JP4540029B2 - 電圧検出方法及び電圧検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池又はコンデンサ等の単位蓄電装置を複数個直列接続して構成された蓄電装置において、各単位蓄電装置の電圧を測定する電圧検出方法及び蓄電装置の電圧検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電気自動車の動力用バッテリーは多数の単位電池を直列接続して所要の高電圧を確保した組電池により構成されている。このような電池システムでは、各単位電池の電圧にばらつきが生ずると、電池システムの信頼性が低下するおそれがあるため、各単位電池の電圧を検出して、各単位電池が所定の状態にあるか否かを監視するようにしている。
各単位電池の電圧を検出するためには、一般に、図４に示すような構成が利用される。ここでは、単位電池は図面の簡略化のために４個のみ図示してあり、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の例えば正極側の出力端子と、グランドラインＧＮＤとの間に抵抗ＲA，ＲBを直列接続してなる分圧回路Ｐ１〜Ｐ４が接続されると共に、各分圧回路Ｐ１〜Ｐ４における抵抗ＲA，ＲB間の共通接続点は、電圧検出用のＣＰＵ１に接続されている。このＣＰＵ１では、単位電池Ｅ１の電圧Ｖ１と、単位電池Ｅ１とＥ２とを合わせた電圧Ｖ２と、単位電池Ｅ１〜Ｅ３を合わせた電圧Ｖ３と、単位電池Ｅ１〜Ｅ４を合わせた電圧Ｖ４とを、順次にサンプリングして検出すると共に、これらＶ１〜Ｖ４をＣＰＵ１に備えたＡ／Ｄ変換器にてデジタル信号化し、次式に従って各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の電圧ＶE1〜ＶE4を求める。なお、下式においてｋは分圧比で決まる比例常数である。
ＶE1＝ｋ・Ｖ１
ＶE2＝ｋ・（Ｖ２−Ｖ１）
ＶE3＝ｋ・（Ｖ３−Ｖ２）
ＶE4＝ｋ・（Ｖ４−Ｖ３）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のシステムでは、最終的に検出したいものは、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の個々の電圧であるが、そのために複数の単位電池が直列した大電圧（Ｖ２〜Ｖ４）を検出し、それらの大電圧同士の差に基づいて単位電池の個々の電圧を算出している。このため、組電池の単位電池の数が多くなると、高電位側の単位電池に対する分圧比を大きくとる必要があり、ＣＰＵ１の分解能が十分に発揮されず、検出精度が低下するという問題が生じる。即ち、ＣＰＵ１におけるＡ／Ｄ変換器の分解能を例えば１０ビットとした場合に、１つの単位電池の電圧を直にＡ／Ｄ変換器に取り込むときと、単位電池を４つ直列した大電圧をＡ／Ｄ変換器に取り込むときとを比較すると、前者では、１つの単位電池の電圧に２１０の分解能を割り当てることができるが、後者では、１つの単位電池の電圧に２１０／４の分解能しか割り当てることができず、前者に比べて後者は分解能が低下し、従って、単位電池の個々の電圧の検出精度が低くなる。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、蓄電装置を構成する各単位電池又はコンデンサの電圧を高い精度で検出することが可能な電圧検出方法及び電圧検出装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明に係る電圧検出方法は、Ａ（Ａは複数）個の単位蓄電装置を直列接続して構成した蓄電装置に関し、入力端子及びグランド端子を有する電圧測定手段を用いて、各単位蓄電装置の電圧を順次測定する方法であって、電圧測定手段の前記入力端子に電圧記憶用コンデンサの一端を接続し、前記グランド端子に前記蓄電装置の負極側を接続し、前記電圧記憶用コンデンサの他端と前記各単位蓄電装置の正極端子との間にそれぞれ配されるA個の第１接続スイッチを設け、前記電圧記憶用コンデンサの前記一端と前記グランド端子との間に第２接続スイッチを設け、ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンし前記第２接続スイッチをオフして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記蓄電装置の前記負極側からｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続することでｎ番目の単位蓄電装置の電圧を前記入力端子に入力して測定する電圧測定動作と、その後、前記第１接続スイッチをオフし前記第２接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記一端を、前記グランド端子に接続して１からｎ番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する電圧記憶動作とを、ｎが１からＡになるまで繰り返すところに特徴を有する。
【０００６】
請求項の２の発明は、請求項１記載の電圧検出方法において、電圧測定動作と電圧記憶動作とをｎが１からＡになるまで繰り返した後、前記ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続し、且つ、前記第２接続スイッチをオンして電圧記憶用コンデンサの前記一端を前記グランド端子に接続することによりｎから１番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する充電動作を、ｎがＡから１になるまで繰り返すところに特徴を有する。
【０００７】
請求項の３の発明に係る蓄電装置の電圧検出装置は、Ａ（Ａは複数）個の単位蓄電装置を直列接続して構成した蓄電装置に関し、各単位蓄電装置の電圧を順次測定するための装置であって、入力端子及びグランド端子を有し、前記グランド端子に前記蓄電装置の負極側が接続される電圧測定手段と、この電圧測定手段の前記入力端子に一端が接続される電圧記憶用コンデンサと、前記電圧記憶用コンデンサの他端と前記各単位蓄電装置の正極端子との間にそれぞれ設けられるA個の第１接続スイッチと、前記電圧記憶用コンデンサの前記一端と前記グランド端子との間に設けられる第２接続スイッチと、前記第１接続スイッチ及び前記第２接続スイッチをオンオフ制御して、前記電圧測定手段と電圧記憶用コンデンサとを蓄電装置に対して次の（ａ），（ｂ）の状態となるようにｎが１からＡになるまで繰り返して切り換えるスイッチング手段とを備えたところに特徴を有する。
（ａ）ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンし前記第２接続スイッチをオフして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記蓄電装置の前記負極側から前記ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続することで前記ｎ番目の単位蓄電装置の電圧を前記入力端子に入力して測定する電圧測定状態
（ｂ）その後、前記第１接続スイッチをオフし前記第２接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記一端を、前記グランド端子に接続して１からｎ番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する電圧記憶状態
【０００８】
請求項の４の発明は、請求項３に記載の蓄電装置の電圧検出装置において、スイッチング手段は、電圧測定状態と電圧記憶状態とになるようにｎが１からＡになるまで繰り返し切り換えた後に、前記ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続し、且つ、前記第２接続スイッチをオンして電圧記憶用コンデンサの前記一端を前記グランド端子に接続することによりｎから１番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する充電状態を、ｎがＡから１になるまで繰り返すところに特徴を有する。
【０００９】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１及び請求項３の発明＞
請求項１及び請求項３の構成によれば、最初に電圧記憶用コンデンサを充分放電させておいて、まず電圧記憶用コンデンサの他端を、蓄電装置の負極側から１番目の単位蓄電装置（ｎ＝１）の正極端子に接続する電圧測定動作（請求項３の「電圧測定状態」に相当する）が行われると、電圧測定手段の入力端子には、１番目の単位蓄電装置の電圧(V1)と同レベルの電圧信号が与えられる。その後、電圧記憶用コンデンサの一端を、グランド端子に接続する電圧記憶動作（請求項３の「電圧記憶状態」に相当する）が行われると、電圧記憶用コンデンサは１番目の単位蓄電装置の電圧(V1)と同レベルになるまで充電される。
次いで、その状態で２番目の単位蓄電装置（ｎ＝２）について電圧測定動作が行われると、電圧測定手段の入力端子には、１番目及び２番目の単位蓄電装置の合計電圧(V1+V2)から電圧記憶用コンデンサに充電された１個目の単位蓄電装置の電圧分(V1)が差し引かれた２番目の単位蓄電装置の電圧(V2)と同レベルの電圧信号が与えられることになる。その後、電圧記憶動作が行われると、電圧記憶用コンデンサが１番目及び２番目の単位蓄電装置の合計電圧(V1+V2)と同レベルになるまで充電される。このような動作を３番目の単位蓄電装置（ｎ＝３）からＡ番目の単位蓄電装置（ｎ＝Ａ）まで繰り返して、各電圧測定動作時の電圧信号に基づいて各単位蓄電装置（ｎ＝１〜Ａ）の電圧を順次測定することができる。
【００１０】
このような構成であれば、従来の電圧検出方法のように大きな分圧抵抗を設ける必要がなく、多くの単位蓄電装置を直列接続してなる大容量の蓄電装置であっても高精度の電圧検出を行うことができる。
【００１１】
＜請求項２及び請求項４の発明＞
ところで、上述した従来のシステムでは、各分圧回路Ｐ１〜Ｐ４に流れる放電電流ｉ1〜ｉ4により、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の容量にばらつきが発生する。すなわち、図４に示すように、放電電流ｉ１は単位電池Ｅ１にのみ流れるが、放電電流ｉ２は単位電池Ｅ１，Ｅ２の双方に流れ、放電電流ｉ３は単位電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に流れる…、という関係になっているため、グランドラインＧＮＤにより近い単位電池Ｅ１，Ｅ２…には、より多くの電流が常時流れることになる。このため、グランドラインに近い単位電池ほど容量を低下させてしまうのである。
【００１２】
ところが、請求項２及び請求項４の構成によれば、上述した電圧測定動作及び電圧記憶動作とを全単位蓄電装置（ｎ＝１〜Ａ）について順次行った後の状態では、電圧記憶用コンデンサは全単位蓄電装置の合計電圧(V1+V2+...+VA)と同レベルまで充電されている。ここで、電圧記憶用コンデンサの他端を、ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続し、且つ、電圧記憶用コンデンサの一端をグランド端子に接続する充電動作（請求項４の「充電状態」に相当する）が行われると、電圧記憶用コンデンサも、その両端電圧を１番目からＡ−１番目の単位蓄電装置の合計電圧(V1+V2+...+VA-1)と同等レベルになるまで放電し、これにより直列接続された１番目からＡ−１番目の単位蓄電装置が充電されることになる。次いで、Ａ−２番目の単位蓄電装置について充電動作が行われると、今度は電圧記憶用コンデンサも、同じくその両端電圧を１番目からＡ−２番目の単位蓄電装置の合計電圧(V1+V2+...+VA-2)と同等レベルになるまで放電し、もって１番目からＡ−２番目の単位蓄電装置が充電されることになる。以後、Ａ−３番目から１番目まで順次充電動作を行うことで、各単位蓄電装置は、上記電圧測定動作及び電圧記憶動作での放電回数より１回少ない回数分の充電が行われることになる（例えば、１番目の単位蓄電装置ならＡ−１回、２番目の単位蓄電装置ならＡ−２回...）。
このように、電圧測定動作及び電圧記憶動作を行った後に、充電動作を行うことで、電圧測定に伴い出入りする電気量を各単位蓄電装置間で均一化することができるから、従来のような各単位蓄電装置の容量にばらつきが発生することを抑えることが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
以下、本発明を例えば電気自動車の動力用バッテリーシステムに適用した第１実施形態について図１〜２を参照しつつ説明する。
本発明の蓄電装置に相当するバッテリー１０は、図１に示すように、例えば４つの単位電池E1,E2,E3,E4を直列接続してなる。本実施形態の電圧検出装置は、これらの各単位電池E1,E2,E3,E4の電圧を順次測定するためのものである。
【００１４】
電圧検出装置には、電圧測定手段として、例えばＡ／Ｄコンバータを内蔵したＣＰＵ３０が備えられ、このＣＰＵ３０には、少なくともＡ／Ｄ変換用の入力端子（以下、「Ａ／Ｄ端子」という）及びＧＮＤ端子が設けられている。ＧＮＤ端子には、バッテリー１０を構成する単位電池E1の負極端子から引き出されたＧＮＤラインＬ１が接続されている。Ａ／Ｄ端子には、電圧記憶用としてのコンデンサ２０の一端から引き出された計測ラインＬ２が接続されている。そして、このコンデンサの他端が、接続スイッチSW1を介して単位電池E1の正極端子に、接続スイッチSW2を介して単位電池Ｅ２の正極端子に、接続スイッチSW3を介して単位電池Ｅ３の正極端子に、接続スイッチSW4を介して単位電池E4の正極端子にそれぞれ接続されている。また、コンデンサの両端はそれぞれ放電スイッチSW5及び充電スイッチSW6を介してＧＮＤラインＬ１に共通接続されている。なお、各スイッチSW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6は、例えばアナログスイッチからなり、後述する動作説明で明らかにされるが、それらの制御入力端子が図示しない制御ラインを介してＣＰＵ３０の６つの信号出力端子にそれぞれ接続されており、ＣＰＵ３０から所定のタイミングで与えられる信号を受けてオンオフ制御される。
【００１５】
次いで、本実施形態の電圧検出装置の動作について、図２を参照しつつ説明する。
図２には、ＣＰＵ３０により実行される各接続スイッチSW1,SW2,SW3,SW4、放電スイッチSW5及び充電スイッチSW6のオンオフタイミングのタイムチャートが示されている。同図に示すように、まず放電スイッチSW5及び充電スイッチSW6のみオンしてコンデンサ２０の両端をＧＮＤラインＬ１に接続することでコンデンサ２０の蓄積電荷がない状態から、両スイッチSW5,SW6をオフにすると共に接続スイッチSW1をオンする。これにより、単位電池E1の正極端子とＣＰＵ３０のＡ／Ｄ端子とがコンデンサ２０を介して接続されると共に、単位電池E1の負極端子とＣＰＵ３０のＧＮＤ端子とが接続された「電圧測定状態▲１▼」となり、もってＡ／Ｄ端子に単位電池E1の電圧(V1)と同レベルの電圧信号S1が与えられる。その後、充電スイッチSW6をオンしてコンデンサ２０が単位電池E1の正極端子とＧＮＤラインＬ１との間に接続される「電圧記憶状態▲１▼」になると、その単位電池E1の電圧(V1)と同レベルまでコンデンサ２０が充電されることになる。
【００１６】
次いで、接続スイッチSW1をオフして接続スイッチSW2をオンすると、単位電池E2の正極端子とＣＰＵ３０のＡ／Ｄ端子とがコンデンサ２０を介して接続されると共に、単位電池E1の負極端子とＣＰＵ３０のＧＮＤ端子とが接続された「電圧測定状態▲２▼」となり、Ａ／Ｄ端子には単位電池E1,E2の合計電圧(V1+V2)からコンデンサ２０に既に充電された単位電池E1の電圧分(V1)が差し引かれた単位電池E2の電圧(V2)と同レベルの電圧信号S2が与えられることになる。その後、充電スイッチSW6をオンしてコンデンサ２０が単位電池E2の正極端子とＧＮＤラインＬ１との間に接続される「電圧記憶状態▲２▼」になると、その単位電池E1及び単位電池E2の合計電圧(V1+V2)と同レベルまでコンデンサ２０が充電される。
【００１７】
以下、同様にして、単位電池E3について、接続スイッチSW2をオフして接続スイッチSW3をオンする「電圧測定状態（3）」後、充電スイッチSW6をオンする「電圧記憶状態（3）」、そして、単位電池E4について、接続スイッチSW3をオフして接続スイッチSW4をオンする「電圧測定状態（4）」で一通りの電圧測定（以下、「電圧測定ルーチン」という）が終了し、この電圧測定ルーチンを繰り返す。各電圧測定状態（1）〜（4）における電圧信号S1,S2,S3,S4がＣＰＵ３０に順次取り込まれて、例えばデジタルデータ化されかつ所定のソフト処理を経て各単位電池E1,E2,E3,E4の電圧値として検出され、例えば、各単位電池の電圧の差が所定の電圧差に収まっているか否かが監視される。
【００１８】
このように本実施形態によれば、コンデンサ２０とスイッチSW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6とを設けてそれらのスイッチをオンオフ制御する構成で各単位電池E1,E2,E3,E4の電圧測定が可能になり、従来の電圧検出方法のように大きな分圧抵抗を設ける必要がなく、多くの単位電池を直列接続してなる大容量のバッテリーであっても高精度の電圧検出を行うことができる。
【００１９】
＜第２実施形態＞
図３は（請求項２の発明に対応する）第２実施形態のＣＰＵ３０により実行されるスイッチ制御のタイムチャートを示す。前記実施形態との相違は、ＣＰＵ３０により実行されるオンオフ制御のタイミングにあり、その他の点は前記第１実施形態と同様である。従って、第１実施形態と同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
【００２０】
前記第１実施形態では、前記電圧測定ルーチンを繰り返す構成としたが、本実施形態では各電圧測定ルーチンの後に、「充電ルーチン」を行う構成とした。より詳しくは、各電圧測定ルーチンの終了後、まず接続スイッチSW4をオンしたままで充電スイッチSW6をオンする。これによりコンデンサ２０は単位電池E4の正極端子とＧＮＤラインＬ１との間に接続されて、全単位電池E1〜E4の合計電圧(V1+V2+V3+V4)と同レベルまで充電されている。
ここで、接続スイッチSW4をオフして接続スイッチSW3をオンすると、コンデンサ２０の両端にかかる電圧が単位電池E4の電圧分V4減るから、コンデンサ２０は、単位電池E1〜E3の合計電圧(V1+V2+V3)と同等レベルになるまで放電する。そして、この放電により放出された電荷によりコンデンサ２０の両端に接続された単位電池E1,E2,E3が充電されることになる。
次いで、接続スイッチSW3をオフして接続スイッチSW2をオンすると、コンデンサ２０の電圧が単位電池E3の電圧分V3更に減るから、コンデンサ２０は、単位電池E1,E2の合計電圧(V1+V2)と同等レベルになるまで放電し、コンデンサ２０の両端に接続された単位電池E1,E2が充電されることになる。そして、接続スイッチSW2をオフして接続スイッチSW1をオンすると、コンデンサ２０の電圧が単位電池E2の電圧分V2減るから、コンデンサ２０は単位電池E1の電圧(V1)と同等レベルになるまで放電し、コンデンサ２０の両端に接続された単位電池E1のみが充電されることになる。
【００２１】
このような充電ルーチンを実行することにより、各単位電池E1,E2,E3,E4は、電圧測定ルーチンにおける電圧測定動作及び電圧記憶動作での放電回数より１回少ない回数分の充電が行われることになる（例えば、単位電池E1なら３回、単位電池E2なら２回…）。これにより、電圧測定に伴い出入りする電気量を各単位蓄電装置間で均一化することができるから、従来のような各単位電池間の容量にばらつきが発生するのを抑えることが可能になる。
【００２２】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記各実施形態では、バッテリー１０は４つの単位電池E1,E2,E3,E4を直列接続してなるとしたが、それ以外の数の単位電池を直接接続したバッテリーであってもよい。本発明は、従来の電圧検出装置のような分圧抵抗を設ける必要がないから、多くの単位電池を直列接続してなる大容量のバッテリーであっても高精度の電圧検出を行うことができる。
【００２３】
（２）上記各実施形態では、単位電池を直列接続して構成したバッテリー１０に適用した場合を接続したが、これに限られず、例えば複数のコンデンサを直列接続した蓄電装置であっても本発明の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電圧検出装置の簡略回路図
【図２】ＣＰＵ３０による各スイッチのオンオフタイミングを示したタイムチャート
【図３】第２実施形態におけるＣＰＵ３０による各スイッチのオンオフタイミングを示したタイムチャート
【図４】従来の電圧検出装置の回路図
【符号の説明】
E1,E2,E3,E4… 単位電池（単位蓄電装置）
SW1,SW2,SW3,SW4…接続スイッチ
SW5…放電スイッチ
SW6…充電スイッチ
１０…バッテリー（蓄電装置）
２０…コンデンサ
３０…ＣＰＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池又はコンデンサ等の単位蓄電装置を複数個直列接続して構成された蓄電装置において、各単位蓄電装置の電圧を測定する電圧検出方法及び蓄電装置の電圧検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電気自動車の動力用バッテリーは多数の単位電池を直列接続して所要の高電圧を確保した組電池により構成されている。このような電池システムでは、各単位電池の電圧にばらつきが生ずると、電池システムの信頼性が低下するおそれがあるため、各単位電池の電圧を検出して、各単位電池が所定の状態にあるか否かを監視するようにしている。
各単位電池の電圧を検出するためには、一般に、図４に示すような構成が利用される。ここでは、単位電池は図面の簡略化のために４個のみ図示してあり、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の例えば正極側の出力端子と、グランドラインＧＮＤとの間に抵抗ＲA，ＲBを直列接続してなる分圧回路Ｐ１〜Ｐ４が接続されると共に、各分圧回路Ｐ１〜Ｐ４における抵抗ＲA，ＲB間の共通接続点は、電圧検出用のＣＰＵ１に接続されている。このＣＰＵ１では、単位電池Ｅ１の電圧Ｖ１と、単位電池Ｅ１とＥ２とを合わせた電圧Ｖ２と、単位電池Ｅ１〜Ｅ３を合わせた電圧Ｖ３と、単位電池Ｅ１〜Ｅ４を合わせた電圧Ｖ４とを、順次にサンプリングして検出すると共に、これらＶ１〜Ｖ４をＣＰＵ１に備えたＡ／Ｄ変換器にてデジタル信号化し、次式に従って各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の電圧ＶE1〜ＶE4を求める。なお、下式においてｋは分圧比で決まる比例常数である。
ＶE1＝ｋ・Ｖ１
ＶE2＝ｋ・（Ｖ２−Ｖ１）
ＶE3＝ｋ・（Ｖ３−Ｖ２）
ＶE4＝ｋ・（Ｖ４−Ｖ３）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のシステムでは、最終的に検出したいものは、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の個々の電圧であるが、そのために複数の単位電池が直列した大電圧（Ｖ２〜Ｖ４）を検出し、それらの大電圧同士の差に基づいて単位電池の個々の電圧を算出している。このため、組電池の単位電池の数が多くなると、高電位側の単位電池に対する分圧比を大きくとる必要があり、ＣＰＵ１の分解能が十分に発揮されず、検出精度が低下するという問題が生じる。即ち、ＣＰＵ１におけるＡ／Ｄ変換器の分解能を例えば１０ビットとした場合に、１つの単位電池の電圧を直にＡ／Ｄ変換器に取り込むときと、単位電池を４つ直列した大電圧をＡ／Ｄ変換器に取り込むときとを比較すると、前者では、１つの単位電池の電圧に２１０の分解能を割り当てることができるが、後者では、１つの単位電池の電圧に２１０／４の分解能しか割り当てることができず、前者に比べて後者は分解能が低下し、従って、単位電池の個々の電圧の検出精度が低くなる。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、蓄電装置を構成する各単位電池又はコンデンサの電圧を高い精度で検出することが可能な電圧検出方法及び電圧検出装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明に係る電圧検出方法は、Ａ（Ａは複数）個の単位蓄電装置を直列接続して構成した蓄電装置に関し、入力端子及びグランド端子を有する電圧測定手段を用いて、各単位蓄電装置の電圧を順次測定する方法であって、電圧測定手段の前記入力端子に電圧記憶用コンデンサの一端を接続し、前記グランド端子に前記蓄電装置の負極側を接続し、前記電圧記憶用コンデンサの他端と前記各単位蓄電装置の正極端子との間にそれぞれ配されるA個の第１接続スイッチを設け、前記電圧記憶用コンデンサの前記一端と前記グランド端子との間に第２接続スイッチを設け、ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンし前記第２接続スイッチをオフして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記蓄電装置の前記負極側からｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続することでｎ番目の単位蓄電装置の電圧を前記入力端子に入力して測定する電圧測定動作と、その後、前記第１接続スイッチをオフし前記第２接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記一端を、前記グランド端子に接続して１からｎ番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する電圧記憶動作とを、ｎが１からＡになるまで繰り返すところに特徴を有する。
【０００６】
請求項の２の発明は、請求項１記載の電圧検出方法において、電圧測定動作と電圧記憶動作とをｎが１からＡになるまで繰り返した後、前記ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続し、且つ、前記第２接続スイッチをオンして電圧記憶用コンデンサの前記一端を前記グランド端子に接続することによりｎから１番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する充電動作を、ｎがＡから１になるまで繰り返すところに特徴を有する。
【０００７】
請求項の３の発明に係る蓄電装置の電圧検出装置は、Ａ（Ａは複数）個の単位蓄電装置を直列接続して構成した蓄電装置に関し、各単位蓄電装置の電圧を順次測定するための装置であって、入力端子及びグランド端子を有し、前記グランド端子に前記蓄電装置の負極側が接続される電圧測定手段と、この電圧測定手段の前記入力端子に一端が接続される電圧記憶用コンデンサと、前記電圧記憶用コンデンサの他端と前記各単位蓄電装置の正極端子との間にそれぞれ設けられるA個の第１接続スイッチと、前記電圧記憶用コンデンサの前記一端と前記グランド端子との間に設けられる第２接続スイッチと、前記第１接続スイッチ及び前記第２接続スイッチをオンオフ制御して、前記電圧測定手段と電圧記憶用コンデンサとを蓄電装置に対して次の（ａ），（ｂ）の状態となるようにｎが１からＡになるまで繰り返して切り換えるスイッチング手段とを備えたところに特徴を有する。
（ａ）ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンし前記第２接続スイッチをオフして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記蓄電装置の前記負極側から前記ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続することで前記ｎ番目の単位蓄電装置の電圧を前記入力端子に入力して測定する電圧測定状態
（ｂ）その後、前記第１接続スイッチをオフし前記第２接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記一端を、前記グランド端子に接続して１からｎ番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する電圧記憶状態
【０００８】
請求項の４の発明は、請求項３に記載の蓄電装置の電圧検出装置において、スイッチング手段は、電圧測定状態と電圧記憶状態とになるようにｎが１からＡになるまで繰り返し切り換えた後に、前記ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続し、且つ、前記第２接続スイッチをオンして電圧記憶用コンデンサの前記一端を前記グランド端子に接続することによりｎから１番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する充電状態を、ｎがＡから１になるまで繰り返すところに特徴を有する。
【０００９】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１及び請求項３の発明＞
請求項１及び請求項３の構成によれば、最初に電圧記憶用コンデンサを充分放電させておいて、まず電圧記憶用コンデンサの他端を、蓄電装置の負極側から１番目の単位蓄電装置（ｎ＝１）の正極端子に接続する電圧測定動作（請求項３の「電圧測定状態」に相当する）が行われると、電圧測定手段の入力端子には、１番目の単位蓄電装置の電圧(V1)と同レベルの電圧信号が与えられる。その後、電圧記憶用コンデンサの一端を、グランド端子に接続する電圧記憶動作（請求項３の「電圧記憶状態」に相当する）が行われると、電圧記憶用コンデンサは１番目の単位蓄電装置の電圧(V1)と同レベルになるまで充電される。
次いで、その状態で２番目の単位蓄電装置（ｎ＝２）について電圧測定動作が行われると、電圧測定手段の入力端子には、１番目及び２番目の単位蓄電装置の合計電圧(V1+V2)から電圧記憶用コンデンサに充電された１個目の単位蓄電装置の電圧分(V1)が差し引かれた２番目の単位蓄電装置の電圧(V2)と同レベルの電圧信号が与えられることになる。その後、電圧記憶動作が行われると、電圧記憶用コンデンサが１番目及び２番目の単位蓄電装置の合計電圧(V1+V2)と同レベルになるまで充電される。このような動作を３番目の単位蓄電装置（ｎ＝３）からＡ番目の単位蓄電装置（ｎ＝Ａ）まで繰り返して、各電圧測定動作時の電圧信号に基づいて各単位蓄電装置（ｎ＝１〜Ａ）の電圧を順次測定することができる。
【００１０】
このような構成であれば、従来の電圧検出方法のように大きな分圧抵抗を設ける必要がなく、多くの単位蓄電装置を直列接続してなる大容量の蓄電装置であっても高精度の電圧検出を行うことができる。
【００１１】
＜請求項２及び請求項４の発明＞
ところで、上述した従来のシステムでは、各分圧回路Ｐ１〜Ｐ４に流れる放電電流ｉ1〜ｉ4により、各単位電池Ｅ１〜Ｅ４の容量にばらつきが発生する。すなわち、図４に示すように、放電電流ｉ１は単位電池Ｅ１にのみ流れるが、放電電流ｉ２は単位電池Ｅ１，Ｅ２の双方に流れ、放電電流ｉ３は単位電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に流れる…、という関係になっているため、グランドラインＧＮＤにより近い単位電池Ｅ１，Ｅ２…には、より多くの電流が常時流れることになる。このため、グランドラインに近い単位電池ほど容量を低下させてしまうのである。
【００１２】
ところが、請求項２及び請求項４の構成によれば、上述した電圧測定動作及び電圧記憶動作とを全単位蓄電装置（ｎ＝１〜Ａ）について順次行った後の状態では、電圧記憶用コンデンサは全単位蓄電装置の合計電圧(V1+V2+...+VA)と同レベルまで充電されている。ここで、電圧記憶用コンデンサの他端を、ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続し、且つ、電圧記憶用コンデンサの一端をグランド端子に接続する充電動作（請求項４の「充電状態」に相当する）が行われると、電圧記憶用コンデンサも、その両端電圧を１番目からＡ−１番目の単位蓄電装置の合計電圧(V1+V2+...+VA-1)と同等レベルになるまで放電し、これにより直列接続された１番目からＡ−１番目の単位蓄電装置が充電されることになる。次いで、Ａ−２番目の単位蓄電装置について充電動作が行われると、今度は電圧記憶用コンデンサも、同じくその両端電圧を１番目からＡ−２番目の単位蓄電装置の合計電圧(V1+V2+...+VA-2)と同等レベルになるまで放電し、もって１番目からＡ−２番目の単位蓄電装置が充電されることになる。以後、Ａ−３番目から１番目まで順次充電動作を行うことで、各単位蓄電装置は、上記電圧測定動作及び電圧記憶動作での放電回数より１回少ない回数分の充電が行われることになる（例えば、１番目の単位蓄電装置ならＡ−１回、２番目の単位蓄電装置ならＡ−２回...）。
このように、電圧測定動作及び電圧記憶動作を行った後に、充電動作を行うことで、電圧測定に伴い出入りする電気量を各単位蓄電装置間で均一化することができるから、従来のような各単位蓄電装置の容量にばらつきが発生することを抑えることが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
以下、本発明を例えば電気自動車の動力用バッテリーシステムに適用した第１実施形態について図１〜２を参照しつつ説明する。
本発明の蓄電装置に相当するバッテリー１０は、図１に示すように、例えば４つの単位電池E1,E2,E3,E4を直列接続してなる。本実施形態の電圧検出装置は、これらの各単位電池E1,E2,E3,E4の電圧を順次測定するためのものである。
【００１４】
電圧検出装置には、電圧測定手段として、例えばＡ／Ｄコンバータを内蔵したＣＰＵ３０が備えられ、このＣＰＵ３０には、少なくともＡ／Ｄ変換用の入力端子（以下、「Ａ／Ｄ端子」という）及びＧＮＤ端子が設けられている。ＧＮＤ端子には、バッテリー１０を構成する単位電池E1の負極端子から引き出されたＧＮＤラインＬ１が接続されている。Ａ／Ｄ端子には、電圧記憶用としてのコンデンサ２０の一端から引き出された計測ラインＬ２が接続されている。そして、このコンデンサの他端が、接続スイッチSW1を介して単位電池E1の正極端子に、接続スイッチSW2を介して単位電池Ｅ２の正極端子に、接続スイッチSW3を介して単位電池Ｅ３の正極端子に、接続スイッチSW4を介して単位電池E4の正極端子にそれぞれ接続されている。また、コンデンサの両端はそれぞれ放電スイッチSW5及び充電スイッチSW6を介してＧＮＤラインＬ１に共通接続されている。なお、各スイッチSW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6は、例えばアナログスイッチからなり、後述する動作説明で明らかにされるが、それらの制御入力端子が図示しない制御ラインを介してＣＰＵ３０の６つの信号出力端子にそれぞれ接続されており、ＣＰＵ３０から所定のタイミングで与えられる信号を受けてオンオフ制御される。
【００１５】
次いで、本実施形態の電圧検出装置の動作について、図２を参照しつつ説明する。
図２には、ＣＰＵ３０により実行される各接続スイッチSW1,SW2,SW3,SW4、放電スイッチSW5及び充電スイッチSW6のオンオフタイミングのタイムチャートが示されている。同図に示すように、まず放電スイッチSW5及び充電スイッチSW6のみオンしてコンデンサ２０の両端をＧＮＤラインＬ１に接続することでコンデンサ２０の蓄積電荷がない状態から、両スイッチSW5,SW6をオフにすると共に接続スイッチSW1をオンする。これにより、単位電池E1の正極端子とＣＰＵ３０のＡ／Ｄ端子とがコンデンサ２０を介して接続されると共に、単位電池E1の負極端子とＣＰＵ３０のＧＮＤ端子とが接続された「電圧測定状態▲１▼」となり、もってＡ／Ｄ端子に単位電池E1の電圧(V1)と同レベルの電圧信号S1が与えられる。その後、充電スイッチSW6をオンしてコンデンサ２０が単位電池E1の正極端子とＧＮＤラインＬ１との間に接続される「電圧記憶状態▲１▼」になると、その単位電池E1の電圧(V1)と同レベルまでコンデンサ２０が充電されることになる。
【００１６】
次いで、接続スイッチSW1をオフして接続スイッチSW2をオンすると、単位電池E2の正極端子とＣＰＵ３０のＡ／Ｄ端子とがコンデンサ２０を介して接続されると共に、単位電池E1の負極端子とＣＰＵ３０のＧＮＤ端子とが接続された「電圧測定状態▲２▼」となり、Ａ／Ｄ端子には単位電池E1,E2の合計電圧(V1+V2)からコンデンサ２０に既に充電された単位電池E1の電圧分(V1)が差し引かれた単位電池E2の電圧(V2)と同レベルの電圧信号S2が与えられることになる。その後、充電スイッチSW6をオンしてコンデンサ２０が単位電池E2の正極端子とＧＮＤラインＬ１との間に接続される「電圧記憶状態▲２▼」になると、その単位電池E1及び単位電池E2の合計電圧(V1+V2)と同レベルまでコンデンサ２０が充電される。
【００１７】
以下、同様にして、単位電池E3について、接続スイッチSW2をオフして接続スイッチSW3をオンする「電圧測定状態（3）」後、充電スイッチSW6をオンする「電圧記憶状態（3）」、そして、単位電池E4について、接続スイッチSW3をオフして接続スイッチSW4をオンする「電圧測定状態（4）」で一通りの電圧測定（以下、「電圧測定ルーチン」という）が終了し、この電圧測定ルーチンを繰り返す。各電圧測定状態（1）〜（4）における電圧信号S1,S2,S3,S4がＣＰＵ３０に順次取り込まれて、例えばデジタルデータ化されかつ所定のソフト処理を経て各単位電池E1,E2,E3,E4の電圧値として検出され、例えば、各単位電池の電圧の差が所定の電圧差に収まっているか否かが監視される。
【００１８】
このように本実施形態によれば、コンデンサ２０とスイッチSW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6とを設けてそれらのスイッチをオンオフ制御する構成で各単位電池E1,E2,E3,E4の電圧測定が可能になり、従来の電圧検出方法のように大きな分圧抵抗を設ける必要がなく、多くの単位電池を直列接続してなる大容量のバッテリーであっても高精度の電圧検出を行うことができる。
【００１９】
＜第２実施形態＞
図３は（請求項２の発明に対応する）第２実施形態のＣＰＵ３０により実行されるスイッチ制御のタイムチャートを示す。前記実施形態との相違は、ＣＰＵ３０により実行されるオンオフ制御のタイミングにあり、その他の点は前記第１実施形態と同様である。従って、第１実施形態と同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
【００２０】
前記第１実施形態では、前記電圧測定ルーチンを繰り返す構成としたが、本実施形態では各電圧測定ルーチンの後に、「充電ルーチン」を行う構成とした。より詳しくは、各電圧測定ルーチンの終了後、まず接続スイッチSW4をオンしたままで充電スイッチSW6をオンする。これによりコンデンサ２０は単位電池E4の正極端子とＧＮＤラインＬ１との間に接続されて、全単位電池E1〜E4の合計電圧(V1+V2+V3+V4)と同レベルまで充電されている。
ここで、接続スイッチSW4をオフして接続スイッチSW3をオンすると、コンデンサ２０の両端にかかる電圧が単位電池E4の電圧分V4減るから、コンデンサ２０は、単位電池E1〜E3の合計電圧(V1+V2+V3)と同等レベルになるまで放電する。そして、この放電により放出された電荷によりコンデンサ２０の両端に接続された単位電池E1,E2,E3が充電されることになる。
次いで、接続スイッチSW3をオフして接続スイッチSW2をオンすると、コンデンサ２０の電圧が単位電池E3の電圧分V3更に減るから、コンデンサ２０は、単位電池E1,E2の合計電圧(V1+V2)と同等レベルになるまで放電し、コンデンサ２０の両端に接続された単位電池E1,E2が充電されることになる。そして、接続スイッチSW2をオフして接続スイッチSW1をオンすると、コンデンサ２０の電圧が単位電池E2の電圧分V2減るから、コンデンサ２０は単位電池E1の電圧(V1)と同等レベルになるまで放電し、コンデンサ２０の両端に接続された単位電池E1のみが充電されることになる。
【００２１】
このような充電ルーチンを実行することにより、各単位電池E1,E2,E3,E4は、電圧測定ルーチンにおける電圧測定動作及び電圧記憶動作での放電回数より１回少ない回数分の充電が行われることになる（例えば、単位電池E1なら３回、単位電池E2なら２回…）。これにより、電圧測定に伴い出入りする電気量を各単位蓄電装置間で均一化することができるから、従来のような各単位電池間の容量にばらつきが発生するのを抑えることが可能になる。
【００２２】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記各実施形態では、バッテリー１０は４つの単位電池E1,E2,E3,E4を直列接続してなるとしたが、それ以外の数の単位電池を直接接続したバッテリーであってもよい。本発明は、従来の電圧検出装置のような分圧抵抗を設ける必要がないから、多くの単位電池を直列接続してなる大容量のバッテリーであっても高精度の電圧検出を行うことができる。
【００２３】
（２）上記各実施形態では、単位電池を直列接続して構成したバッテリー１０に適用した場合を接続したが、これに限られず、例えば複数のコンデンサを直列接続した蓄電装置であっても本発明の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電圧検出装置の簡略回路図
【図２】ＣＰＵ３０による各スイッチのオンオフタイミングを示したタイムチャート
【図３】第２実施形態におけるＣＰＵ３０による各スイッチのオンオフタイミングを示したタイムチャート
【図４】従来の電圧検出装置の回路図
【符号の説明】
E1,E2,E3,E4… 単位電池（単位蓄電装置）
SW1,SW2,SW3,SW4…接続スイッチ
SW5…放電スイッチ
SW6…充電スイッチ
１０…バッテリー（蓄電装置）
２０…コンデンサ
３０…ＣＰＵ
Claims (4)
- Ａ（Ａは複数）個の単位蓄電装置を直列接続して構成した蓄電装置に関し、入力端子及びグランド端子を有する電圧測定手段を用いて、前記各単位蓄電装置の電圧を順次測定する方法であって、
電圧測定手段の前記入力端子に電圧記憶用コンデンサの一端を接続し、前記グランド端子に前記蓄電装置の負極側を接続し、
前記電圧記憶用コンデンサの他端と前記各単位蓄電装置の正極端子との間にそれぞれ配されるＡ個の第１接続スイッチを設け、
前記電圧記憶用コンデンサの前記一端と前記グランド端子との間に第２接続スイッチを設け、
ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンし前記第２接続スイッチをオフして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記蓄電装置の前記負極側から前記ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続することで前記ｎ番目の単位蓄電装置の電圧を前記入力端子に入力して測定する電圧測定動作と、その後、前記第１接続スイッチをオフし前記第２接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記一端を、前記グランド端子に接続して１からｎ番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する電圧記憶動作とを、前記ｎが１からＡになるまで繰り返すことを特徴とする電圧検出方法。 - 請求項１記載の電圧検出方法において、前記電圧測定動作と前記電圧記憶動作とを前記ｎが１からＡになるまで繰り返した後、前記ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続し、且つ、前記第２接続スイッチをオンして前記電圧記憶用コンデンサの前記一端を前記グランド端子に接続することによりｎから１番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する充電動作を、前記ｎがＡから１になるまで繰り返すことを特徴とする電圧検出方法。
- Ａ（Ａは複数）個の単位蓄電装置を直列接続して構成した蓄電装置に関し、前記各単位蓄電装置の電圧を順次測定するための装置であって、
入力端子及びグランド端子を有し、前記グランド端子に前記蓄電装置の負極側が接続される電圧測定手段と、
この電圧測定手段の前記入力端子に一端が接続される電圧記憶用コンデンサと、
前記電圧記憶用コンデンサの他端と前記各単位蓄電装置の正極端子との間にそれぞれ設けられるＡ個の第１接続スイッチと、
前記電圧記憶用コンデンサの前記一端と前記グランド端子との間に設けられる第２接続スイッチと、
前記第１接続スイッチ及び前記第２接続スイッチをオンオフ制御して、前記電圧測定手段と前記電圧記憶用コンデンサとを前記蓄電装置に対して次の（ａ），（ｂ）の状態となるようにｎが１からＡになるまで繰り返して切り換えるスイッチング手段とを備えた蓄電装置の電圧検出装置。
（ａ）ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンし前記第２接続スイッチをオフして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記蓄電装置の前記負極側から前記ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続することで前記ｎ番目の単位蓄電装置の電圧を前記入力端子に入力して測定する電圧測定状態
（ｂ）その後、前記第１接続スイッチをオフし前記第２接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記一端を、前記グランド端子に接続して１からｎ番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する電圧記憶状態 - 前記スイッチング手段は、前記電圧測定状態と前記電圧記憶状態とになるようにｎが１からＡになるまで繰り返し切り換えた後に、前記ｎ番目の単位蓄電装置に対応する第１接続スイッチをオンして、前記電圧記憶用コンデンサの前記他端を、前記ｎ番目の単位蓄電装置の正極端子に接続し、且つ、前記第２接続スイッチをオンして前記電圧記憶用コンデンサの前記一端を前記グランド端子に接続することによりｎから１番目までの単位蓄電装置の合計電圧に前記電圧記憶用コンデンサを充電する充電状態を、前記ｎがＡから１になるまで繰り返すことを特徴とする請求項３に記載の蓄電装置の電圧検出装置。
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