎは、電圧入力端子ＶｎからＶｎ＋１に向かって定電流Ｉｒｅｆを流している。

このように構成された電圧測定装置では、通常動作時、２次電池から電圧入力端子を介して定電流源に電流が供給されている。つまり、電圧測定線が断線していなければ電圧入力端子には定電流源による電流が常に流れている。ここで仮に電圧測定線Ｌ３に断線が生じた場合、電圧入力端子Ｖ３からＶｎ＋１へと向かう電流Ｉｒｅｆは、２次電池１０−３からは供給されず、電圧センサ３０−２および３０−３側からのみ供給されることとなる。このことにより電圧センサ３０−２と３０−３の間のノードから電流が吐き出され、電圧センサ３０−２は過電圧を、３０−３は低電圧を検出する。この検出信号に基づいて、電圧測定線Ｌ３の断線が検出される。

また従来の電圧測定装置では、待機時に電圧測定装置に流れる電流（暗電流）を削減するために大きな抵抗値を有する断線測定用抵抗を用いていた。しかし、得られる抵抗値には限界があり、充分に暗電流を削減することは困難であった。それに対し本発明では、暗電流を定電流源によって決定することが可能となるため待機時の電流消費を極めて小さくすることが可能である。

実施の形態３
図３は、本発明の実施の形態３の電圧測定装置を示す回路図である。図３において、図１と共通する構成については同じ記号を付し、その説明を省略する。実施の形態３の電圧測定装置ではその定電流源の接続の仕方が異なっている。

例えば、図３に示す例では定電流源２２−１は、電圧入力端子Ｖ３から電圧入力端子Ｖｎ＋１に向かって定電流Ｉｒｅｆを流している。定電流源２２−２は電圧入力端子Ｖ２から電圧入力端子Ｖｎ＋１に向かって定電流Ｉｒｅｆを流している。定電流源２２−３は、電圧入力端子Ｖ１から電圧入力端子Ｖ５に向かって定電流Ｉｒｅｆを流している。定電流源２２−４は、電圧入力端子Ｖ１から電圧入力端子Ｖ４に向かって定電流Ｉｒｅｆを流している。

ここで、各電圧入力端子に接続される定電流源について注目する。電圧入力端子Ｖ２と電圧入力端子Ｖ３には吸い込み型定電流源が接続されている。また電圧入力端子Ｖ４と電圧入力端子Ｖ５には吐き出し型定電流源が接続されている。

このように各電圧入力端子Ｖ１〜Ｖｎ＋１にはそれぞれ吸い込み型定電流源、または吐き出し型定電流源のどちらか一方のみが接続される。例えば電圧入力端子Ｖ３に対して吸い込み型定電流源２０−１の他に吐き出し型定電流源が接続されることはない。

このように構成することで電圧測定装置の各電圧入力端子には、電圧測定線が断線しない限り常に定電流源に基づいた電流が流れることとなる。
このように接続することで電圧測定線の断線が起こった場合に２次電池の陰極側への（あるいは２次電池の陽極側からの）電流経路を失った電流は確実に電圧センサの側への（あるいは電圧センサからの）電流経路を得ることとなる。これにより電圧センサが異常電圧を検出する。

例えば、電圧入力端子Ｖ３に電圧入力端子Ｖ１から吐き出し型定電流源が接続され、さらに電圧入力端子Ｖ３からＶ５へ吸い込み型定電流源を接続してしまった場合、前記２つの電流源の電流値が等しいとすると、電圧入力端子Ｖ３には電圧測定線の断線の有無に関わらず電流が流れないこととなる。そのとき仮に電圧測定線Ｌ３が断線しても、ノードＶ１からの定電流は、そのままノードＶ３からＶ５へと向かう定電流源に流れ込んでしまい、電圧測定線Ｌ３の断線を検出できない場合がある。そのため、本実施の形態では１つの電圧入力端子には吸い込み型定電流源あるいは吐き出し型定電流源のどちらか一方が接続される構成としている。

電圧入力端子に接続する電流源を「吸い込み型」、「吐き出し型」のどちらを選択するかによって、断線が発生した場合に、電圧センサに対して電流が流れ込む構成とするのか、電圧センサから電流が引き抜かれる構成とするのかを個々の電圧入力端子ごとに決めることができるため、システムの自由度を向上させることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが本発明は、上述のような実施の形態に限定されるものでなく種々の変形が可能である。例えば実施の形態１、２においては定電流源２０−ｎ、２１−ｎが電圧入力端子Ｖｎ＋１に接続される構成としたが、電圧入力端子Ｖｎ＋１が回路の基準となる接地電圧であれば電圧測定線Ｌｎ＋１が断線した場合は回路動作自体がエラーを起こしてしまう場合などはこの定電流源は接続しなくても良い。例えば実施の形態３において、１つの電圧入力端子には、吸い込み型定電流源のみ、あるいは吐き出し型定電流源のみが接続される構成として説明したが、定電流源を介して１つの電圧入力端子に流れ込んでくる電流量と、１つの電圧入力端子から流れ出る電流量が異なるように構成すれば、本発明を実施することが可能である。

本発明の実施の形態１の電圧測定装置を示す回路図である。本発明の実施の形態２の電圧測定装置を示す回路図である。本発明の実施の形態３の電圧測定装置を示す回路図である。従来の電圧測定装置を示す回路図である。

符号の説明

１０−１〜１０−ｎ２次電池あるいは電池モジュール
２０−１〜２０−ｎ、２１−１〜２１−ｎ、２２−１〜２２−ｎ定電流源
３０−１〜３０−ｎ電圧センサ
３１過電圧検出用分圧抵抗
３２低電圧検出用分圧抵抗
３３参照電圧生成部
３４過電圧検出用比較器
３５低電圧検出用比較器

Claims

電圧測定線を介して、２次電池の出力する電圧が入力される複数の電圧入力端子と、
互いに隣接する前記複数の電圧入力端子間に接続された複数の電圧センサと、
異なる組み合わせの前記複数の電圧入力端子間に接続される複数の吐き出し型定電流源または吸い込み型定電流源とを有し、
前記複数の電圧入力端子は、第１乃至第４の電圧入力端子を含み、
前記複数の吐き出し型定電流源または吸い込み型定電流源は、第１及び第２の定電流源を含み、
前記第１の定電流源は、前記第１の電圧入力端子と第２の電圧入力端子の間に設けられた吐き出し型電流源であり、
前記第２の定電流源は、前記第３の電圧入力端子と第４の電圧入力端子の間に設けられた吸い込み型電流源である電圧測定回路。
前記各電圧入力端子には前記吐き出し型定電流源または吸い込み型定電流源の入力あるいは出力の一方のみが接続されることを特徴とする請求項１に記載の電圧測定回路。
前記第１の定電流源が出力する定電流と、前記第２の定電流源が出力する定電流とが、異なる電流値レベルであることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の電圧測定回路。
第１の電圧測定線を介して、２次電池の出力する電圧が入力される第１の電圧入力端子と、
第２の電圧測定線を介して、２次電池の出力する電圧が入力され、前記第１の電圧入力端子と隣接する第２の電圧入力端子と、
第３の電圧測定線を介して、２次電池の出力する電圧が入力され、前記第１の電圧入力端子の反対側において前記第２の電圧入力端子と隣接する第３の電圧入力端子と、
前記第１の電圧入力端子と第２の電圧入力端子の間に接続された第１の電圧センサと、
前記第２の電圧入力端子と第３の電圧入力端子の間に接続された第２の電圧センサと、
前記第１の電圧入力端子と第２の電圧入力端子の間に接続された第１の定電流源と、
前記第１の電圧入力端子と第３の電圧入力端子の間に接続された第２の定電流源とを有する電圧測定回路。
前記第１の定電流源は、前記第１の電圧入力端子から前記第２の電圧入力端子へ電流を吐き出し、
前記第２の定電流源は、前記第１の電圧入力端子から前記第３の電圧入力端子へ電流を吐き出すことを特徴とする請求項４に記載の電圧測定回路。
前記第１の定電流源は、前記第２の電圧入力端子から前記第１の電圧入力端子に電流を吸い込み、
前記第２の定電流源は、前記第３の電圧入力端子から前記第１の電圧入力端子に電流を吸い込むことを特徴とする請求項４に記載の電圧測定回路。
前記第１の定電流源が出力する定電流と、前記第２の定電流源が出力する定電流とが、異なる電流値レベルであることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の電圧測定回路。